Nature Plants| 揭示植物特异识别并沉默活跃转座子的新机制

植物生物学

转座子（TEs, transposons）是基因组中的可移动遗传元件，对基因组进化和物种多样性具有重要作用。但其转座也会对宿主发育造成威胁，为此宿主进化出了多种多样的机制来抑制其活性。在植物中，除了由Pol IV和Pol V 介导的RNA指导的DNA甲基化（RdDM）经典途径来维持转座子沉默，还存在另一条由RDR6介导的非经典RdDM途径，对重新激活或外源转移的转座子从头甲基化具有重要作用【1】。

转座子造成的玉米表型多样性（作者供图）

2021年3月2日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心，中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心Jungnam Cho研究组在Nature Plants发表了题为Ribosome stalling and SGS3 phase separation prime the epigenetic silencing of transposons的研究论文，揭示了植物中翻译耦联和SGS3液-液相分离介导活跃转座子沉默的机制。

有研究表明转座子较低的CpG密度【2】和GC3含量【3】（密码子第三位核苷酸G和C的含量）与siRNA产生和活跃的DNA甲基化相关，暗示翻译耦联途径可能参与表观遗传沉默。值得注意的是，低翻译效率可导致RNA截短，而截短的RNA是RDR6靶向的必要前提【4,5】。此外，由核糖体停滞诱发的RNA监控途径No-Go RNA降解（NGD）在植物中会造成RNA截短，且在果蝇中被报道能抑制转座子活性。由此研究人员提出假设：转座子RNA可由于其低效的翻译导致自身更容易被切割（RNA cleavage）。

奔跑的转座子，帽子：组蛋白等修饰；me：甲基化修饰（作者供图）

研究人员分析了水稻大量转座子被激活的愈伤组织翻译组数据，并对拟南芥ddm1突变体进行核糖体印记测序（Ribo-seq），发现转座子翻译效率相对于基因明显下降。那么这种低翻译效率是否由于第三位密码子GC3含量低、含有更多的非最优翻译密码子造成的呢？烟草瞬时表达荧光素酶实验证实了的确如此。进一步地，拟南芥ddm1降解组（Degradome-seq）数据表明，翻译效率与RNA截短产生easiRNA水平紧密相关。核糖体测序数据也发现双核糖体片段（disome，用于表征核糖体停滞或碰撞）中含有更多的转座子转录本，且这些disome片段翻译潜能低，易被截短和降解产生easiRNA。上述结果表明核糖体停滞与活跃的RNA截短、easiRNA产生紧密相关，但RDR6如何特异识别转座子RNA并产生easiRNA的仍不清楚。

为了进一步探索，研究人员注意到，RDR6介导的途径在空间上局限在胞质siRNA 小体，而RDR6互作蛋白SGS3在其两端均含有朊病毒样结构域（PrLD），其具有介导蛋白发生液-液相分离 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 的潜力。进而在烟草中表达SGS3全长及PrLD截短的SGS3蛋白，研究人员发现全长SGS3蛋白能够聚集形成胞质集合体（cytoplasmic foci），而PrLD截短的版本却只能局限在细胞核。体外实验也显示全长SGS3蛋白能够聚集形成液滴状结构，而PrLD截短版本无法观察到（图3）。SGS3相分离具体发挥怎样的作用？研究人员进一步在烟草中将SGS3与RDR6共表达，结果表明只有当全长SGS3存在时，RDR6才能够与其共定位形成胞质集合体。由此可见，SGS3蛋白的液-液相分离对于胞质siRNA 小体的形成至关重要。

共聚焦显微镜下SGS3蛋白体外相分离形成的液滴状结构（作者供图）

已知siRNA小体能够与应激颗粒（stress granule, SGs）共定位，经证明应激颗粒关键组分UBP1b也能够发生液-液相分离。酵母及人类的研究表明SG转录组与翻译抑制相关，那么不难想到，转座子RNA是否更易定位在包含应激颗粒及siRNA小体的RNA颗粒(RNA granules, RGs)中，从而被RDR6-RdDM途径选择性靶向？为了回答这一问题，研究人员在拟南芥ddm1突变体中富集RG组分并开展了RNA测序，数据表明RG富集的RNA中转座子比例明显升高。

植物转座子 RNA由于含有非最优密码子导致翻译过程中出现常见的核糖体停滞，核糖体停滞诱发RNA截短并由SGS3液-液相分离介导定位至胞质siRNA小体

转座子的特异识别和easiRNA产生的通路对基因组完整性的永久保持至关重要，至此该研究展现了植物活跃转座子 RNA由于含有非最优密码子导致翻译过程中出现常见的核糖体停滞，进而诱发RNA截短并由SGS3液-液相分离介导定位至胞质siRNA小体沉默的全过程。值得注意的是，SGS3和RDR6共同作用除介导活跃转座子RNA沉默外，早已知在病毒RNA、外源基因识别中同样发挥作用，但SGS3介导的液-液相分离尚属首次发现。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jungnam Cho研究员为论文通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心Eunyu Kim副研究员和博士生王令、雷震为论文共同第一作者，博士生李慧和范文文参与了本项目。该研究得到了国家自然科学基金委员会和中国科学院战略先导B项目的资助。

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