清華新聞網(wǎng)8月28日電 真核生物有三種非常保守的RNA聚合酶，Pol I、Pol II和Pol III，它們分別產(chǎn)生rRNA、mRNA和tRNA等不同種類的RNA。而在植物中，還存在兩種額外的RNA聚合酶，Pol IV和Pol V。Pol IV和Pol V轉(zhuǎn)錄本在RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM）通路中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，Pol IV轉(zhuǎn)錄本可被加工成24-nt siRNA，siRNA與AGO4蛋白結(jié)合，并通過與Pol V轉(zhuǎn)錄本互補(bǔ)配對，將AGO4復(fù)合物招募至靶標(biāo)位點(diǎn)，介導(dǎo)DNA從頭甲基化。清華大學(xué)生命學(xué)院戚益軍課題組前期發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，昆蟲更喜歡取食pol v突變體葉片，而對pol iv突變體并無明顯偏好。他們由此推測，Pol V在植物抗蟲過程中有異于Pol IV或RdDM的獨(dú)特功能。經(jīng)深入研究，最終揭示Pol V轉(zhuǎn)錄本以獨(dú)立于RdDM通路的方式，促進(jìn)鄰近基因的轉(zhuǎn)錄，從而正向調(diào)控植物對灰霉和甜菜夜蛾的抗性。
8月26日，戚益軍課題組在《自然·植物》（Nature Plants）雜志在線發(fā)表題為“Pol V轉(zhuǎn)錄本在基因調(diào)控和植物防御中的RdDM非依賴功能”（AnRdDM-independent function of Pol V transcripts in gene regulation and plantdefence）的研究論文。該研究在前期意外發(fā)現(xiàn)的指引下，首先通過對pol iv和pol v突變體進(jìn)行mRNA-seq，鑒定受Pol V特異調(diào)控的基因。結(jié)果表明，近500個基因在pol v突變體中特異上調(diào)，近1500個基因下調(diào)（圖1）。有趣的是，在pol v突變體中特異下調(diào)的基因，顯著富集于茉莉酸（JA）信號通路，表明Pol V可正向調(diào)控JA信號通路。已知JA信號通路的激活與植物對死體營養(yǎng)型真菌和雜食性昆蟲幼蟲取食的防御密切相關(guān)。與前期發(fā)現(xiàn)相一致的是，pol v突變體對灰霉和甜菜夜蛾的抗性明顯下降，而pol iv和其他RdDM通路突變體并無類似表型（圖2）。這些結(jié)果表明，Pol V可通過獨(dú)立于RdDM通路的方式調(diào)控基因表達(dá)和植物對病蟲的抗性。
圖1.Pol V特異調(diào)控近2000個基因的表達(dá)
圖2.pol v突變體對灰霉和甜菜夜蛾的抗性下降
研究進(jìn)一步探索了Pol V如何調(diào)控基因表達(dá)。通過系統(tǒng)分析，鑒定了13000多個Pol V轉(zhuǎn)錄本（PVT），并發(fā)現(xiàn)近一半受Pol V調(diào)控的基因附近存在PVT。為了驗(yàn)證PVT是否可以直接調(diào)控鄰近基因表達(dá)，該研究選取了JA響應(yīng)基因ERF5和ERF6上游區(qū)域產(chǎn)生的PVT——PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6進(jìn)行深入研究。通過CRISPR/Cas9技術(shù)敲除或利用人工miRNA敲減PVT-ERF5a/b和PVT-ERF6，證明這些PVT為ERF5和ERF6高效表達(dá)及植物對灰霉和甜菜夜蛾的抗性所必需。這些結(jié)果表明，Pol V可通過其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物正向調(diào)控ERF5和ERF6表達(dá)，從而增強(qiáng)植物對病蟲的抗性。
圖3.敲除ERF5和ERF6鄰近的Pol V轉(zhuǎn)錄本導(dǎo)致植物對灰霉和甜菜夜蛾的抗性下降
研究最后探究了PVT調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)PVT在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控ERF5和ERF6的表達(dá)。已知非編碼RNA可通過招募組蛋白修飾酶或調(diào)節(jié)其活性，調(diào)節(jié)靶位點(diǎn)組蛋白修飾，從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。其中，H3K4me3是一種與基因轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的組蛋白修飾。該研究檢測了pol v突變體和pvt突變體中ERF5和ERF6位點(diǎn)的H3K4me3水平，發(fā)現(xiàn)PVT為ERF5和ERF6位點(diǎn)上H3K4me3積累所必需，這表明PVT很可能通過促進(jìn)H3K4me3的累積，增強(qiáng)ERF5和ERF6的表達(dá)。
綜上，該研究揭示了Pol V轉(zhuǎn)錄本以獨(dú)立于RdDM通路的方式調(diào)控鄰近基因轉(zhuǎn)錄的功能，革新了人們對Pol V轉(zhuǎn)錄本調(diào)控功能的認(rèn)識。該研究還發(fā)現(xiàn)Pol V廣泛調(diào)控生物和非生物脅迫響應(yīng)相關(guān)基因。Pol V存在于所有陸生植物中，但不同的植物種類具有不同的Pol V全酶，Pol V介導(dǎo)的脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)在植物演化中何時出現(xiàn)，以及是什么驅(qū)使了Pol V獲得調(diào)節(jié)脅迫響應(yīng)的功能仍需進(jìn)一步探索。
清華大學(xué)生命學(xué)院教授戚益軍為論文的通訊作者，博士后袁宇翔和2021級博士生劉宇杰為論文共同第一作者，2017級博士生韓露（已畢業(yè)）、助理研究員李艷博士參與了部分研究。北京生命科學(xué)研究所研究員何新建和清華大學(xué)生命學(xué)院教授謝道昕提供了實(shí)驗(yàn)材料和方法上的幫助。研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、新基石科學(xué)基金會和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41477-024-01774-0
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
