杭州师范大学最新研究发现顺式天然反义RNA调控番茄Pi饥饿下SlSPX5的选择性聚腺苷酸化

选择性多聚腺苷酸化 (APA)通过产生具有不同 3' 端的 mRNA 异构体来产生转录多样性。尽管 APA 在各种生物过程中发挥着至关重要的作用，但植物中调控 APA 响应逆境的机制仍知之甚少。

2025 年 8 月 27 日，杭州师范大学雷明光、爱荷华州立大学Viswanathan Satheesh、厦门大学李庆顺共同通讯在Nature Communications在线发表题为：A cis-natural antisense RNA regulates alternative polyadenylation of SlSPX5 under Pi starvation in tomato的研究论文。该研究对番茄中的 APA 进行了全面分析，并重点研究了一个受磷酸 (Pi) 调控的 APA 基因 SlSPX5，该基因编码一个假定的 Pi 传感蛋白。

SlSPX5 与细胞质中的转录因子 SlPHL1 相互作用并将其隔离，从而抑制 Pi 饥饿诱导基因的表达。研究人员发现，在 Pi 缺乏的条件下，SlSPX5 上激活了一个顺式天然反义 RNA (cis-NAT)，从而促进其近端多聚腺苷酸化。该顺式 NAT 的转录诱导 RNA 聚合酶 II 暂停，产生 Ser2 磷酸化信号，将多聚腺苷酸化机制募集到 SlSPX5 的 5' 端。本研究结果表明顺式 NAT 会调节其同源基因的 APA 以应对 Pi 饥饿。

磷是植物发育必需的常量营养素，在核酸生物合成、能量代谢、细胞区室化和各种信号通路等众多生物过程中发挥着至关重要的作用。然而，全球大多数土壤中的生物可利用磷酸盐 (Pi) 含量有限，因为它通常以不溶性无机磷酸盐或植物根系无法直接吸收的有机形式存在。为了应对 Pi 饥饿，植物进化出了多种适应机制，包括改变根系结构，例如减少主根生长和增强侧根起始；进行代谢调整，例如积累花青素以保护核酸；以及诱导一系列 Pi 饥饿诱导 (PSI) 基因来调节 Pi 稳态。

转录因子 PHOSPHATE RESPONSE1 (PHR1) 在拟南芥的 Pi 饥饿反应中起着核心作用。在磷缺乏条件下，它与数百个磷素信号通路 (PSI) 基因启动子中的顺式元件 P1BS (GNATATNC) 结合，激活这些基因的表达。类似地，在水稻中，AtPHR1 的直系同源物 OsPHR2 与 P1BS 元件结合，调控 PSI 基因的表达。PHR 基因的功能丧失突变会导致花青素积累减少，并降低 PSI 基因的诱导。相反，PHR 基因的过表达会增强磷的吸收和积累。此外，PHR 还通过调节共生相关基因的表达，对菌根共生至关重要。

SPX 以酿酒酵母 SYG1/Pho81/哺乳动物 Xpr1 命名，是一个亲水性且保守性较差的结构域，存在于多种与磷稳态相关的蛋白质中。人类、酵母和嗜热毛壳菌SPX结构域的晶体结构表明，α1、α2和α4螺旋中的几个保守氨基酸残基形成带正电荷的表面，有利于肌醇多磷酸的结合。在拟南芥和水稻中，SPX结构域蛋白SPX1和SPX2位于细胞核中，它们以Pi依赖的方式与PHR1（水稻中为PHR2）相互作用，表明它们作为Pi传感器发挥作用。2019年，我们鉴定出肌醇焦磷酸InsP8为细胞内Pi信号分子。在Pi充足的条件下，InsP8直接与SPX结构域结合，促进SPX1和PHR1之间的相互作用，从而抑制PHR1的功能。最近的研究表明，InsP8在哺乳动物和真菌中也是一种真正的Pi信号分子。拟南芥PHR1和水稻PHR2均形成二聚体与P1BS元件结合。我们测定了水稻SPX1-PHR2复合物的结构，发现Pi信号分子能够稳定SPX1的α1螺旋。

当两个SPX1分子与PHR2二聚体结合时，两个α1螺旋的存在会产生空间位阻，从而变构地解耦PHR2二聚体，并稳定SPX1-PHR2异二聚体。SPX4是含SPX结构域的蛋白家族的另一个成员，在植物的Pi稳态中发挥着独特的作用。与主要位于细胞核中的SPX1和SPX2不同，SPX4位于细胞质中，并在那里与PHR2相互作用，从而在Pi水平充足时阻止其转位到细胞核中。然而，在Pi缺乏的情况下，两种E3泛素连接酶SDEL1和SDEL2直接泛素化SPX4，从而通过26S蛋白酶体调控其降解，导致PHR2的释放。SPX4还与硝酸盐传感器NRT1.1B相互作用，这种相互作用促进SPX4泛素化，并由NRT1.1B相关的E3泛素连接酶NBIP128降解。鉴于SPX蛋白在Pi稳态中的关键作用，了解控制其表达的调控机制至关重要。其中一种机制是替代性多聚腺苷酸化(APA)，它通过产生mRNA亚型来调节基因表达。

图1：番茄中受Pi饥饿调控的Poly(A)位点的鉴定（图源自Nature Communications ）

APA是真核生物基因表达中一种广泛存在的调控机制，它涉及选择前mRNA分子上不同的多聚腺苷酸化[poly(A)]位点，从而产生具有不同3′末端的mRNA异构体。大多数APA位点位于3′非翻译区(3′UTR)内，通过调节mRNA的稳定性、翻译和核输出来影响转录后基因调控。然而，当APA位点位于内含子或编码外显子上时，它们可以改变基因的编码序列。研究表明，APA存在于拟南芥和水稻中超过70%的基因中，表明其在调控植物基因表达方面具有重要意义。poly(A)位点的选择受多种因素影响，包括发育因素、环境刺激和多聚腺苷酸化因子的表达水平。植物中的APA是一个动态过程，显著影响转录组的多样性和复杂性，使植物能够根据各种内部和外部因素微调基因表达。虽然APA对转录本多样性和基因调控有显著贡献，但在营养胁迫（例如磷缺乏）条件下影响APA位点选择的因素尚不完全清楚。

新兴证据表明，非编码RNA，例如顺式天然反义转录本（cis-NAT），在调控基因表达中发挥重要作用。然而，它们在调控同源基因APA方面的潜在作用仍未得到探索。顺式NAT是一类与蛋白质编码基因重叠的长链非编码RNA，通常从相反的DNA链转录。它们广泛存在于真核生物中，在转录和转录后水平调控基因表达方面发挥重要作用。研究表明，顺式NAT可以影响mRNA的稳定性、剪接和翻译，而这些对于调节植物在营养缺乏（包括磷缺乏）条件下的反应至关重要。与磷输出基因磷酸化酶1;2 (PHO1;2) 相关的顺式核糖核酸酶 (cis-NAT) 能够在不改变稳态 mRNA 水平的情况下增强 mRNA 翻译，从而导致水稻在磷缺乏条件下磷转运蛋白积累增加。类似地，在拟南芥中也发现了顺式核糖核酸酶 (cis-NAT)，它们在磷缺乏条件下与其同源 mRNA 的翻译效率呈正相关或负相关。

番茄中有五种 SPX 结构域蛋白：SlSPX1 至 SlSPX5。先前的研究表明，SlSPX1 和 SlSPX2 与多个 SlPHR 相互作用，从而调节磷稳态和丛枝菌根共生。然而，其他 SlSPX 蛋白的功能和调控机制仍未得到深入研究。在本研究中，作者利用 poly(A) 标签测序 (PAT-seq) 研究了番茄响应磷缺乏时 APA 的表达谱，重点研究了一个假定的磷传感基因 SlSPX5，该基因会经历 APA 的调控。该研究证明SlSPX5与SlPHL1在胞质溶胶中相互作用，阻止其转位至细胞核。此外，本研究还表明SlPHL1不会形成二聚体，并且SlSPX5与SlPHL1之间的相互作用与Pi的可用性无关。最后，本研究揭示了SlSPX5基因座的Pi饥饿会诱导顺式NAT，从而促进SlSPX5的近端多聚腺苷酸化。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63406-1