清华新闻网10月19日电 真核生物基因组转录产生数量庞大的RNA分子，其中包括编码蛋白质的信使RNA（mRNA）和具有调控功能的非编码RNA（Non-coding RNA, ncRNA）。自分子生物学中心法则提出近七十年来，mRNA长期被视为遗传信息从基因向蛋白质传递的“信使”。已有研究主要关注mRNA编码蛋白质的经典功能，而其编码蛋白质之外的调控功能，尚缺乏系统解析。
10月15日，清华大学生命学院教授戚益军课题组在《科学》（Science）杂志发表题为“植物中与染色质结合的蛋白质编码转录本对靶基因表达的调控”（Regulation of target gene expression by chromatin-associated protein-coding transcripts in plants）的研究论文。该研究揭示，mRNA可通过结合染色质，以不依赖自身编码蛋白质的全新方式调控靶基因转录。
研究中，课题组首先系统分析了拟南芥中10,479对由mRNA介导的染色质互作，发现其中约12%发生在mRNA本身转录位点5Kb以外的基因组区域。为了探究这些mRNA可否调控与其发生互作的基因的表达，课题组选取了与靶基因CEP2和MRF4互作的BT2 mRNA作为模式进行深入研究。在bt2突变体中，CEP2和MRF4的转录水平显著上调，说明BT2抑制CEP2和MRF4的转录。已知CEP2正向调控植物主根伸长，而MRF4抑制植物开花。与CEP2和MRF4转录水平上调相一致，bt2突变体表现出主根伸长和晚花表型；进一步遗传分析表明，这两种表型分别依赖于CEP2和MRF4的去抑制。这些结果证明，BT2通过抑制CEP2和MRF4的转录，调控根生长和开花时间。
是BT2 mRNA还是其编码的蛋白质发挥上述调控功能的呢？为了回答这一问题，课题组首先通过遗传互补实验发现，在bt2突变体中异位表达的BT2虽能恢复BT2蛋白的功能（使突变体恢复对过氧化氢的耐受性），却不能恢复对CEP2和MRF4的抑制，异位产生的BT2 mRNA也无法结合靶基因。这表明BT2蛋白不参与调控CEP2和MRF4。进一步利用CRISPR/Cas9技术，构建了BT2无义和移码突变体。在这些突变体中，BT2蛋白功能完全丧失，但BT2 mRNA水平保持不变，CEP2和MRF4的表达及植株根长和开花时间均与野生型无异。这些结果表明，BT2 mRNA，而非其编码的蛋白，调控CEP2和MRF4表达。
BT2 mRNA是如何特异性结合并调控靶基因的呢？在排除了小RNA、DNA甲基化、染色质空间邻近和相分离等诸多可能性之后，课题组通过体内外实验证明，BT2 mRNA可与CEP2和MRF4的基因组DNA形成RNA-DNA三链体。利用生物信息学预测，结合电泳迁移率变动（EMSA）和微量热泳动（MST）等生化实验，发现BT2 mRNA中一段富含AG的序列（三链体形成寡核苷酸，TFO）介导三链体的形成。利用CRISPR/Cas9技术，在BT2位点敲除该TFO序列后，BT2 mRNA和蛋白表达水平不变，蛋白功能保持正常，但BT2 mRNA与靶基因的结合丧失，CEP2和MRF4表达升高，植株表现出主根伸长和晚花表型。进一步研究表明，BT2 mRNA通过与CEP2和MRF4形成RNA-DNA三链体，促进靶位点抑制性组蛋白修饰H3K9me2和H3K27me3的积累，从而抑制CEP2和MRF4的转录。
为了验证mRNA调控靶基因转录的普遍性，课题组还解析了另一个mRNA，GSL8 mRNA的调控功能。GSL8 mRNA结合包括MAT3在内的多个靶基因，并在转录水平抑制这些靶基因表达。遗传互补实验和移码突变体的分析表明，与BT2类似，GSL8对其靶基因的抑制严格依赖于其mRNA而非编码的蛋白。但与BT2 mRNA不同的是，GSL8 mRNA并不与靶DNA形成RNA-DNA三链体，而是通过限制靶位点激活性组蛋白修饰H3K4me2和H3K36me3的积累，抑制靶基因转录。这表明不同的mRNA并非依靠单一通用机制调控基因表达。
mRNA对靶基因表达的调控
BT2和GSL8 mRNA以不依赖自身编码蛋白质的全新方式调控靶基因转录。其中，BT2 mRNA可与靶基因位点形成RNA-DNA三链体结构，促进抑制性组蛋白修饰H3K9me2与H3K27me3的积累，进而沉默靶基因转录；而GSL8 mRNA通过非三链体结构的方式结合靶基因，阻碍激活型组蛋白修饰H3K4me2和H3K36me3的积累，从而下调靶基因转录水平
该研究打破了对mRNA的固有认知：mRNA不仅是把遗传信息从DNA传递到蛋白质的“信使”，其本身还可以直接参与基因表达调控。值得一提的是，在水稻、小鼠、果蝇乃至人的细胞中，也曾观察到mRNA与染色体结合的现象，提示这种调控策略可能在真核生物中广泛存在。同时，许多曾被注释为ncRNA的RNA也可与核糖体结合，并翻译产生具有重要生物学功能的多肽。这些兼具编码功能与调控功能的双功能RNA，可能是连接编码 RNA与非编码RNA体系的进化中间态分子，这为解析RNA的进化机制与功能多样性提供了全新思路。
戚益军教授为该论文的通讯作者，清华大学生命科学学院博士后韩露和博士后袁宇翔为论文的共同第一作者。2021级博士研究生刘宇杰、助理研究员李艳博士参与了研究。
该研究得到了国家自然科学基金和新基石科学基金会的支持。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz4903
供稿：生命学院
编辑：李华山
审核：王晓霞
