科学家发现新的RNA降解机制

2016-10-17 14:29 来源: 生物通
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  在任何时候,一个生物体中的全部RNA分子,都是一段微妙的舞蹈所产生的产物。基因必须是“打开”或表达的,以便于把DNA转化为RNA,然后RNA被转化成蛋白质,才能完成一个生物体的生理需求。但是,同样重要的是,那些RNA转录本一旦不再需要就必须被清除。

  最近,宾夕法尼亚大学的研究人员对于后面这个过程提出了一种新的见解,他们确定了一种新的RNA分子降解机制。由宾夕法尼亚大学生物系副教授Brian D. Gregory博士及该系博士后Xiang Yu带领的这项研究,提供了第一个证据表明,在植物中,RNA降解可能与RNA翻译发生在同一个空间和同一时间内。鉴于在酵母中确定了类似的过程,宾大的这项研究表明,这可能是一个进化上保守的过程。相关研究结果发表在10月7日的国际著名植物学期刊《Plant Cell》。延伸阅读:Cell揭示RNA降解新机制;Cell颠覆传统观点,mRNA降解的新故事;清华大学Nature子刊揭示RNA降解新机制。

  Gregory说:“在我看来,RNA降解是基因调控一个被忽视的方面。关键在于,它就像基因表达一样的重要。我们这项研究的结果表明,RNA降解的发生并不一定是与RNA翻译分开的。我们看到,当核糖体向下移动转录本的长度时,一定比例的RNA也正在降解。它与翻译是共同发生的。”Gregory和Yu与共同第一作者、其他实验室成员Matthew R. Willmann、Stephen J. Anderson,完成了这项研究。

  在这项研究之前,科学家们意识到,信使RNA可以通过两种方式降解,一种方式开始于一段RNA转录本的起始或5-prime端,另一种方式开始于终点或3-prime端。在这两种情况下的降解主要发生在细胞质中。

  最近在酵母中的研究确定了一种RNA降解途径,打破了这个模式,其发生在RNA转录本仍然附着于一个核糖体上时——负责将RNA翻译成为蛋白质的分子机械。

  Gregory的实验室专注于植物中的RNA调控,他们想探讨研究人员在酵母中观察到的过程是否也存在于植物中。为此,该团队使用了Gregory作博士后期间开发的一种技术,称为genome-wide mapping of uncapped and cleaved transcripts(GMUCT),该技术只能确定裂解的或处于降解过程中的RNA分子。通过检测拟南芥的花芽RNA,他们进行了GMUCT,通过寻找酵母研究人员曾经看到的相同信号——发生在信使RNA终止密码子(RNA翻译在那里终止)的上游16到17核苷酸的一个裂解事件,他们从可能被microRNA控制的其他过程裂解的转录本中,整理出了与翻译共同降解的转录本。这个位置与翻译终止过程中被转录本覆盖的一个核糖体上的5-prime边缘相一致。

  Yu说:“我们看到,在植物中降解的RNA与核糖体有关,就像它在酵母中一样。许多分子事件被耦合在一起。例如,基因转录与剪接结合。因此,这是一种耦合的另一个例子,其中两个分子事件在空间和时间上联系在了一起。”

  为了进一步探讨这一耦合事件,研究人员询问了GMUCT的结果,寻找核糖体在降解/翻译过程中终止下来的例子。他们发现,核糖体终止了,特别是在终止密码子区,而让他们惊讶的是,他们发现编码终止密码子的三个不同序列之间存在差异。

  Gregory说“到现在为止,每个人都认为,你使用哪个密码子并不重要,因为它们都做同样的事情。但从我们的数据来看,似乎核糖体和转录物之间相互作用的动力学,对于每种类型的终止密码子来说是不同的,或可能存在与每个终止密码子相关的一个不同的蛋白复合物。”研究人员说,这些结果可能表明,翻译效率可能是由“这三个终止密码子中哪一个是存在的”所调节的。

  他们的研究结果也发现了RNA转录本的非翻译区域中有一个调控区域的迹象,该区域称为上游开放阅读框,或uORFs。Gregory说:“在这些活跃的上游开放阅读框中,很多以一种组织特异性和发育特异性的方式,调节下游的开放阅读框,所以我们可以用我们的方法来弄清,无论你分析什么组织时有哪些是活跃的。”

  研究人员用突变植株进行了实验,以了解参与共翻译RNA降解的分子因素。他们发现了XRN4——这种酶已知可催化RNA的降解,和ABH1——核mRNA帽结合复合物的一部分,它参与许多生物学过程(包括信使RNA的稳定性和剪接,以及蛋白质翻译的起始)。他们的研究结果表明,这一过程可能对于调节应激反应(如温度)相关的基因,是特别重要的。

  Gregory说:“这个过程看起来就像是一种非常有效的方法,来摆脱你需要去掉的转录本,以便于有一个适当的应激反应。”Yu说:“很显然,与一些经典的、已知的降解途径相比,共翻译的降解将是一个更有效、更快的过程。”

  因为研究人员发现,microRNA介导的翻译抑制所调节的转录本,更可能发生共翻译的降解,他们想象能有一种模型,可能负责将靶转录本引导到共翻译降解的过程中,甚至使它们穿梭于这个过程。

  为了跟进他们的发现,Gregory的小组将进一步探讨:他们观察到的过程、共翻译降解和他们基于不同终止密码子观察到的不同相互作用,是否是组织特异性的过程,即,它们是否出现在花蕾以外的其他植物组织。他们还想探讨这个过程是否延伸到了酵母和拟南芥这些物种之外,甚至可能延伸至人类。