Science揭示基因沉默新機制

日期：2015-04-07 08:51:57

RNA干擾保護細胞抵御了諸如病毒或轉基因等入侵的遺傳因子。然而在侵入RNAs遭到攻擊的同時，是什么保護了細胞正常的內源RNAs呢？來自北京大學的研究人員在擬南芥中發現了一個重要的監控系統：細胞通過雙向細胞質衰減(RNA-decay)在抑制內源基因沉默保護正常轉錄組的同時，將攻擊焦點集中放在了入侵轉錄物上。這一重要的研究成果發布在4月3日的《科學》(Science)雜志上。

北京大學生命科學學院的郭紅衛（Hongwei Guo）教授是這篇文章的通訊作者。其主要研究方向包括氣體激素乙烯的信號轉導及植物激素和環境信號相互作用的分子機制，植物器官衰老的激素調控機理，小RNA分子和表觀遺傳修飾在激素作用中的調控機理，植物激素作用途徑的演化和系統生物學研究。已在Cell，Science，Nature，PNAS，Development，Plant Journal等國際頂級學術刊物上發表論文多篇，在國際上有著廣泛的學術影響。

基因表達和沉默構建起了真核細胞的轉錄組。基因沉默主要有轉錄前基因沉默（TGS）和轉錄后基因沉默(PTGS)兩類。TGS是指由于DNA修飾或染色體異染色質化等原因使基因不能正常轉錄；PTGS又被稱作為RNA干擾，其充當了以RNA為基礎的一種免疫系統對抗了外源基因侵入，并參與了以轉座子為主的一組內源基因的沉默。

細胞的雙鏈RNAs（dsRNAs）可以誘發轉錄后基因沉默，隨后這些雙鏈RNAs會被Dicer家族蛋白切割成長度為20-24個核苷酸(nt)小干擾RNA分子(siRNA)。siRNA的一條鏈進入Argonaute (AGO)蛋白并與其它蛋白作用形成RNA誘導的沉默復合物（RISC）。RISC利用其內部的單鏈小RNA，通過堿基互補配對識別與之互補的靶標RNA，切割靶標RNA或介導與單鏈小RNA同源的DNA甲基化或染色質狀態從而導致目的基因沉默。植物、真菌和線蟲都具有依賴于RNA的RNA聚合酶(RDRPs)，在RDRPs擴大PTGS效應的過程中，通常會生成一些新的區域于初級siRNA的次級siRNA，它們的產生會導致沉默靶位點發生改變，該現象稱為沉默的轉移性。

PTGS是一個受到精細調控的過程。各種植物病毒都攜帶著PTGS的阻抑蛋白，對抗植物的抗感染免疫。有研究發現，幾個與mRNA質量控制和加工功能相關的元件充當了轉基因PTGS的阻抑物。在這篇Science文章中，北京大學的研究人員利用擬南芥模式植物調查了PTGS機器在有效沉默病毒基因組表達的同時，避免靶向內源性編碼轉錄物的機制。

研究人員證實在擬南芥中5′-3′和3′-5′細胞質RNA衰減信號通路阻抑了轉基因和內源性PTGS。破壞雙向細胞質RNA衰減可導致多效性發育缺陷和轉錄組顯著改變，而PTGS突變體可顯著逆轉這一效應。在雙向RNA衰減機制功能失常的情況下，一些編碼轉錄本包括多個靶microRNA生成了大量21-22個核苷酸的內源性siRNA，干擾了它們的同源基因的表達和功能。