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植物保护内源编码基因避免RNA沉默的新机制

在真核生物中,RNA沉默是一个具有核苷酸序列特异性的,能够导致RNA降解、DNA甲基化,异染色质形成,以及蛋白翻译抑制的调控机制。在植物中,诱发高效的RNA沉默还包括siRNA和甲基化在靶序列上的漂移、沉默信号在细胞间和整株植物的扩散并产生由信号诱导的RNA沉默(非自主性沉默)。植物中对报告基因(如GFP)以及植物非编码基因沉默的分子机制和参与沉默的组分已十分清楚。但是,对植物如何调控和避免内源蛋白编码基因的RNA沉默却所知甚少。

在国家自然科学基金等项目资助下,中国科学院微生物研究所植物基因组学国家重点实验室郭惠珊课题组,利用早期已建立的一个可诱导的基因沉默系统,对植物内源基因非自主性RNA沉默进行深入地研究。通过一个可诱导的外源沉默exo-IR序列(exo-Pdsi)可以诱导植物内源基因(PDS)的沉默,研究发现可诱导沉默植株PDS基因沉默只局限于局部被诱导组织和极少量系统叶片,PDS的沉默并不能传递到整个植株。进一步的研究发现,植物是通过依赖于DRD1-Pol V(Defective in RNA-directed DNA methylation 1-RNA)的DNA甲基化途径,加强exo-IR的自我沉默,从而限制了内源基因发生因信号诱导引起的RNA沉默,实现了植物对编码基因正常表达的一种自我保护。该研究同时也解释了利用exo-IR序列作为内源编码基因的沉默诱导子经常无法达到预期沉默效果,这一普遍现象背后的真实原因。相关研究论文被The Plant Journal于2011年7月在线发表。

The Plant Journal审稿人认为:“此项工作,对于人们研究转录和转录后基因沉默途径中,细胞自主性和非自住性作用之间的相互作用,提供了一个新的很有价值的信息。”“这是一篇很有趣的论文,文中利用一个聪明的转基因系统来研究转录和转录后基因沉默,以及沉默漂移、信号在细胞与细胞之间的移动和感知等各方面的联系。所有这些都是被广泛关注的重要论题,这篇文章首次通过对单一的沉默系统的研究将所有这些问题联系在一起。”

英文论文摘要:

DRD1-Pol V-dependent self-silencing of an exogenous silencer restricts non-cell-autonomous silencing of an endogenous target gene.

Abstract

In plants, exogenous transgene transcribing inverted-repeat (exo-IR) sequences produces double-stranded RNAs that are processed by DCL4. The generated 21-nt siRNAs function as mobile signals to trigger non-cell-autonomous silencing of target endogene in neighboring 10-15 cells. The potential involvement of nuclear silencing pathway components in signal spreading or sensing in target cells is not clear. Here, we demonstrate that the exo-IR silencer (exo-Pdsi) is negatively auto-regulated through methylation spreading, which acts in cis to reinforce self-silencing of the silencer. Mutations affecting nuclear proteins DRD1 and Pol V (NRPE1 or NRPD2) relieved exo-Pdsi self-silencing resulting in higher levels of Pdsi transcripts which increased non-cell-autonomous silencing of endo-PDS. Our results suggest that in an experimental silencing pathway, methylation spreading on a silencer transgene may not have a direct endogenous plant counterpart when protein-encoding gene is the target. DRD1-Pol V-dependent de novo methylation, by acting in cis to reinforce self-silencing of exo-IR may play a role in restraining inappropriate silencing of active protein-coding genes in plants.

 

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