清華大學(xué)生命學(xué)院戚益軍課題組揭示植物miRNA產(chǎn)生的核心工作機(jī)制
2020年12月7日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物生物學(xué)研究中心戚益軍課題組在《自然-細(xì)胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）在線發(fā)表了題為“SERRATE通過(guò)相分離驅(qū)動(dòng)擬南芥切割小體形成并促進(jìn)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(fā)現(xiàn)對(duì)植物miRNA產(chǎn)生至關(guān)重要的切割小體（Dicing body）由其核心組分SERRATE（SE）蛋白通過(guò)液-液相分離驅(qū)動(dòng)組裝形成，miRNA在切割小體中產(chǎn)生后，可釋放至小體外發(fā)揮功能。這些研究結(jié)果闡明了植物miRNA產(chǎn)生的核心工作機(jī)制。
miRNA通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境響應(yīng)等過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)控作用；闡明miRNA的產(chǎn)生和功能機(jī)制，對(duì)于揭示基因表達(dá)調(diào)控規(guī)律、開(kāi)發(fā)改良作物農(nóng)藝性狀的新資源具有重要意義。植物miRNA由DCL1-SE-HYL1復(fù)合體切割其前體pri-miRNA產(chǎn)生。早期的研究表明DCL1、HYL1及SE共定位于細(xì)胞核中并形成2-4個(gè)直徑為0.2-0.8 μm的切割小體。切割小體的形成機(jī)制及其在miRNA產(chǎn)生中的功能一直是有待闡明的重要問(wèn)題。
生物大分子（蛋白質(zhì)和RNA）能夠在細(xì)胞內(nèi)聚集形成點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，人們逐漸意識(shí)到這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)并非生物大分子的固態(tài)沉淀，它們往往具有液態(tài)流動(dòng)性，與周圍環(huán)境有著密切的物質(zhì)交流，因而也被稱為無(wú)膜細(xì)胞器。大多數(shù)無(wú)膜細(xì)胞器由生物分子發(fā)生液-液相分離驅(qū)動(dòng)形成。
在這項(xiàng)研究中，戚益軍研究組首先發(fā)現(xiàn)切割小體具有液態(tài)的物理屬性。通過(guò)對(duì)切割小體核心組分蛋白的表達(dá)純化和鑒定，發(fā)現(xiàn)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(wú)序區(qū)段（IDR）。利用生化和遺傳手段，發(fā)現(xiàn)SE的液-液相分離驅(qū)動(dòng)了切割小體的形成，并且對(duì)高效切割加工pri-miRNA至關(guān)重要。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，切割小體是miRNA產(chǎn)生的場(chǎng)所；miRNA在切割小體中產(chǎn)生后，與HYL1結(jié)合，從切割小體中釋放進(jìn)而發(fā)揮功能。由此，該研究提出了切割小體的組裝及作用機(jī)制模型：1）SE蛋白通過(guò)其N端固有無(wú)序區(qū)段產(chǎn)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(chǎn)生miRNA；3）隨著切割過(guò)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(jié)合miRNA的能力，向外遷移的HYL攜帶著miRNA共同轉(zhuǎn)運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)miRNA從切割小體的釋放。
圖示：SE液-液相分離驅(qū)動(dòng)切割小體的形成和miRNA產(chǎn)生
該研究闡明了miRNA產(chǎn)生的核心工作機(jī)制，并為液-液相分離的重要生物學(xué)意義提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。該研究還首次發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物可以從相分離所形成的無(wú)膜細(xì)胞器中釋放。SE除了參與miRNA加工，還參與基因轉(zhuǎn)錄、RNA可變剪接以及轉(zhuǎn)座子沉默等過(guò)程；因此，液-液相分離很可能也在這些過(guò)程中發(fā)揮作用。
清華大學(xué)生命學(xué)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(xué)生王亮參與了部分工作。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心提供經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：https://rdcu.be/cbOJW
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