NAR | 法国农科院王传德博士揭示PPR蛋白介导线粒体前体RNA的3’端加工新机制

线粒体是真核细胞的能量中心，一般认为起源于原始内共生的α-变形菌。在进化过程中，大多数线粒体基因已转移到核基因组或者丢失，同时也演化出许多由细胞核编码的反式调控因子来控制其表达。这些核基因编码蛋白如何调控线粒体基因表达，进而影响植物生长发育及繁殖，一直是植物学基础理论和作物杂交育种的核心研究课题。

近日，法国农业科学院IJPB研究所细胞器团队王传德博士等人在核酸领域顶级期刊 Nucleic Acids Research 发表了题为“Interplay of endonucleolytic and exonucleolytic processing in the 3'-end formation of a mitochondrial nad2 RNA precursor in Arabidopsis” 的研究论文，揭示了核编码的PPR蛋白EMS1（核酸内切酶线粒体稳定因子1）通过招募核酸内切酶，对线粒体nad2 前体mRNA的3' 末端进行加工，同时EMS1也作为一种“物理障碍”，阻挡了 3’-to-5’ 核酸外切酶的非特异性切割。该研究表明，植物线粒体转录本的3' 末端的加工涉及到由PPR蛋白介导的核酸内切酶和核酸外切酶加工的相互作用。

植物线粒体基因具有多个转录起始位点和非严格的转录终止位点，且调控较为松散，导致其前体mRNA的长度通常比成熟mRNA 的要长的多。这些前体mRNA需要经过由 RNA 结合蛋白、RNA 二级结构、核酸内切酶和外切酶等协同介导的末端加工过程，以保护转录本免受进一步降解，并确定其末端边界。为了深入理解线粒体mRNA的3’ 端加工和稳定的分子生物学过程，法国农业科学院王传德博士通过反向遗传学、分子与生化等手段，相继揭示了核编码的PPR蛋白参与线粒体mRNA的3’ 端加工的分子机制，如PPR蛋白MTSF2参与线粒体nad1前体mRNA的3’ 端的加工和稳定 (Nucleic Acids Research, 2017)，MTSF3同时参与线粒体nad2前体和成熟mRNA 的3’末端加工 (Plant Physiology, 2022).

本研究中，研究人员对拟南芥中一个靶向线粒体的PPR蛋白EMS1进行了研究，发现ems1突变体表现出典型的线粒体呼吸链复合物I (Complex I) 缺陷特征，如矮小和叶片扭曲等。通过BN-PAGE和Western blot分析证实，EMS1的缺失影响了线粒体Complex I的生物发生，并激活了替代呼吸途径。通过线粒体基因组水平的qRT-PCR和RNA印记实验，发现在ems1突变体中编码Complex I的一个亚基nad2前体mRNA（即nad2外显子1-2前体mRNA）的稳定性降低。进一步的免疫共沉淀-qPCR实验表明，EMS1蛋白结合于nad2外显子1-2前体mRNA的3' 末端。接着作者利用环式RT-PCR实验比较了野生型和ems1突变体中nad2前体mRNA的3'末端位点，发现了两种长度的转录本，其中短转录本的产生依赖于EMS1蛋白。因此，与之前发现的线粒体稳定因子（如MTSF2、MTSF3）不同，EMS1蛋白可能通过招募核酸内切酶对nad2前体mRNA的3' 末端进行加工，产生了较长的转录本。同时，EMS1蛋白结合于较短转录本的末端，作为"路障"防止了核酸外切酶的切割，确保其稳定性。这项研究揭示了植物线粒体转录后调控的一种新型分子机制，即RNA结合蛋白可通过招募核酸内切酶并结合核酸外切酶来调控线粒体转录本3' 末端。这对于理解植物细胞中线粒体功能调控具有重要意义。

此外，作者还对拟南芥线粒体基因组中五个反式剪接内含子的前体RNA的3' 端加工进行了分析，结果表明植物线粒体内含子前体的3' 末端加工和稳定涉及到不同的分子机制。最初的观点认为加工过程涉及到RNA结合蛋白结合在转录本的3' 末端，阻止核酸外切酶降解，而本研究暗示存在着两步加工机制，包括核酸内切和后续的外切，也可以解释植物线粒体前mRNA的3' 末端形成。

法国农业科学院王传德博士为论文的第一作者，Hakim Mireau资深研究员为通讯作者。该研究得到了法国国家科研署、巴黎萨克雷植物科学研究中心的资助。

据悉，王传德博士主要从事植物细胞器基因表达分子机制及其在有性繁殖中的作用等相关研究，近年来取得了一系列研究成果：(1) 揭示了油菜Ogura型细胞质雄性不育的育性恢复分子机制，为基于细胞质雄性不育的分子设计育种提供了新策略。同时也揭示了新型的线粒体基因翻译调控模式，即核编码的RNA结合蛋白可抑制线粒体转录本的翻译延伸 (Wang et al., PNAS, 2021); (2) 揭示了核编码的核糖体式样uL18蛋白及PPR蛋白参与调控细胞器（线粒体和叶绿体）内含子剪切 (Wang et al., PNAS, 2020；Wang et al., JXB, 2018); (3) 阐明了PPR蛋白参与线粒体 3’ 端 RNA 加工成熟的多样性分子机制 (Wang et al., Nucleic Acids Research, 2017 & 2023；Wang et al., Plant Physiology, 2022). 这些研究大大丰富了人们对植物核质互作及细胞器基因表达的认识。

王传德博士将加盟上海交通大学，组建独立实验室，担任PI/博士生导师。课题组拟招收研究生、博士后和科研助理若干，欢迎具有植物分子生物学、遗传学、园艺学或相关学科背景和兴趣的优秀青年加入，共同探讨生命的奥秘，助力新农科发展。联系方式：wangchuande1126@outlook.com.

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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