Science | 复旦大学郑丙莲/中科院遗传发育所张晓明团队合作揭示RNA剪接“垃圾”产物如何变成“危险信号”

RNA剪接不仅是生成成熟mRNA的必经之路，还会伴随产生一类名为“内含子套索RNA”的副产物。长期以来，套索RNA因不编码蛋白质，且通常被去分支酶DBR1迅速降解，被视为RNA剪接过程中的“垃圾”。然而，DBR1功能缺失会导致套索RNA累积，并在动植物中引发胚胎致死，这说明套索RNA的清除对生物存活至关重要，但其背后的根本原因一直不甚明确。

2026年6月26日，复旦大学生命科学学院郑丙莲教授团队联合中国科学院遗传与发育生物学研究所张晓明研究员团队在Science杂志上发表了题为lariat RNA debranching prevents harmful siRNA burst in plants的研究论文。该研究首次揭示DBR1介导的套索RNA去分支过程能够防止有害小干扰RNA（siRNA）的大量爆发，从而确保植物正常生长发育与免疫应答。

RNA剪接的“副产品”—套索RNA

RNA剪接分为两步：首先，内含子在5‘剪接位点（通常为GT）被切开，游离的5’末端与分支点（通常为A）通过2‘-5’磷酸二酯键连接，形成套索中间体；随后，内含子在3‘剪接位点（通常为AG）被切开，两个外显子相连生成mRNA，而被切除的内含子即成为套索RNA。套索RNA由2’-5‘和3’-5‘磷酸二酯键共同维持其独特的环状结构。

套索RNA通常被去分支酶DBR1水解后，再由外切核酸酶进一步降解。DBR1在所有生物中均为单拷贝，功能高度保守，动物、植物和酵母的DBR1甚至可以相互替代。DBR1功能缺失在动植物中均导致胚胎致死，提示套索RNA的清除对生命活动至关重要。然而，DBR1突变导致套索RNA累积并最终致死的具体机制，长期未被阐明。

首次发现套索RNA来源的新型小RNA—lasiRNA

高等生物绝大多数基因含多个内含子，每生成一条mRNA便伴随多个套索RNA的产生。然而，由于套索RNA结构特殊，体内检测与体外合成都十分困难，相关研究长期面临技术瓶颈。复旦大学郑丙莲团队近十年来依托植物遗传学优势，围绕套索RNA开展系统研究：成功分离出功能减弱但不完全缺失的dbr1弱突变体，并基于该材料建立了高通量测序检测套索RNA的方法；鉴定了ALBA蛋白辅助DBR1促进套索RNA降解的关键机制；还发现套索RNA代谢具有高度发育时空特异性。在本研究中，团队对dbr1突变体进行小RNA深度测序，意外发现累积套索RNA的内含子位点存在21-nt和22-nt的小干扰RNA。研究人员将这类全新的内源小干扰RNA命名为lasiRNA（lariat RNA-derived siRNA）。进一步机制研究表明，RNA依赖的RNA聚合酶（RDR）能够识别套索RNA独特的环状结构，以其为模板合成双链RNA，再经Dicer-like蛋白（DCL）切割加工，最终形成不同长度的成熟lasiRNA。这是首次证实套索RNA可以作为功能性小RNA的合成前体。

图1. dbr1突变体中内含子区域新产生来自于双链的21-nt、22-nt的lasiRNA.

有害lasiRNA的“罪魁祸首”：22-nt lasiRNA扰乱生长与防御

在解析lasiRNA合成途径后，研究人员进一步挖掘其生物学功能，厘清了DBR1参与植物生长与防御平衡调控的分子逻辑。比较各类突变体的生长发育表型发现：dbr1弱突变体仅表现出轻微发育缺陷；而dbr1 dcl4双突变体则出现苗期生长停滞等严重发育障碍；进一步缺失DCL2后，该发育停滞表型得以恢复。已知DCL4主要产生21-nt siRNA，DCL2主要产生22-nt siRNA。为何DCL4缺失会使套索RNA变得如此有害？深入分析发现，DCL2产生的22-nt lasiRNA中，约10%能够靶向重要生长发育基因（如硝酸还原酶基因NIA2）的编码区，触发次级siRNA的爆发，导致靶基因表达被抑制，植物死亡。当植物同时面临病原菌侵染（如芜菁花叶病毒TuMV）时，22-nt lasiRNA进一步累积，并偏好靶向重要防御基因（如WRKY53、WRKY40）的编码区，同样引发次级siRNA爆发，使植物对病原菌超敏感。这些结果清晰表明，DCL2介导生成的22-nt lasiRNA，是破坏植物生长与防御功能的关键分子。

图2. 22-nt的lasiRNA触发重要基因上次级siRNA迸发影响植物生长和防御。

层级调控模型：套索RNA的三重代谢命运

综上，DCL2产生的22-nt lasiRNA是引发植物发育异常和防御受损的核心因素，而DCL4可通过与DCL2竞争底物（套索RNA）来缓解其毒性。当DCL4失活时，套索RNA大量被DCL2加工，产生的22-nt lasiRNA靶向重要发育和防御基因的编码区，触发次级siRNA级联反应。基于完整的实验证据，团队创新性地提出了套索RNA三重代谢命运的层级调控模型，揭示了植物维持胞内套索RNA稳态的精妙策略：

第一层（基础通路）：DBR1介导的去分支降解，在正常生理状态下高效清除套索RNA，维持套索RNA代谢平衡；

第二层（代偿通路）：当DBR1功能部分缺失、套索RNA累积时，植物启动DCL4生成21-nt lasiRNA，尽可能避免基因表达紊乱；

第三层（重塑通路）：在DBR1与DCL4双重受阻的情况下（如病原菌侵染），套索RNA转而由DCL2主导生成22-nt lasiRNA，诱发次级siRNA级联反应，干扰重要基因表达，导致严重发育缺陷和防御异常。

图3. 植物套索RNA代谢清除的层级模型。

综上所述，该研究系统解析了植物套索RNA的代谢调控网络，构建了套索RNA三重代谢命运层级调控模型，并完整阐明了新型小RNA—lasiRNA的生物合成机制。研究证实，不同类型的lasiRNA发挥差异化功能，分层调控植物生长发育与广谱免疫，帮助植物实现生长与防御的动态平衡。这一成果打破了“套索RNA仅是RNA剪接垃圾副产物”的传统认知，丰富了真核生物RNA稳态的多层级调控理论，也为内含子功能的探索开辟了新方向。值得注意的是，动物中也有报道套索RNA累积会影响PKR等免疫分子激活进而损害免疫功能。殊途同归，这些发现共同说明：套索RNA的及时清除，是生物存活的重要基础。

根据本研究的核心机制（DBR1介导的套索RNA清除，防止套索RNA被RDR/DCL通路劫持并加工成siRNA，从而确保生物存活），团队设计了概念图，以传统神话元素象征这一分子层面的“拉锯战”：DBR1化身为身穿浅色服装的守护仙女；而劫持套索RNA并将其加工成siRNA的RDR/DCL则被描绘为身穿深色服装的入侵巫女；中间的套索结构代表套索RNA。

该研究由复旦大学与中国科学院遗传与发育生物学研究所合作完成。复旦大学直博生唐祺、中科院博士生丁晨曦为论文共同第一作者；复旦大学郑丙莲教授、中科院遗传发育所张晓明研究员为共同通讯作者。复旦大学张小跎、王泰云、崔瑞雪、杨雯雅和中科院朱孟杰参与相关实验工作。复旦大学麻锦彪教授、任国栋研究员在课题开展和论文投稿过程中给予重要指导。研究得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和杰青项目等资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb4938