清华大学戚益军/连璧合作最新PNAS

21-nt相位小RNA（phasiRNAs）在花药中大量表达，并在禾草类植物的花药发育和雄性生殖中发挥重要作用。在玉米中，21-nt相位小RNA调控的靶基因尚不清楚。

2025年6月11日，清华大学戚益军和连璧共同通讯在PNAS（IF=9.4）在线发表题为“Spatiotemporal regulation of target mRNA cleavage by 21-nt phasiRNAs in maize anthers”的研究论文。该研究展示了21-nt相位小RNA通过切割数百个靶mRNA来发挥作用。

有趣的是，虽然花药中的21-nt相位小RNA（体细胞花药壁细胞）在5′末端并不偏好特定的核苷酸，并且靶向与应激反应和细胞稳态相关的基因，但雄性生殖细胞中的21-nt相位小RNA则优先以5′ C为起始核苷酸，并以ZmAGO5c依赖的方式靶向与减数分裂过程相关的基因。作者的结果表明，mRNA切割是21-nt相位小RNA在禾草植物中进行基因调控的保守机制。然而，21-nt相位小RNA及其靶基因的序列在玉米和水稻中几乎没有保守性，这表明21-nt相位小RNA基因座和靶基因在禾草植物中经历了快速的分化。

21-和24-nt相位小干扰RNA（phasiRNA）在发育中的花药中高度表达，并在禾草的雄性繁殖中发挥关键作用。大多数21-nt phasiRNA的生物发生是通过miRNA2118（miR2118）引导的phasiRNA前体转录本（PHAS前体）裂解启动的。依赖RNA的RNA聚合酶6（RDR6）将裂解产物转化为双链RNA（dsRNA）。这些dsRNA由类Dicer蛋白4（DCL4）以21-nt的间隔进行加工。在水稻中，21-nt phasiRNA主要加载到ARGONAUTE 1b（AGO1b）、AGO1d以及AGO5类蛋白——减数分裂停滞在前期1（MEL1）中。AGO18与21-nt phasiRNA活性也有关，但是否与21-nt phasiRNA加载尚不清楚。在玉米中，21-nt phasiRNA已被证明与MEL1同源物——雄性相关ARGONAUTE-1（MAGO1，亦称为ZmAGO5b，以下简称ZmAGO5b）和MAGO2（亦称为ZmAGO5c和MS28，以下简称ZmAGO5c）——以及AGO18b相关联。

花药和雄性生殖细胞中21-nt相位小RNA和靶mRNA切割对ZmAGO5c的依赖性（图片源自PNAS）

21-nt phasiRNA既可以在顺式作用中裂解自己的前体，但早期研究未能在水稻和玉米中识别出反式裂解的靶标。然而，水稻的最新研究发现，它们以MEL1或AGO1d依赖的方式引导数百个靶mRNA的裂解。在玉米中，一类热激诱导的21-nt phasiRNA与ZmAGO5b和ZmAGO5c相关联，并裂解低拷贝的Gypsy类逆转录转座子转录本，从而在热应激条件下减少其活动。然而，21-nt phasiRNA是否靶向玉米中的mRNA仍不清楚。

在本研究中，作者应用低输入的并行RNA末端分析/降解组学测序（degradome-seq）技术，对玉米花药及不同发育阶段的雄性生殖细胞进行分离，并识别出数百个蛋白质编码mRNA作为21-nt phasiRNA的靶标。作者展示了21-nt phasiRNA以时间动态和细胞类型依赖的方式引导mRNA裂解。有趣的是，尽管21-nt phasiRNA在玉米和水稻中均能引导靶mRNA裂解，但这些21-nt phasiRNA及其靶标的序列在这两种植物中几乎没有保守性。

https://doi.org/10.1073/pnas.2422647122