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清华大学 生命学院戚益军课题组揭示植物切割小体形成及miRNA生成的调控因子

2024/04/01

miRNA通过调节基因表达,在植物生长发育、逆境响应等过程中发挥重要调控作用;阐明miRNA的产生和功能机制,对于揭示基因表达调控规律、开发改良作物农艺性状的新资源具有重要意义。植物miRNA由Dicer-Like1(DCL1)、SERRATE(SE)和HyponasticLeaves 1(HYL1)组成的复合体切割其前体pri-miRNA产生。DCL1、HYL1及SE共定位于细胞核中并形成2-4个直径为0.2-0.8μm的切割小体(Dicing body)。戚益军研究组之前发现切割小体由SE蛋白通过液-液相分离驱动组装形成。miRNA前体在切割小体中高效加工为成熟的miRNA,成熟的miRNA随后与HYL1结合,从切割小体中释放至小体外进而发挥功能。这些发现阐明了植物miRNA产生的核心工作机制,但对于切割小体的形成及其在miRNA生成中的作用是如何得到调节的,迄今知之甚少。

8月29日,清华大学生命科学学院、植物生物学研究中心戚益军课题组在《美国国家科学院院刊》(PNAS)在线发表题为“肽基脯氨酰异构酶CYP71促进拟南芥中SERRATE相分离和miRNA加工”(Peptidyl-prolyl isomerase Cyclophilin 71 promotes SERRATE phase separation and miRNA processing inArabidopsis)的研究论文。该研究发现环孢亲和蛋白Cyclophilin71(CYP71)利用其肽基脯氨酰异构酶(peptidyl-prolyl isomerase,PPIase)活性促进SE相分离和切割小体形成,增强DCL1-SE-HYL1复合体切割活性,从而促进miRNA加工。该发现揭示了植物切割小体形成及miRNA产生的重要调节机制。

研究中,戚益军课题组首先通过正向遗传筛选发现,CYP71调控miRNA的产生和植物发育(图1)。CYP71的突变导致很多miRNA的积累水平显著降低,而其靶基因表达升高。在CYP71突变体中,MIR基因的转录水平基本没有变化,但miRNA前体水平升高,提示CYP71可能正向调节miRNA加工。

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图1.CYP71突变导致拟南芥发育缺陷和miRNA积累水平降低

研究发现,CYP71可以与SE发生直接相互作用,研究组因此检测了CYP71是否调控SE相分离及切割小体形成。结果表明,在体外,CYP71促进SE相分离及切割小体的组装,在植物体内,CYP71的突变会导致大多数植物细胞不能形成切割小体(图2)。CYP71具有PPIase活性结构域。通过对两个保守的氨基酸残基(R519或F524)进行定点突变,构建了PPIase活性减弱的CYP71变体。发现CYP71变体不能促进SE相分离及切割小体的组装,说明CYP71利用其PPIase活性促进SE相分离及切割小体形成。

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图2.CYP71促进SE相分离和切割小体的形成

SE能够通过驱动切割小体的形成提高DCL1-SE-HYL1复合体的切割效率。研究组因此进一步检测了CYP71对miRNA加工的影响。结果表明,CYP71可显著提高体外重组的切割小体的活性,而其PPIase活性减弱变体R519A和F524A则无促进作用。同时,遗传学证据表明,CYP71的PPIase活性为植物体内miRNA的高效生成所必需。

该研究首次揭示了环孢亲和蛋白对miRNA加工的调控功能,并揭示肽基脯氨酰顺反异构化在SE相分离中的重要调控功能。肽基脯氨酰顺反异构化是一种肽键顺式构象与反式构象之间的转变,可通过诱导蛋白质构象变化,改变蛋白质的表面特性,从而调节蛋白质分子之间的相互作用。在小鼠和人类细胞中,能够相分离的蛋白质在肽基脯氨酰异构酶A(环孢亲和蛋白A)底物中富集,表明肽基脯氨酰顺反异构化可能是调节蛋白质相分离的通用机制。

戚益军教授为该论文的通讯作者,助理研究员李艳为该论文的共同通讯作者,已毕业博士生赵高展、牛锦荣和2021级博士生海卓妍为论文共同第一作者,2018级博士生李腾飞,已毕业博士生谢东奇亦参与了工作。该研究由国家自然科学基金委提供经费支持。


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