作者丨小柯

RNA是生命遺傳信息傳遞的核心載質，遺傳信息從DNA到RNA到蛋白質構成了分子生物學的中心法則。

RNA干擾是生物免疫病毒入侵的重要機制，RNA干擾通過長度爲20-24個核苷酸單位（nucleotide, nt）的小RNA來調控靶基因RNA。

小RNA，包括miRNA(microRNA)和siRNA (small interfering RNA)，對於動植物的生長發育和抗性至關重要。

植物RNA在Dicer-like（DCL）蛋白的作用下，切割形成21-24nt長度的小RNA,小RNA的長度決定了其發揮生物功能所採用的機制。

模式植物擬南芥基因組一共編碼四個DCL蛋白（DCL1-4），其中DCL1切割後產生21-22nt miRNA，介導靶標mRNA切割或翻譯抑制；DCL3切割後產生24ntsiRNA，介導異染色質區域DNA甲基化，維持基因組穩定；DCL4切割後產生21ntsiRNA，介導靶標RNA的切割。

然而，關於DCL2切割後產生的22ntsiRNA知之甚少，尤其植物內源產生的22ntsiRNA的種類、功能、及作用機制尚不清楚。

北京時間2020年4月29日晚，南方科技大學郭紅衛課題組在Nature雜誌發表了以“Plant22-nt siRNAs mediate translational repression and stress adaptation”爲題的研究論文。

該論文通過在特定突變體中鑑定到大量植物內源22ntsiRNA，揭示了擬南芥22nt小RNA介導翻譯抑制與脅迫適應性的重要生物學功能，是植物小RNA領域的一項突破性研究成果。

2015年，郭紅衛課題組在Science雜誌上發表文章指出，由EIN5和SKI2分別介導的植物細胞質5’-3’和3’-5’RNA降解途徑對於防止破壞性的內源基因沉默至關重要。

當缺失EIN5和SKI2基因時，兩個細胞質RNA降解途徑同時受阻，植物會積累衆多非正常的mRNA（aberrantmRNA），然後通過經典的RNAi途徑產生大量內源21ntsiRNA。

這類21ntsiRNA (被命名爲ct-siRNA or coding transcript-derivedsiRNA) 可識別並切割正常功能的mRNAs，導致破壞性的內源基因沉默，從而引發一系列的生長和發育缺陷。

而此次發表在Nature上的研究結果進一步發現，當植物缺失其中一條RNA降解途徑，並同時缺失DCL4時（即在ein5dcl4和ski2 dcl4雙突變體中,圖1a,1b），內源基因產生大量22ntsiRNA (圖1c)，並導致更爲嚴重的生長發育缺陷。

遺傳學和高通量小RNA測序分析發現，這些22ntsiRNA的產生依賴於RNA依賴的RNA聚合酶6（RDR6）和DCL2（圖1a,1b）。

圖1 ein5 dcl4和ski2dcl4雙突變體中產生大量22nt siRNA，並介導翻譯抑制。

該研究發現，兩個參與氮代謝的硝酸還原酶基因（NIA1和NIA2）產生的22ntsiRNA約佔總22ntsiRNA的一半。

然而，研究人員發現大部分產生22ntsiRNA的基因，包括NIA1和NIA2，其表達量在雙突變體中與野生型相比並未明顯降低(圖1d)。

這一發現與21ntct-siRNA 的作用明顯不同，因此研究人員猜測22ntsiRNA極可能有不同於21ntsiRNA的作用機理和生物學功能。

通過蛋白檢測、核糖體結合、遺傳關係分析和體外RNA切割和翻譯抑制等一系列實驗發現，22ntsiRNA主要通過結合AGO1蛋白，介導靶標mRNA的翻譯抑制。

此外，22ntsiRNA結合AGO1後，通過RDR6的作用誘發次級小RNA的產生，導致22ntsiRNA的大量擴增。

該研究首次揭示了植物22ntsiRNA的翻譯抑制作用，豐富了對於小RNA長度與其功能關係的理解。

圖2 22ntsiRNA參與氮素脅迫響應及其工作模型。

該研究進一步探索了22ntsiRNA在自然條件下的生物學功能。

研究人員發現當植物在缺乏氮素營養時，表現出生長發育抑制表型，並伴隨產生大量內源22ntsiRNA，包括來自於NIA1和NIA2基因的22ntsiRNA，且NIA1和NIA2蛋白含量和轉錄水平也顯著降低。

翻譯組學研究發現，缺氮條件下植物總體翻譯水平亦降低。

基於以上證據，研究人員提出一種植物響應缺氮脅迫的新機制，即在極端缺氮條件下，植物通過降低NIA1/2轉錄和增加NIA1/222nt siRNA，抑制NIA1/2蛋白合成。

NIA1/2負責將硝酸還原爲亞硝酸，進一步被亞硝酸還原酶還原爲氨根離子，作爲氨基酸合成的重要原料，因此NIA1/2蛋白的缺失會減少氨的供應和氨基酸的積累，降低蛋白質翻譯效率。

植物通過這種降低蛋白翻譯效率，減少極端營養缺失條件下能量消耗的方式，暫時抑制生長狀態，同時激活自身脅迫反應，保證自身生存，也可謂是一種智慧。

研究還發現，NIA1/2的翻譯調控機制可能參與植物對其它環境脅迫的響應，例如植物脅迫激素脫落酸（Abscisicacid, ABA）和高濃度鹽處理均調控NIA1/2 22nt siRNA的產生及其蛋白水平，暗示NIA1/2可能作爲植物體內關鍵的調控節點，協調和平衡植物正常生長發育和脅迫響應。

因此，該研究不僅揭示了22ntsiRNA介導的翻譯抑制，還發現了一種植物響應外界環境脅迫的新機制。

南方科技大學爲該論文第一單位，郭紅衛教授爲論文通訊作者。

訪問學生吳輝輝博士（北京大學）和研究助理教授李博生爲該論文共同第一作者。

郭紅衛教授實驗室成員潘亞婕、唐賢禮、令狐黔豔、劉躍林、盛世欣、張新巖以及日本東京大學Iwakawa教授，北京林業大學夏新莉教授、東北林業大學唐中華教授、南方科技大學翟繼先副教授及其實驗室成員馮麗和張洪爲該論文共同作者併爲研究做出重要貢獻。

該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃、廣東省創新創業團隊基金和深圳市科創委基金的大力支持。

論文信息：

DOI：10.1038/s41586-020-2231-y