清華大學生命學院戚益軍課題組揭示植物miRNA產生的核心工作機制

                2020-12-08 13:53:55

                2020年12月7日,清華大學生命科學學院植物生物學研究中心戚益軍課題組在《自然-細胞生物學》(Nature Cell Biology)在線發表了題為“SERRATE通過相分離驅動擬南芥切割小體形成并促進miRNA加工”(Phase separation of SERRATE drives dicing body assembly and promotes miRNA processing in Arabidopsis)的研究論文。該研究發現對植物miRNA產生至關重要的切割小體(Dicing body)由其核心組分SERRATE(SE)蛋白通過液-液相分離驅動組裝形成,miRNA在切割小體中產生后,可釋放至小體外發揮功能。這些研究結果闡明了植物miRNA產生的核心工作機制。

                miRNA通過調節基因表達,在植物生長發育、逆境響應等過程中發揮重要調控作用;闡明miRNA的產生和功能機制,對于揭示基因表達調控規律、開發改良作物農藝性狀的新資源具有重要意義。植物miRNA由DCL1-SE-HYL1復合體切割其前體pri-miRNA產生。早期的研究表明DCL1、HYL1及SE共定位于細胞核中并形成2-4個直徑為0.2-0.8 μm的切割小體。切割小體的形成機制及其在miRNA產生中的功能一直是有待闡明的重要問題。

                生物大分子(蛋白質和RNA)能夠在細胞內聚集形成點狀結構。近年來,人們逐漸意識到這些點狀結構并非生物大分子的固態沉淀,它們往往具有液態流動性,與周圍環境有著密切的物質交流,因而也被稱為無膜細胞器。大多數無膜細胞器由生物分子發生液-液相分離驅動形成。

                在這項研究中,戚益軍研究組首先發現切割小體具有液態的物理屬性。通過對切割小體核心組分蛋白的表達純化和鑒定,發現SE蛋白具有相分離形成液滴的能力,并且這一能力依賴于其N端的一段固有無序區段(IDR)。利用生化和遺傳手段,發現SE的液-液相分離驅動了切割小體的形成,并且對高效切割加工pri-miRNA至關重要。進一步研究發現,切割小體是miRNA產生的場所;miRNA在切割小體中產生后,與HYL1結合,從切割小體中釋放進而發揮功能。由此,該研究提出了切割小體的組裝及作用機制模型:1)SE蛋白通過其N端固有無序區段產生的分子間弱相互作用力而聚集,并招募DCL1、HYL1及前體pri- miRNA,形成切割小體; 2)在切割小體中,由于局部濃度的提升,分子間碰撞幾率增加,使得DCL1得以高效地切割加工pri-miRNA產生miRNA;3)隨著切割過程造成pri-miRNA的消耗,HYL1與SE間的作用力減弱而被釋放至切割小體外,由于HYL1具有結合miRNA的能力,向外遷移的HYL攜帶著miRNA共同轉運,從而實現miRNA從切割小體的釋放。

                圖示:SE液-液相分離驅動切割小體的形成和miRNA產生

                該研究闡明了miRNA產生的核心工作機制,并為液-液相分離的重要生物學意義提供了強有力的證據。該研究還首次發現了反應產物可以從相分離所形成的無膜細胞器中釋放。SE除了參與miRNA加工,還參與基因轉錄、RNA可變剪接以及轉座子沉默等過程;因此,液-液相分離很可能也在這些過程中發揮作用。

                清華大學生命學院戚益軍教授為該論文的通訊作者,博士生謝東奇、陳敏和牛錦榮為共同第一作者,助理研究員李艷博士、研究員方曉峰博士和研究員李丕龍博士及其學生王亮參與了部分工作。該研究由國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃和清華-北大生命科學聯合中心提供經費支持。

                論文鏈接:https://rdcu.be/cbOJW

                  


                优乐