丁一倞團隊首次揭示體內RNA二級結構對調控前體mRNA加工的作用

2021-01-08 BioArt生物藝術

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責編 | 王一

在經典的中心法則裡，mRNA分子只作為遺傳信息的中間載體，被轉錄和翻譯。由於mRNA分子是一條長的單鏈核酸，本身的物理性質決定了其能夠摺疊成複雜的空間結構。越來越多的研究表明，RNA高級結構在基因表達過程中起著至關重要的調控作用。但由於研究技術的限制，目前對mRNA結構的調控作用了解並不深入。近年來，隨著RNA結構組學技術的進步，使得在全基因組水平上解析RNA結構的生物學功能成為可能【1】。

在真核生物中，前體mRNA （pre-mRNA）被轉錄後要經過剪接（splicing）和多聚腺苷酸化（polyadenylation）才能形成具有正常功能的成熟mRNA。剪接位點和多聚腺苷酸化位點的精確識別，是前體mRNA加工的關鍵。但這些位點的序列保守性不足以將其和其他序列精確區分開，人們對剪接位點和多聚腺苷酸化位點的精確識別機制認識尚不深入【2】。RNA結構是RNA本身的物理性質，能夠影響和RNA相關的所有生物學過程，理論上可以作為一種普遍和精確的調控機制。一些體外單基因的研究表明，RNA結構可以影響剪接和多聚腺苷酸化【3】。但RNA結構調控剪接和多聚腺苷酸化位點識別的具體機制和普遍性，目前尚不清楚。

近日，英國約翰英納斯研究中心丁一倞團隊在Genome Biology在線發表了題為In vivo nuclear RNA structurome reveals the RNA-structure regulation of mRNA processing in plants的研究論文，首次揭示了體內RNA二級結構對調控前體mRNA加工的作用。

在該研究中，研究人員開發了擬南芥細胞核內RNA二級結構檢測的新方法（圖1），在全基因組水平上鑑定到了調控pre-mRNA 剪接及和多聚腺苷酸化相關的RNA二級結構。

圖1利用Nuc-SHAPE-Structure-Seq技術能夠準確檢測活細胞中細胞核RNA的二級結構

研究人員首先通過完整細胞核分離，富集了尚未發生剪接和尚未發生多聚腺苷酸化的pre-mRNA。通過對比pre-mRNA和成熟mRNA的結構組學數據，發現這兩類mRNA二級結構有所不同，尤其在翻譯起始和終止的位置結構差異較大。這預示著mRNA可能在不同加工階段對自身二級結構的需求不同。接著通過對pre-mRNA的全基因組分析發現，能夠成功被剪接的內含子，其5』剪接位點上遊的兩個鹼基以及3』剪接位點附近的分支位點（branching point）傾向於呈單鏈狀態。而剪接效率低的內含子，這兩個位點傾向於呈雙鏈狀態。這兩個位點的單鏈狀態也分別和可變剪接事件中的5』和3』剪接位點的選擇顯著相關。通過人工創造突變來改變RNA結構的技術，研究人員發現，改變5』剪接位點上遊兩個鹼基的單鏈/雙鏈狀態能夠成功實現對內含子剪接的調控，進一步確定5』剪接位點上遊兩個鹼基的結構能調控剪接（圖2）。另外，研究人員還發現多聚腺苷酸化過程中的兩個重要位點：PAS motif (PolyA signal motif)和cleavage site在全基因組水平上也傾向於呈單鏈狀態（圖2）。植物的多聚腺苷酸化和動物不同，植物並不具有典型的PAS motif consensus序列，推測這兩個位點的單鏈狀態可能和擬南芥中polyA位點的識別有關【4】。

圖2 pre-mRNA剪接（a）和多聚腺苷酸化（b）相關的RNA二級結構

綜上所述，該研究在全基因組水平上鑑定到了和剪接以及多聚腺苷酸化相關的pre-mRNA二級結構特徵，並用實驗驗證了一個可以調控剪接的mRNA二級結構，為進一步揭示RNA結構參與前體mRNA加工的具體機制奠定了基礎。

英國約翰英納斯研究中心（JIC）的劉振山博士和劉奇博士並列為該論文的第一作者。JIC的終身研究員丁一倞博士為該論文的通訊作者。楊小飛博士，張月瑩博士和陳曉曦博士等參與了部分工作。東北師範大學張鏵坤教授也參與並支持了此項研究工作。該研究得到了英國生物科學與技術委員會，歐洲科學研究委員會，諾裡奇科技園基金，瑪麗居裡基金等的經費支持。

參考文獻

1. Ding Y, Kwok CK, Tang Y, Bevilacqua PC, Assmann SM. Genome-wide profiling of in vivo RNA structure at single-nucleotide resolution using structure-seq. Nat Protoc. 2015;10(7):1050-1066.

2. Roca X, Krainer AR, Eperon IC. Pick one, but be quick: 5' splice sites and the problems of too many choices. Genes Dev. 2013;27(2):129-144.

3. Rubtsov PM. Role of pre-mRNA secondary structures in the regulation of alternative splicing. Molecular Biology. 2016;50(6):823-830.

4. Loke JC, Stahlberg EA, Strenski DG, Haas BJ, Wood PC, Li QQ. Compilation of mRNA polyadenylation signals in Arabidopsis revealed a new signal element and potential secondary structures. Plant Physiol. 2005;138(3):1457-1468.

論文連結：

https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02236-4

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