Nature Plants | 双顺反子结构，细胞周期调控因子和代谢酶的协同表达调控植物发育

基因上游的开放阅读框（uORFs）位于mRNA的上游5’非翻译区，许多的uORFs编码短和非保守的肽段，主要调控主开放性阅读框的表达（mORF）【1】。在真菌、动物和植物都有存在，而目前发现较少。在植物中，一些uORFs被作为转录因子、代谢酶、膜转运和信号蛋白参与胁迫或者糖分利用途径，而且参与了mORF的抑制和无义介导的mRNA的降解 【2】。有些功能蛋白能够被转录形成双顺反子或者多顺反子转录本。在脊椎动物中，已有报道发现转化生长因子配体GDF1能够结合神经酰胺合成酶1形成一个3kb的转录本。这些例子表明了mORF和uORFs经常能够联系起来调控生物学功能，但是在植物中，还没有报道mORF-uORFs形成有功能的生物学联系 【3】。

近日，日内瓦大学的Michael Hothorn实验室在Nature Plants 在线发表了题为Concerted expression of a cell cycle regulator and a metabolic enzyme from a bicistronic transcript in plants 的研究论文，首次报道了植物中细胞周期调控因子（CDC26）和代谢酶(AtTTM3)形成双顺反子结构调控生长发育过程。

研究人员在研究TTM3的突变体过程中，发现ttm3-1 和ttm3-2 展示出不一致的表型，因此，通过CRISPR-Cas9获得了ttm3-3突变体，令人奇怪的是，ttm3-3 的根和下胚轴表型又不同于ttm3-1 和ttm3-2。而通过特异性突变酶活位点的遗传回补试验发现TTM3酶活性的丧失依然能够回补ttm3-2 突变体缺失表型，表明TTM3酶活性与发育过程无关。

图1 TTM3不能回补ttm3缺失表型

研究人员通过对TTM3上游的5’UTR分析发现，上游的uORF能够编码一个细胞周期调控相关的蛋白CDC26，而通过检测内源性蛋白，在TTM3回补与突变体材料中，CDC26的蛋白水平并没有明显的变化，用 IP-MS，检测到APC1,2,5,6,8能够与CDC26相互作用。用细胞周期marker蛋白检测发现ttm3-1的确抑制细胞周期。然而，通过ITC实验发现CDC26与TTM3之间并无直接的蛋白互作。有趣的 是CDC26能够完全的回补ttm3-1 的缺失表型。因此，推测CDC26和TTM3有一个相同的转录本。

通过将CDC26和TTM3的起始密码子突变后，进行回补试验的研究发现，CDC26的起始密码子突变不能回补ttm3-2 的表型，而TTM3的起始密码子突变也不能回补ttm3-2 的表型，而且还展示出类似于APC6或APC10缺失的表型。以上结果表明了CDC26和TTM3有相同的转录本在调控植物的生长发育过程。

图2 TTM3转录需要双顺反子转录本招募至核糖体

综上，该研究首次报道了在高等植物中存在的双顺反子有同一个转录本的结构，通过对TTM3不同突变体表型的差异分析，识别了其上游的重要调控细胞周期的CDC26调控元件，并且两者具有相同的转录本，能够相互的影响生长发育过程。该成果为在高等植物体内解析双顺反子的功能提供了有效的指导。

参考文献

【1】Oyama, M. et al. Analysis of small human proteins reveals the translation of upstream open reading frames of mRNAs. Genome Res. 14, 2048–2052 (2004).

【2】Wethmar, K., Barbosa-Silva, A., Andrade-Navarro, M. A. &Leutz, A. uORFdb—acomprehensive literature database on eukaryotic uORF biology. Nucleic Acids Res. 42, D60–D67 (2014)

【3】Kurihara, Y. et al. Genome-wide suppression of aberrant mRNA-like noncoding RNAs by NMD in Arabidopsis. Proc. Natl Acad. Sci. USA 106, 2453–2458 (2009)

论文原文链接

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0358-3