NAR | 上海交通大学王传德课题组揭示RPD1蛋白介导线粒体内含子剪接的分子机制

线粒体基因的表达、生物生成和功能实现主要依赖于核基因编码蛋白。这一过程主要通过转录后水平进行调控，包含了广泛的内含子剪接事件。在高等植物中，绝大多数线粒体内含子属于能够自我剪接的II类内含子。然而，由于植物线粒体基因的异质性，其内含子失去了自我剪接的能力，因而必须依靠核编码的蛋白质因子来辅助完成剪接过程。这些剪接因子参与内含子剪接的特异性高度可变，一些剪接因子（即特定剪接因子）参与一个或少数几个内含子剪接；另一些剪接因子（即通用剪接因子）参与了数量众多的内含子剪接事件。然而，这些剪接因子如何参与剪接反应的分子机制尚不清楚。

近日，上海交通大学农业与生物学院王传德课题组与法国国家农业科学院Hakim Mireau团队合作在核酸领域顶级期刊Nucleic Acids Research发表了题为Temperature-sensitive splicing defects in Arabidopsis mitochondria caused by mutations in the ROOT PRIMORDIUM DEFECTIVE 1 gene的研究论文，揭示了PORR蛋白家族的RPD1蛋白直接参与多个线粒体内含子的剪接。研究指出，RPD1基因的两个温度敏感性突变对其参与内含子剪接的功能产生了影响，从而证明了高温条件下突变体的不定根发育异常主要是由于RPD1与线粒体内含子的结合能力降低，进而损害了线粒体的功能，而并非由于RPD1直接参与调控拟南芥不定根的形成。此外，RPD1蛋白与目标内含子的多个不同区域相结合，表明RPD1在内含子剪接过程中可能具有多样性机制。

RPD1基因最初因其在调控植物根原基发育中的作用而被发现，其编码蛋白对根系发育具有关键影响。因突变导致根发育异常，故命名为Root Primordium Defective 1。该基因的两种温度敏感突变体在常温（22°C）下能形成不定根，而在高温（28°C）下则不能。进一步研究发现，RPD1蛋白是一个包含15个成员的蛋白家族中的一员，该家族中有三个成员随后被发现参与了线粒体或叶绿体内含子剪接，引发了RPD1可能参与细胞器RNA转录后调控的猜想，尽管其在根发育中的确切作用仍然不明。

为阐明RPD1的分子功能，首先确定了RPD1蛋白在细胞中的定位，发现其主要定位于线粒体，这与之前的核定位假设相悖。对rpd1部分回补突变体植株的深入分析发现，RPD1对于多个线粒体的内含子剪接至关重要，从而证实了其在线粒体剪接中的广泛作用。这一作用与RPD1 的敲除突变体所展现的呼吸链缺陷及胚胎致死现象相一致。此外，在不同温度（22°C和28°C）下对rpd1温度敏感突变体的分析显示，高温（28°C）加剧了线粒体内含子剪接的缺陷，显著降低了线粒体活性，进而抑制了包括根原基细胞在内的细胞分裂。根发育的抑制主要由线粒体功能障碍引起，而非RPD1基因直接参与根形态构建。通过RIP-seq分析确认了RPD1直接与线粒体内含子相结合，且其结合位点跨越不同内含子的多个区域，而这些结合序列间并无显著同源性，这暗示了RPD1参与内含子剪接过程的复杂性与多样性。

上海交通大学王传德教授为论文的第一作者，法国国家农业科学院Hakim Mireau资深研究员为通讯作者。该研究得到了上海交通大学单细胞生物学联合研究中心（JCSCB）、法国国家科研署及巴黎萨克雷植物科学研究中心等的资助。

据悉，该研究是王传德团队在细胞器基因表达调控领域的又一重要进展。近期发现核编码的uL18核糖体蛋白参与细胞器内含子剪切 （PNAS, 2020; 点击查看: ）；较系统地阐明了PPR蛋白参与线粒体RNA 的3’端加工成熟的多样性分子机制 (Plant Physiology, 2022; 点击查看: ); （Nucleic Acids Research, 2023；点击查看：） ；揭示了油菜核编码蛋白Rfo在翻译水平上抑制不育基因的表达，从而恢复Ogura-CMS的育性 (PNAS, 2021; )。

因研究需要，上海交通大学农业与生物学院王传德课题组诚聘2~3名博士后及助理研究员。课题组PI王传德入选国家海外高层次青年人才和上海市高层次人才等项目，主要围绕植物细胞核与细胞器互作，特别关注细胞器RNA的代谢调控。详见：招聘 | 上海交通大学农业与生物学院王传德课题组招聘博士后2~3 。

参考文献

Chuande Wang, Martine Quadrado and Hakim Mireau (2024). Temperature-sensitive splicing defects in Arabidopsis mitochondria caused by mutations in the ROOT PRIMORDIUM DEFECTIVE 1 gene. Nucleic acids research. 1-13, gkae072.

Chuande Wang, Martine Quadrado and Hakim Mireau (2023). Interplay of endonucleolytic and exonucleolytic processing in the 3'-end formation of a mitochondrial nad2 RNA precursor in Arabidopsis.Nucleic acids research, 51(14), 7619–7630.

Chuande Wang, Lisa Blondel, Martine Quadrado, Céline Dargel-Graffin, and Hakim Mireau (2022). Pentatricopeptide repeat protein MTSF3 ensures mitochondrial RNA stability and embryogenesis. Plant Physiology. 190(1), 669–681.

Chuande Wang, Lina Lezhneva, Nadège Arnal, Martine Quadrado, and Hakim Mireau (2021). The radish Ogura fertility restorer impedes translation elongation along its cognate CMS-causing mRNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 118 (35) e2105274118.

Chuande Wang, Rachel Fourdin, Martine Quadrado, Céline Dargel-Graffin, Dimitri Tolleter, David Macherel and Hakim Mireau (2020). Rerouting of ribosomal proteins into splicing in plant organelles. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 117 (47) 29979-29987.

论文链接：

https://doi.org/10.1093/nar/gkae072