植物細胞核內RNA調控模式被確定
日期：2015-01-06 09:20:14
當人類基因組被首次測序時，專家預測他們會發現大約100,000個基因。實際數目是接近20,000個，比果蠅的僅僅多出幾千個。問題是：相對較少數量的基因如何為人體的復雜性奠定基礎？
這個問題的解釋是：基因受許多不同形式的調控所支配，調控可以改變其蛋白質的形式，并確定一個基因的產物是否會產生？產生多少？這種調控許多發生在DNA被轉錄成RNA期間或剛剛結束的時候。
最近，在植物進行的一項新研究中，賓夕法尼亞大學的生物學家以早期工作為基礎，在早期工作中他們將發生在RNA及RNA結合蛋白質之間的所有相互作用進行編目。這一次，他們僅在細胞核中研究這些相互作用，同時獲得關于核RNA分子結構的數據。通過結合這些數據集，他們的研究全面分析了可能影響RNA調控過程的模式，這些調控過程發生在這些分子進入細胞質之前，在那里它們轉化為蛋白質，從而構成一個活的生物體。
此外，研究人員提供了一個巨大的、公開可用的數據集，其他科學家可以用來解決關于他們感興趣的基因及調控機制的問題，從而更好了解從DNA到蛋白質這一行程的動力學。
相關研究結果發表在2014年12月31日的《Molecular Cell》雜志，賓夕法尼亞大學藝術與科學學院生物系助理教授Brian D. Gregory是本文的資深作者。Gregory實驗室的研究專家Sager J. Gosai和研究生Shawn W. Foley是本文共同第一作者。
今年早些時候在《Genome Biology》發表的一篇論文中（Genome Biology發文介紹RNA印記法），Gregory的研究小組報道稱，他們開發出一種方法，可對活生物體中RNA和RNA結合蛋白（RBP，它與RNA轉錄子相互作用，以一種特定于細胞類型的方式，抑制、增強或改變基因表達）之間相互關系獲得一個完整的目錄。該技術被稱為PIP-seq，用于蛋白質相互作用譜測序。他們最初用PIP-seq在一個人類細胞系中確定了一組完整的RBP相互作用位點。
在當前的這項研究中，他們使用常用模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana），標出了所有RBP相互作用位點，也編譯出RNA轉錄子的完整二級結構。第一項研究著眼于細胞內的所有RNA，一套被稱為轉錄組的材料，而這項研究卻只著眼于在細胞核。
Gregory說：“通過特別關注細胞核，我們可以避開RNA分子的所有特征——與轉錄成蛋白質的過程相關，這個過程發生在細胞質中。”
研究人員從10日齡的擬南芥幼苗中提取細胞核。他們進行了PIP-seq，也獲得了RNA二級結構的信息——RNA鏈如何折疊、成環并結合在一起。
通過集中研究與RBPs相結合的RNA部分，該研究小組發現，這些序列在進化史中已經變得保守，可能在基因調控機制中發揮重要的作用。
科學家還發現，RBP結合模式和二級結構之間存在強烈的反比關系。
Gregory說：“當結構偏低時，蛋白質往往結合這些區域，當結構偏高時，RBPs往往不結合這些區域。我們一次又一次看到，結構脈絡，而不僅僅是RNA序列，是RBP結合的選擇性力量。”
另一個重要發現是，RBP結合的獨特模式，以及存在于每個信使RNA轉錄子起始密碼子周圍的結構，在這里一個細胞的蛋白質制造機器開始制造過程。
Gosai說：“這表明，即使在RNA從細胞核出來并參與翻譯機制之前，這里都會發生調控事件。對于未來探討細胞核中發生什么調控事件的研究來說，這是一個令人興奮的地方。”
兩種關鍵的轉錄調控形式是：可變剪接，其中RNA片段經歷了剪切和粘貼過程，以產生可編碼不同蛋白質的新序列；和可變聚腺苷酸化，它會改變一個轉錄子結束和一個腺嘌呤“尾巴”添加的位置，這個過程可以提高RNA分子的穩定或降解。
在他們的分析中，賓夕法尼亞大學生物學家發現，RBP結合位點和某些二級結構模式，在可變剪接和可變多聚腺苷酸化發生的部位更為常見。
Foley說：“在人類中，幾乎95%的基因是可變剪接的，在植物中這個數目至少是60%。在植物中研究高水平的RBP結合、以及在可變剪接及聚腺苷酸化位點與二級結構的相互作用，能夠指示調控發生在哪里？如何從一段RNA序列產生不同的蛋白質？”
在之前利用PIP-seq的研究中，Gregory及其同事發現了RNA序列在某些RBP容易結合的位點反復出現的模式，稱為“基序motifs”。研究人員指出，有可能這些RBPs能夠結合功能相關基因，來協調它們的調控。
最后，該研究小組集中關注一個RBP結合序列基序，這種序列基序特別豐富，并發現它能與一個稱為CP29A的RBP相互作用。
Foley說：“這種蛋白質已知能結合葉綠體中的RNA，但是我們首次將其確定為一種細胞核RBP。”這表明，CP29A可能是這兩個細胞器中的一個重要調節因子。
為了跟進這項工作，賓夕法尼亞大學的科學家將探討RNA調控在植物組織之間和不同發育階段有何差異。他們還計劃使用PIP-seq和結構分析，來研究其他類型的生物。
Gregory說：“既然我們已經發現了標記可變剪接及形成植物蛋白編碼能力的其他事件的模式，我們將確定產生這些模式的蛋白質。最終我們想擴展到人類和其他生物，探究是否能看到相同的模式。”
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