植物小非编码RNA的识别和调控的分子基础

In most eukaryotes, RNA silencing is a very conserved mechanism for gene regulation, by which the small non-coding RNAs specifically silence the target genes through sequence specific base pairing. This mechanism is widely used in study of gene function in research laboratories, and may be developed as a new therapy for curing human diseases and a new technique for increasing crop production. In plant, the biogenesis and biological functions of various small non-coding RNAs depend on two kinds of divergent proteins: Dicer like proteins (DCLs) that are double-stranded RNA ribonucleases required for small RNA production, and Argonautes (AGOs) that are core components for RNA induced silencing complexes (RISCs). Different RNA exonucleases (e.g. SDN1) and modifying enzymes (e.g. NTP4) play essential roles in small RNA metabolism. However，many plant specific mechanisms are only known very little in molecular level, which prevents the development and application of RNA silencing technique in plants. In this proposal, important proteins and their RNA complexes involved in biogenesis, function and metabolism of various small non-coding RNAs will be studied in combination of different structural and biochemical techniques, aiming to uncover the plant specific molecular mechanism and structural basis for RNA silencing and contribute accelerating the application of RNA silencing technique for increasing crop production.

在大部分真核生物中，RNA沉默是一种非常保守的基因调控机制，其核心是小非编码RNA通过序列匹配特异性地沉默目的基因。这一机制已经被实验室广泛应用于基因功能研究，并可能发展成为人类疾病治疗和农作物增产的崭新技术。然而，对小非编码RNA在植物中的许多特异性的产生机制及其功能还缺乏深入研究，阻碍了RNA沉默技术在植物领域的应用和发展。本项目将综合运用结构生物学和生物化学等多种手段研究参与植物不同小非编码RNA的产生、功能及其稳定性调控的重要蛋白质及其RNA复合物，围绕小非编码RNA产生所必须的RNA内切酶Dicer和RNA诱导沉默复合体（RISC）中核心蛋白AGO，以及调控小非编码RNA稳定性的外切酶SDN1和3'端尿苷酰化酶NTP4的结构和功能，揭示植物特异性的小非编码RNA的分子识别和调控机制，旨在为促进RNA沉默技术在农作物增产中的广泛应用提供基础。

在大部分真核生物中，RNA沉默是一种非常保守的基因调控机制，其核心是小非编码RNA通过序列匹配特异性地沉默目的基因。这一机制已经被实验室广泛应用于基因功能研究，并可能发展成为人类疾病治疗和农作物增产的崭新技术。然而，对小非编码RNA在植物中的许多特异性的产生机制及其功能还缺乏深入研究，阻碍了RNA沉默技术在植物领域的应用和发展。本项目综合运用了结构生物学和生物化学等多种手段，广泛研究了参与植物不同小非编码RNA的产生、功能及其稳定性调控的重要蛋白质及其RNA复合物，主要围绕核心蛋白AGO和Dicer及其调控蛋白DRB4的抑制蛋白PSR2，和调控小非编码RNA稳定性的外切酶SDN1，以及植物特异的RNA聚合酶Pol IV和RDR2等，阐明了拟南芥AGO5特异性识别5'端C的结构基础，来源于大豆疫霉菌的PSR2蛋白的特殊结构及其可能调控DRB4的机制，以及PolIV的4/7亚基复合物的结构特征及其调控Pol IV活性的机制和RDR2的初步冷冻电镜研究结果，尤其重要的是阐明了SDN1识别RNA底物的复合物结构和触发AGO结合的miRNA降解的分子机制。这些结果揭示了植物特异性的小非编码RNA的生成和代谢过程中的分子识别及其调控机制，为促进RNA沉默技术在农作物增产中的广泛应用提供了基础。在本项目资助下，已在Nature Communication，PLoS Biology，Nucleic Acids Research和Scientific Reports等国际重要刊物发表论文5篇，3篇论文在投稿中。