科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的RNA降解機(jī)制
日期：2016-10-17 09:36:58
在任何時(shí)候，一個(gè)生物體中的全部RNA分子，都是一段微妙的舞蹈所產(chǎn)生的產(chǎn)物。基因必須是“打開”或表達(dá)的，以便于把DNA轉(zhuǎn)化為RNA，然后RNA被轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)，才能完成一個(gè)生物體的生理需求。但是，同樣重要的是，那些RNA轉(zhuǎn)錄本一旦不再需要就必須被清除。
最近，賓夕法尼亞大學(xué)的研究人員對(duì)于后面這個(gè)過程提出了一種新的見解，他們確定了一種新的RNA分子降解機(jī)制。由賓夕法尼亞大學(xué)生物系副教授Brian D. Gregory博士及該系博士后Xiang Yu帶領(lǐng)的這項(xiàng)研究，提供了第一個(gè)證據(jù)表明，在植物中，RNA降解可能與RNA翻譯發(fā)生在同一個(gè)空間和同一時(shí)間內(nèi)。鑒于在酵母中確定了類似的過程，賓大的這項(xiàng)研究表明，這可能是一個(gè)進(jìn)化上保守的過程。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在10月7日的國際著名植物學(xué)期刊《Plant Cell》。
Gregory說：“在我看來，RNA降解是基因調(diào)控一個(gè)被忽視的方面。關(guān)鍵在于，它就像基因表達(dá)一樣的重要。我們這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，RNA降解的發(fā)生并不一定是與RNA翻譯分開的。我們看到，當(dāng)核糖體向下移動(dòng)轉(zhuǎn)錄本的長度時(shí)，一定比例的RNA也正在降解。它與翻譯是共同發(fā)生的。”Gregory和Yu與共同第一作者、其他實(shí)驗(yàn)室成員Matthew R. Willmann、Stephen J. Anderson，完成了這項(xiàng)研究。
在這項(xiàng)研究之前，科學(xué)家們意識(shí)到，信使RNA可以通過兩種方式降解，一種方式開始于一段RNA轉(zhuǎn)錄本的起始或5-prime端，另一種方式開始于終點(diǎn)或3-prime端。在這兩種情況下的降解主要發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。
最近在酵母中的研究確定了一種RNA降解途徑，打破了這個(gè)模式，其發(fā)生在RNA轉(zhuǎn)錄本仍然附著于一個(gè)核糖體上時(shí)——負(fù)責(zé)將RNA翻譯成為蛋白質(zhì)的分子機(jī)械。
Gregory的實(shí)驗(yàn)室專注于植物中的RNA調(diào)控，他們想探討研究人員在酵母中觀察到的過程是否也存在于植物中。為此，該團(tuán)隊(duì)使用了Gregory作博士后期間開發(fā)的一種技術(shù)，稱為genome-wide mapping of uncapped and cleaved transcripts（GMUCT），該技術(shù)只能確定裂解的或處于降解過程中的RNA分子。通過檢測擬南芥的花芽RNA，他們進(jìn)行了GMUCT，通過尋找酵母研究人員曾經(jīng)看到的相同信號(hào)——發(fā)生在信使RNA終止密碼子（RNA翻譯在那里終止）的上游16到17核苷酸的一個(gè)裂解事件，他們從可能被microRNA控制的其他過程裂解的轉(zhuǎn)錄本中，整理出了與翻譯共同降解的轉(zhuǎn)錄本。這個(gè)位置與翻譯終止過程中被轉(zhuǎn)錄本覆蓋的一個(gè)核糖體上的5-prime邊緣相一致。
Yu說：“我們看到，在植物中降解的RNA與核糖體有關(guān)，就像它在酵母中一樣。許多分子事件被耦合在一起。例如，基因轉(zhuǎn)錄與剪接結(jié)合。因此，這是一種耦合的另一個(gè)例子，其中兩個(gè)分子事件在空間和時(shí)間上聯(lián)系在了一起。”
為了進(jìn)一步探討這一耦合事件，研究人員詢問了GMUCT的結(jié)果，尋找核糖體在降解/翻譯過程中終止下來的例子。他們發(fā)現(xiàn)，核糖體終止了，特別是在終止密碼子區(qū)，而讓他們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)編碼終止密碼子的三個(gè)不同序列之間存在差異。
Gregory說“到現(xiàn)在為止，每個(gè)人都認(rèn)為，你使用哪個(gè)密碼子并不重要，因?yàn)樗鼈兌甲鐾瑯拥氖虑椤５珡奈覀兊臄?shù)據(jù)來看，似乎核糖體和轉(zhuǎn)錄物之間相互作用的動(dòng)力學(xué)，對(duì)于每種類型的終止密碼子來說是不同的，或可能存在與每個(gè)終止密碼子相關(guān)的一個(gè)不同的蛋白復(fù)合物。”研究人員說，這些結(jié)果可能表明，翻譯效率可能是由“這三個(gè)終止密碼子中哪一個(gè)是存在的”所調(diào)節(jié)的。
他們的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了RNA轉(zhuǎn)錄本的非翻譯區(qū)域中有一個(gè)調(diào)控區(qū)域的跡象，該區(qū)域稱為上游開放閱讀框，或uORFs。Gregory說：“在這些活躍的上游開放閱讀框中，很多以一種組織特異性和發(fā)育特異性的方式，調(diào)節(jié)下游的開放閱讀框，所以我們可以用我們的方法來弄清，無論你分析什么組織時(shí)有哪些是活躍的。”
研究人員用突變植株進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以了解參與共翻譯RNA降解的分子因素。他們發(fā)現(xiàn)了XRN4——這種酶已知可催化RNA的降解，和ABH1——核mRNA帽結(jié)合復(fù)合物的一部分，它參與許多生物學(xué)過程（包括信使RNA的穩(wěn)定性和剪接，以及蛋白質(zhì)翻譯的起始）。他們的研究結(jié)果表明，這一過程可能對(duì)于調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)（如溫度）相關(guān)的基因，是特別重要的。
Gregory說：“這個(gè)過程看起來就像是一種非常有效的方法，來擺脫你需要去掉的轉(zhuǎn)錄本，以便于有一個(gè)適當(dāng)?shù)膽?yīng)激反應(yīng)。”Yu說：“很顯然，與一些經(jīng)典的、已知的降解途徑相比，共翻譯的降解將是一個(gè)更有效、更快的過程。”
因?yàn)檠芯咳藛T發(fā)現(xiàn)，microRNA介導(dǎo)的翻譯抑制所調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄本，更可能發(fā)生共翻譯的降解，他們想象能有一種模型，可能負(fù)責(zé)將靶轉(zhuǎn)錄本引導(dǎo)到共翻譯降解的過程中，甚至使它們穿梭于這個(gè)過程。
為了跟進(jìn)他們的發(fā)現(xiàn)，Gregory的小組將進(jìn)一步探討：他們觀察到的過程、共翻譯降解和他們基于不同終止密碼子觀察到的不同相互作用，是否是組織特異性的過程，即，它們是否出現(xiàn)在花蕾以外的其他植物組織。他們還想探討這個(gè)過程是否延伸到了酵母和擬南芥這些物種之外，甚至可能延伸至人類。
