Nature Commun | 东北师范大学张铧坤团队揭示小麦中RNA结构对RNA稳定性的调控机制

责编 | 王一

近日，东北师范大学生命科学学院张铧坤团队在Nature Communications在线发表了题为Unveiling RNA Structure-mediated Regulations of RNA Stability in Wheat的研究论文，首次揭示了异源四倍体小麦的mRNA降解主要受到3' UTR的RNA结构以及与mRNA降解效率相关的RNA结构基序（Structural RNA stability motifs）的影响，强调了非编码区域在基因表达中的重要性以及对小麦的驯化和遗传改良也具有重要指导意义。

mRNA的稳定性是转录后调控的重要因素，对基因表达有着重要影响。小麦（Triticum spp.）属于禾本科植物，具有高产、易储存、营养价值高等优点，是全球三大主粮作物之一。此外，小麦是一个典型的异源多倍体植物物种。异源多倍体物种会经历两个或多个物种在种间的或属间的杂交事件且染色体发生加倍。异源多倍化过程中的亲本基因组（亚基因组，Sub-genome）之间的结构和调控差异会引起强烈且急剧的遗传和表观遗传应激现象，这是由于不同来源的亚基因组的融合导致结构和功能上的不兼容性。这些基因组变化的一个共同特征是亚基因组偏向性表达，在小麦的驯化和环境适应过程中经历动态选择。最近的研究发现了六倍体小麦不平衡转录的特点，大约有30%的部分同源三元组，即六倍体小麦的A、B和D亚基组的基因，在稳态RNA丰度上存在不对称性【1】。鉴于稳态RNA丰度主要取决于RNA转录和降解速率之间的平衡，该研究推测RNA降解可能在观察到的稳态RNA丰度不对称性中发挥重要作用。

通过转录抑制剂法（虫草素缓冲液处理法），研究人员成功构建了小麦的第一个mRNA降解图谱。结果发现，在经过虫草素处理的样本中，mRNA会随着时间的推移逐渐发生降解，表现为mRNA丰度的逐渐减小（如图1b所示）。mRNA的半衰期整体呈现正态分布且时间跨度存在较大差异，其中半衰期约为1小时的mRNA数量最多。此外，经过皮尔逊相关性分析发现，mRNA降解速率与稳态mRNA丰度之间呈现显著负相关，即mRNA降解的越慢，稳态下mRNA丰度越高。

图1 异源四倍体小麦的mRNA降解图谱

此外，该研究还揭示了mRNA降解不对称性与亚基组间基因表达差异显著相关的结果。先前的研究表明，小麦亚基因组间显示出转录【1】和翻译【2】上的不对称性，暗示了小麦同源基因的新功能或亚功能化，这是一个关键的进化特征。本研究观察到mRNA稳定性对稳态mRNA丰度存在显著贡献，mRNA稳定也呈现出不对称模式，从而对亚基因组之间稳态mRNA丰度的差异起到贡献。

图2 mRNA降解的亚基因组不对称性

与此同时，该研究探讨了各种mRNA特征对mRNA稳定性的影响，强调了3' UTR内的RNA结构在小麦中的重要作用。3' UTR的RNA结构稳定性与mRNA降解速率之间呈现显著的负相关，且3' UTR中存在大量与mRNA降解效率相关联的RNA结构基序（Structural RNA stability motifs），该研究还系统地阐明了RNA结构基序对亚基组的偏好性。序列长度、序列的碱基含量、密码子使用及翻译效率等因素与mRNA降解速率之间均呈显著弱相关。

图3 小麦中与mRNA稳定性有关的RNA结构基序

该研究还发现，在驯化过程中受到选择的单核苷酸变异（SNVs）可能会影响与稳定性相关的RNA结构基序，从而影响亚基组mRNA的稳定性，并导致亚基组表达水平的改变。综上所述，该研究结果为理解小麦mRNA稳定性提供了宝贵的见解，同时展示了利用RNA结构调控基因表达在作物改良中的潜力。

图4 稳定性相关的RNA结构基序可能在小麦驯化过程中发生进化

东北师范大学生命科学学院张铧坤教授、刘宝教授和英国约翰英纳斯中心终身研究员丁一倞教授为该论文的通讯作者。第一作者是东北师范大学武海丹博士与英国约翰英纳斯中心于昊澎博士、张月莹博士和杨毕波博士。在此，特别要诚挚感谢鲁非研究员及John Innes Centre Germplasm Resources Unit在项目实施过程中给予的种子资源。感谢孙文青、任兰英、李昱辰及李倩倩博士对于这项工作的贡献。感谢Simon Griffiths博士、Graham Moore教授、Cristobal Uauy教授为该项目提供了指导。该研究得到了中国国家重点研发计划、中国国家重点研究与发展计划、中国国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、英国生物技术与生物科学研究委员会以及欧洲研究理事会的支持。

Reference

1. Ramírez-González R. H., et al. The transcriptional landscape of polyploid wheat. Science 361, eaar6089 (2018).

2. Yang X., et al. Wheat in vivo RNA structure landscape reveals a prevalent role of RNA structure in modulating translational subgenome expression asymmetry. Genome Biol. 22, 326 (2021).

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-54172-7