拟南芥tsRNA的产生及作用机制研究

A new class of transfer RNA-derived small RNAs (tsRNAs) has recently been reported in multiple organisms. tsRNAs might be involved in gene regulation. Well-documented sRNAs such as microRNAs and siRNAs are processed by Dicer proteins, and they mainly regulate gene expression through mRNA cleavage or translation repression at transcriptional level or post-transcriptional level. The biogenesis and biological function of tsRNAs remains largely unknown. Through analysis of high-throughput sRNA-seq data, applicants have identified a large amount of tsRNAs in Arabidopsis. This project will explore the biogenesis and function of tsRNAs: 1) identifying the key enzymes required for tsRNA production; 2) testing the interaction between tsRNAs and AGOs; 3) exploring biological function and gene regulation by tsRNAs. Results from this project will provide novel insights into function and mechanism of tsRNAs.

最近在多个物种中发现了一类新的来源于tRNA区域的小RNAs（tsRNAs），这类小RNA（sRNA）可能参与基因表达调控。已被广泛研究的microRNAs和siRNAs是被Dicer蛋白切割产生，并通过碱基互补配对方式识别靶基因，进而切割靶基因mRNA或抑制靶基因翻译，从而在转录水平或转录后水平抑制基因表达。但是目前尚不清楚tsRNAs是如何产生的并且又是如何调控基因表达的。申请人通过对拟南芥sRNA高通量测序数据的分析，鉴定到多个新颖tsRNAs。本项目拟通过系统探究tsRNAs产生的机制和tsRNAs的生物学功能。研究内容主要包括鉴定参与tsRNAs产生的关键酶，确定tsRNAs是否与AGO蛋白互作，探索tsRNAs的生物学功能及调控基因表达方式。本研究结果对全面深入的认识tsRNAs有重要指导意义。

在人和动植物中，tRNAs可以被切割加工产生多种tRNA衍生小RNAs。在植物中，5' tRNA halves和5' tsRNAs是丰度最高的两类tRNA衍生小RNAs，但目前并不清楚其产生机制及生物学功能。. 在本项目的资助下，我们发现5' tsRNAs由RNS1和RNS3介导产生。我们利用RNA测序方法分析了rns1-3和rns3-2突变体的基因表达谱，发现突变体中大量参与植物抗真菌的茉莉酸信号通路基因上调表达，说明RNS1和RNS3通过产生5' tsRNAs，负调控植物对真菌的抗性。进一步研究发现一个丰度最高的5' tsRNA——5' tsR-Ala，可以与AGO1结合并切割与其序列互补配对的靶标基因Cytochrome P450 71A13 (CYP71A13)。5' tsR-Ala通过负调控CYP71A13基因的表达和植保素积累参与负调控植物对灰霉菌的抗性。特别有意思的是，我们发现植物在受到灰霉菌侵染时，包括5' tsR-Ala在内的众多5' tsRNAs积累水平下降。本课题发现5' tsRNAs产生需要RNS1和RNS3并揭示了5' tsR-Ala在调控植物抗真菌过程的重要作用。相关研究成果已发表在《中国科学》（SCIENCE CHINA Life Sciences）上。