撰文 | ZJ
责编 | 王一
RNA沉默是指，双链RNA （dsRNA） 被Dicer-like (DCL) 切割进而产生small interfering RNAs (siRNAs) ，然后siRNAs的一条链被加载到ARGONAUTE (AGO) 蛋白上形成RNA 诱导沉默复合物 （RISC） ，导致转录后基因沉默 （PTGS） 或目标RNA转录水平上的基因沉默 （TGS） 【1】 。该机制已被证明有利于植物应对环境胁迫 【2】 。据报道，宿主细胞内DCL将病毒的dsRNA切割成病毒衍生的小分子干扰RNA （ viral-derived small interfering RNAs，vsiRNAs) ，从而保护植物免受病毒侵害。但是，病毒已经进化形成了一种RNA沉默抑制因子 （viral suppressors of RNA silencing，VSRs） 来对抗这种防御机制，这种机制主要是通过避免AGO靶向vsiRNAs发挥作用的 【3】 。番茄丛矮病毒 （Tombusvirus ） P19和黄瓜花叶病毒 （Cucumovirus） 2b是目前主要研究的VSRs蛋白。这些蛋白质体现了病毒与RNA沉默相互作用的双重性，宿主使用 RNA 沉默机制来控制病毒积累，也利用这些蛋白通过病毒来调节宿主进程。此外，病毒也可利用RNA 沉默途径产生的 vsiRNAs靶向宿主基因 【4】 。虽然，vsiRNAs靶向的一些基因已被证明，但是vsiRNAs 对宿主全基因组的影响目前知之甚少。
近日，瑞典农业科学大学的German Martinez课题组在Genome Biology杂志发表了题为Reprogramming of RNA silencing triggered by cucumber mosaic virus infection in Arabidopsis的研究论文。 深入探究了黄瓜花叶病毒 （Cucumber mosaic virus，CMV） 感染拟南芥后产生的vsiRNAs通过内源性 RNA 沉默机制调控植物的抗病毒性以及介导内源基因的表达转录，揭示了RNA 病毒与宿主之间的复杂关系。
研究人员首先在对照以及CMV感染的拟南芥叶片测序数据中发现，处理组中的vsiRNAs在所有sRNAs类别中占最多 （43.1%） ，长度主要为21 nucleotide (nt）(70.2%) , 22 nt (18.14%) 和 20 nt (7.5%) ，而其他内源性sRNAs的积累普遍减少。vsiRNAs和AGO之间的关联分析发现，21 nt和22 nt的vsiRNAs核苷酸5’端对碱基U表现出更强的偏好性，其次为A、C和G，说明vsiRNAs更容易被加载到AGO1、 AGO2 和 AGO5上 【5】 ，这也和后续的CMV感染AGO突变体表型结果一致。此外，被CMV感染后，AGO1、 AGO2 和 AGO5蛋白表达量都增加了，然而AGO7却是下降的。AGO-IP和测序数据发现，21nt 的vsiRNAs主要被加载到了AGO1和 AGO2，其次为AGO5和 AGO7。值得注意的是，与vsiRNAs的加载对比，其他类型的sRNAs在AGO上的加载明显减少。因此，CMV的感染不仅影响了AGO蛋白的积累，同时产生的vsiRNAs也会影响AGO对其他sRNAs的加载。CMV VSR, 2b, 在该研究中被证明可以结合到所有sRNAs上，但会优先选择mRNA 衍生的 sRNAs，其次是20 nt和21 nt的 vsiRNAs。与AGO不同的是，2b对vsiRNAs核苷酸5’端并没有偏好性。
为了探索vsiRNAs是否可以通过靶向mRNA参与到内源RNA的沉默，研究人员对CMV感染的叶片进行PARE测序。数据表明，61个内源mRNA可以被vsiRNAs切割。Gene Ontology分析显示这些基因和光合作用以及翻译有关。进一步的探索发现，vsiRNAs靶向的mRNAs并没有产生更多的sRNAs，说明vsiRNAs是内源性 mRNA 的活性调节剂。随后，研究人员选取了vsiRNAs靶向的两个基因 （AT4G21210和AT4G36195） 做进一步的验证，CMV感染导致两个基因的下调更好地说明了vsiRNAs 能够靶向植物基因并有效降低其表达。
图：概念模型。（CMV感染导致其自身基因组RNA的累积，经由RNA 沉默路径被DCL切割成21 nt 和22 nt的vsiRNAs。一方面这些 vsiRNA被AGO2、AGO1、AGO5 和 AGO7识别通过RNA沉默途径来抵抗病毒，该过程受2b蛋白抑制。另一方面，这些 vsiRNAs也可通过RNA沉默途径靶向宿主内源基因，与此同时，2b 与内源性 mRNA衍生的 sRNAs 结合也参与调控这些基因的转录。
综上所述，vsiRNAs 可以在不同水平上干扰内源性 RNA 沉默机制 （图1） ，不仅影响了其他sRNAs，还可以整合到所有 AGO 蛋白中，并靶向内源性基因。深入揭示了CMV与内源性 RNA 沉默机制之间的相互作用，以及这种作用引发的病毒抗性。
参考文献
[1] Li F, Wang A. RNA-targeted antiviral immunity: more than just RNA silencing. Trends Microbiol.2019;27(9):792–805.
[2] Baulcombe D. RNA silencing in plants. Nature. 2004;431(7006):356–63.
[3] Diaz-Pendon JA, Ding SW. Direct and indirect roles of viral suppressors of RNA silencing in pathogenesis. Annu Rev Phytopathol. 2008;46(1):303–26.
[4] Adkar-Purushothama CR, Brosseau C, Giguere T, Sano T, Moffett P, Perreault JP. Small RNA derived from the virulence modulating region of the potato spindle tuber viroid silences callose synthase genes of tomato plants. Plant Cell. 2015;27(8):2178–94.
[5] Mi S, Cai T, Hu Y, Chen Y, Hodges E, Ni F, et al. Sorting of small RNAs into Arabidopsis argonaute complexes is directed by the 5' terminal nucleotide. Cell. 2008;133(1):116–27.
原文链接：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02564-z
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