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中科院分子植物卓越中心Jungnam Cho团队揭示宿主特异识别并沉默活跃转座子的机制 精选

已有 3067 次阅读 2021-3-2 09:08 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年3月2日凌晨,中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心Jungnam Cho研究组Nature Plants发表了题为“Ribosome stalling and SGS3 phase separation prime the epigenetic silencing of transposons”的研究论文。


该研究揭示了植物中翻译耦联和SGS3液-液相分离介导活跃转座子沉默的机制。


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转座子(TEs,transposons)是基因组中的可移动遗传元件,对基因组进化和物种多样性具有重要作用。但其转座也会对宿主发育造成威胁,为此宿主进化出了多种多样的机制来抑制其活性 。在植物中,除了由Pol IV和Pol V 介导的RNA指导的DNA甲基化(RdDM)经典途径来维持转座子沉默,还存在另一条由RDR6介导的非经典RdDM途径,对重新激活或外源转移的转座子从头甲基化具有重要作用【1】。


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图1,转座子造成的玉米表型多样性。作者供图

 

有研究表明转座子较低的CpG密度【2】和GC3含量【3】(密码子第三位核苷酸G和C的含量)与siRNA产生和活跃的DNA甲基化相关,暗示翻译耦联途径可能参与表观遗传沉默。值得注意的是,低翻译效率可导致RNA截短,而截短的RNA是RDR6靶向的必要前提【4,5】。


此外,由核糖体停滞诱发的RNA监控途径No-Go RNA降解(NGD)在植物中会造成RNA截短,且在果蝇中被报道能抑制转座子活性。由此研究人员提出假设:转座子RNA可由于其低效的翻译导致自身更容易被切割(RNA cleavage)。


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图2,奔跑的转座子,帽子:组蛋白等修饰;me:甲基化修饰 。作图: Yoonchan Cho


研究人员分析了水稻大量转座子被激活的愈伤组织翻译组数据,并对拟南芥ddm1突变体进行核糖体印记测序(Ribo-seq),发现转座子翻译效率相对于基因明显下降。那么这种低翻译效率是否由于第三位密码子GC3含量低、含有更多的非最优翻译密码子造成的呢?烟草瞬时表达荧光素酶实验证实的确如此。


拟南芥ddm1降解组(Degradome-seq)数据表明,翻译效率与RNA截短产生easiRNA水平紧密相关。 核糖体测序数据也发现双核糖体片段(disome,用于表征核糖体停滞或碰撞)中含有更多的转座子转录本,且这些disome片段翻译潜能低,易被截短和降解产生easiRNA。上述结果表明核糖体停滞与活跃的RNA截短、easiRNA产生紧密相关,但RDR6如何特异识别转座子RNA并产生easiRNA的仍不清楚。


研究人员注意到,RDR6介导的途径在空间上局限在胞质siRNA 小体,而RDR6互作蛋白SGS3在其两端均含有朊病毒样结构域(PrLD),其具有介导蛋白发生液-液相分离(liquid-liquid phase separation, LLPS)的潜力。


进而在烟草中表达SGS3全长及PrLD截短的SGS3蛋白,研究人员发现全长SGS3蛋白能够聚集形成胞质集合体(cytoplasmic foci),而PrLD截短的版本却只能局限在细胞核。体外实验也显示全长SGS3蛋白能够聚集形成液滴状结构,而PrLD截短版本无法观察到(图3)。


SGS3相分离具体发挥怎样的作用?研究人员进一步在烟草中将SGS3与RDR6共表达,结果表明只有当全长SGS3存在时,RDR6才能够与其共定位形成胞质集合体。由此可见,SGS3蛋白的液-液相分离对于胞质siRNA 小体的形成至关重要。

 

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图3,共聚焦显微镜下SGS3蛋白体外相分离形成的液滴状结构。作者供图


已知siRNA小体能够与应激颗粒(stress granule, SGs)共定位,经证明应激颗粒关键组分UBP1b也能够发生液-液相分离。酵母及人类的研究表明SG转录组与翻译抑制相关,那么不难想到,转座子RNA是否更易定位在包含应激颗粒及siRNA小体的RNA颗粒(RNA granules, RGs)中,从而被RDR6-RdDM途径选择性靶向?


为了回答这一问题,研究人员在拟南芥ddm1突变体中富集RG组分并开展了RNA测序,数据表明RG富集的RNA中转座子比例明显升高。


转座子的特异识别和easiRNA产生的通路对基因组完整性的永久保持至关重要,至此该研究展现了植物活跃转座子 RNA由于含有非最优密码子导致翻译过程中出现常见的核糖体停滞,进而诱发RNA截短并由SGS3液-液相分离介导定位至胞质siRNA小体沉默的全过程。


值得注意的是,SGS3和RDR6共同作用除介导活跃转座子RNA沉默外,早已知在病毒RNA、外源基因识别中同样发挥作用,但SGS3介导的液-液相分离尚属首次发现 。

 

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文章示意图:植物转座子 RNA由于含有非最优密码子导致翻译过程中出现常见的核糖体停滞,核糖体停滞诱发RNA截短并由SGS3液-液相分离介导定位至胞质siRNA小体。


中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jungnam Cho研究员为论文通讯作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心Eunyu Kim副研究员和博士生王令雷震为论文共同第一作者,博士生李慧范文文参与了本项目。该研究得到了国家自然科学基金委员会和中国科学院战略先导B项目的资助。

 
另外,Jungnam Cho研究员实验室长期招聘优秀博士后和研究生,欢迎对转座子和表观遗传研究感兴趣的同学加入。

实验室链接:
http://cholab.sippe.ac.cn

相关论文信息:

https://dx.doi.org/10.1038/s41477-021-00867-4

 

参考文献

1, Slotkin, R. K. & Martienssen, R. Transposable elements and the epigenetic regulation of the genome. Nat. Rev. Genet. 8, 272–285 (2007).

2, Catoni, M. et al. DNA sequence properties that predict susceptibility to epiallelic switching. EMBO 36, 617–628 (2017).

3, Tatarinova, T., Elhaik, E. & Pellegrini, M. Cross-species analysis of genic GC3 content and DNA methylation patterns. Genome Biol. Evol. 5, 1443–1456 (2013).

4, Baeg, K., Iwakawa, H. O. & Tomari, Y. The poly(A) tail blocks RDR6 from converting self mRNAs into substrates for gene silencing. Nat. Plants 3, (2017).

5, Luo, Z. & Chen, Z. Improperly Terminated, Unpolyadenylated mRNA of Sense Transgenes Is Targeted by RDR6-Mediated RNA Silencing in Arabidopsis. Plant Cell 19, 943–958 (2007).




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1 黄永义

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