拟南芥Argonaute1在细胞核内调控基因表达的机制

As effectors in the RNAi pathway, Argonaute (AGO) family proteins bind to small RNAs, to regulate gene expression at transcriptional or post-transcriptional levels. Some recent studies have shown that in addition to their roles in the RNAi pathway, some AGOs can also modulate gene expression through several other mechanisms. Arabidopsis AGO1 is known to bind to miRNAs and cleave target mRNA in the cytoplasm. However, we found that a considerable amount of AGO1 is also present in the nucleus. Using ChIP-seq analysis, we identified 1,858 AGO1 binding sites in the Arabidopsis genome. Furthermore, we found that the expression of some AGO1 target loci is de-repressed in an ago1 mutant, indicating that AGO1 can bind to specific chromatin sites and regulate their expression. In this project, we aim to dissect the mechanisms through which AGO1 binds to chromatin, and we will also study how AGO1 regulates the expression of the target loci. Results from this project will reveal an unsuspected role for AGO1 in regulating gene expression the nucleus and the mechanisms underlying such regulation. This will also provide novel general insights into the functions of AGO family proteins.

Argonuate (AGO)家族蛋白作为RNAi通路中的效应蛋白，可特异性地结合各种小RNA，在转录或转录后水平调节基因表达。最近也有研究表明，一些AGO蛋白除了在典型的RNAi通路中的作用外，还可以通过其它机制调节基因表达。拟南芥AGO1主要在细胞质中结合miRNA并以切割靶mRNA的方式调节基因表达。然而，我们发现也有相当一部分AGO1蛋白位于细胞核中，这意味着AGO1可能还在细胞核内另有功能。用ChIP-seq的方法，我们发现AGO1可特异性地结合到1858染色质位点。其中部分靶基因的表达水平在ago1的突变体中有显著的上升，这表明AGO1可以结合特定染色质靶位点，并调节基因表达。本项目拟在此发现的基础上，深入研究拟南芥AGO1结合染色质并调节靶基因表达的作用机制。本项目的研究将有望揭示AGO1调节基因表达的新机制，拓宽和加深我们对植物AGO家族蛋白功能的认识。

Argonaute (AGO) 蛋白是真核生物中一类高度保守的蛋白。AGO蛋白通过结合小RNA从而形成RNA沉默复合体, 并在转录水平和转录后水平抑制基因表达。拟南芥中的AGO1蛋白主要结合miRNA, 在细胞质中通过切割靶基因mRNA或者抑制翻译过程从而在转录后水平抑制基因表达。.在本项目的资助下，我们探索了细胞核AGO1在转录水平正调控靶基因表达的机制和生物学意义。我们发现AGO1存在于染色质组分中并在全基因组水平鉴定了940个AGO1染色质结合位点, 并且发现AGO1蛋白倾向于结合基因编码区域。进一步的研究发现，AGO1蛋白可以正调控其结合基因的表达，并且这种调控发生在转录水平。AGO1缺失会导致其结合基因的转录速率下降，同时会导致RNA Pol II在其结合基因的富集能力下降。研究发现sRNA对AGO1与染色质的结合是必需的。我们还发现AGO1能与SWI/SNF染色质重塑复合体相互作用，并且SWI/SNF染色质重塑复合体对AGO1结合染色质并促进基因表达是必需的。通过基因功能富集分析发现, AGO1结合基因的功能显著富集在响应内外环境刺激方面。为了深入研究AGO1结合刺激响应基因的生物学意义, 我们选取了茉莉素、生长素 、水杨酸三种激素、一种生物胁迫(flg22)以及一种非生物胁迫（低温）作为刺激信号处理拟南芥, 并研究AGO1在这些刺激情况下的生物学功能。研究发现上述刺激均可以促进AGO1蛋白特异性地结合刺激响应基因。以JA信号通路为切入点, 进一步研究核内AGO1在某一特定信号通路中的功能。我们发现AGO1可以通过结合JA响应基因并激发其表达, 在JA信号通路中发挥重要作用。. 综上所述, 本研究发现了拟南芥AGO1在细胞核内促进基因转录的新功能, 并进一步揭示了细胞核AGO1调控基因转录的分子机制, 使人们对AGO1在传统RNAi通路以外的功能有了更深入的理解。同时揭示AGO1可能通过结合染色质从而直接促进特定刺激响应基因转录，而在多个信号通路和相关生物学过程中发挥重要作用。.本项目已在Developmental Cell、Molecular Cell、Nature Plants、Molecular Plant和Plant Cell等国际重要刊物发表论文6篇。项目负责人获2016年度国家自然科学二等奖和2017年度全国创新争先奖状。.