拟南芥核苷酸转移酶HESO1、URT1协同参与mRNA降解代谢的机理研究

The process of mRNA degradation is considered to be pivotal part of mRNA abundance regulation. 3’ uridylation emerges as key modification promoting mRNA degradation in eukaryotes, but the mechanism remains largely unknown in plants. In this study, we explores the function and significance of HESO1 and URT1 in mRNA uridylation. Analysis of high order mutants of HESO1, URT1, XRN4 and SKI2 demonstrates the redundancy and specificity of HEOS1 and URT1 in mRNA degradation. Through this study, we aim to show the importance and specificity of HESO1 and URT1 in mRNA turnover and the downstream mechanism for uridylated mRNA decay. Our results will present a new sight into mRNA stability regulation.

3’末端的尿苷化修饰对mRNA的稳定性有重要影响。植物中mRNA的尿苷化修饰及后续降解机制仍知之甚少。本项目拟对拟南芥核酸转移酶HESO1、URT1参与mRNA尿苷化修饰的分子机制及调控功能展开研究。通过构建HESO1、URT1与mRNA降解关键基因（XRN4、SKI2等）的多突变体组合，观察发育及分子表型，进而判断HESO1、URT1在介导mRNA尿苷化功能中冗余性及特异性，以及其尿苷化功能的重要性。利用拿到的多突变体材料，进一步综合遗传学、分子生物学、生物化学等研究手段，试图鉴定HESO1、URT1在底物识别上的异同点，并揭示尿苷化mRNA的后续降解机制。通过本项目的研究，将阐明HESO1、URT1在mRNA降解代谢中的调控作用及其生物学意义，研究结果也将拓展我们对mRNA降解代谢的认知。

RNA 3’末端尿苷化修饰（RNA uridylation）是一种重要的转录后修饰方式，广泛存在于真核生物中。尿苷化对RNA的稳定性起重要调控作用，如尿苷化的RNA会进一步被下游因子（如核酸外切酶）识别，继而引发RNA失稳或降解。植物中存在多种RNA降解途径，对细胞内的RNA进行质量监控或主动清除。参与胞质mRNA降解的主要成员包括3’到5’的核酸外切酶XRN4和5’到3’的外切体（exosome）及SKI复合体（SKI2/SKI3/SKI8）。其中SKI复合体介导靶标RNA的解旋和线性化，协助外切体清除mRNA。当正常的mRNA降解途径受阻时，异常积累的mRNA会被RNA依赖的RNA聚合酶RDR6加工成双链RNA，双链RNA经植物体内Dicer酶（DCL2/4）加工，产生“非法”siRNA（illegitimate siRNA）。这些siRNA通过顺式或反式作用反馈切割靶标RNA，从而导致siRNA的大量扩增。在植物中，关于RNA尿苷化机制及尿苷化在mRNA降解代谢中的功能认知十分有限，RNA尿苷化对植物发育调控的重要性也并不清楚。本项目通过构建拟南芥RNA尿苷化酶HESO1、URT1和RNA降解相关的系列突变体，发现heso1 urt1 ski2突变体叶片明显黄化，光合能力减弱，植物生长迟缓。全基因组sRNA-seq鉴定到157个编码蛋白的基因位点显著积累了“非法”siRNA，其中卡尔文循环关键酶基因TKL1位点积累的“非法”siRNA丰度最高，达到“非法”siRNA总量的1/3。同时，转录组测序表明在产生“非法”siRNA的编码基因中，TKL1的表达丰度严重降低，而其他基因的表达丰度则未受显著影响。代谢组分析显示，heso1 urt1 ski2突变体中卡尔文循环代谢产物积累紊乱，光合能力显著降低。进一步研究表明，“非法”siRNA是造成TKL1及其同源基因TKL2的表达丰度下调的原因，阻断siRNA合成途径可以恢复heso1 urt1 ski2突变体中TKL1/2的表达丰度和叶片黄化表型。本研究揭示了植物RNA尿苷化酶HESO1、URT1和SKI复合物成员SKI2协同参与TKL1 mRNA的质量监控，抑制“非法”siRNA的积累，确保植物光合作用的有序进行。