拟南芥中一个长非编码RNA调控基因表达的机理研究

LncRNAs (long non-coding RNAs) are defined as transcribed RNA molecules greater than 200 nt in length, but having no obvious protein coding capacity. They are involved in many important biological processes in plants, such as vernalization, pollen development, regulation of miRNA activity, and maintenance of epigenetic information. However, only a few functionally characterized lncRNAs are available. We identified more than 1,000 lncRNAs of Arabidopsis by combining high throughput sequencing and bioinformatics analysis. One of them, named lncRNA_998, shows the specific in vivo association with PRC2. Gene expression analysis shows a negative correlation between lncRNA_998 and neighboring gene (At4G13560) expression, and a positive correlation between lncRNA_998 expression and H3K27me3 accumulation. The previous data suggests that AT4G13560 might be negatively regulated by lncRNA_998 through PRC2. So, we propose to determine the molecular mechanism of lncRNA_998 by combining genetics and biochemistry approaches.

长非编码RNA（lncRNA）是指长度大于200个核苷酸，但不能编码蛋白质的RNA。几个已知的植物lncRNA参与重要的生物学过程，例如：春化作用、配子发育、miRNA活性的调节和表观遗传学信息的维持。然而，绝大部分植物lncRNA的分子机制还很不清楚。我们在拟南芥中通过高通量测序鉴定了一个lncRNA (lncRNA_998)。它的表达与其邻近基因的表达呈现负相关、与邻近基因位点H3K27me3修饰呈现正相关。RNA免疫共沉淀实验证明lncRNA_998与PRC2复合体相互作用，因此，我们推测lncRNA_998的功能是参与PRC2复合体对邻近基因AT4G13560的调控。本项目中，我们将综合遗传学、生物化学的方法，深入研究lncRNA_998在调控基因表达的分子机制。

长非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一类不能编码蛋白质的RNA。先前的研究认为lncRNA可以帮助招募PRC2复合体到靶标基因。然而，PRC2复合体在细胞内可以结合多种多样的RNA，不仅仅是lncRNA。PRC2结合的很多RNA来自高转录的基因，并且这些RNA尚未发生剪接，但是这些RNA并没有明显的序列或者结构特征，PRC2在体内结合这些RNA的生物学意义一直还不清楚。我们通过生物信息学分析发现了一条拟南芥中转录的长非编码RNA，lncR998。lncR998的转录本长度大约是14kb，转录本的3’末端与基因AT4G13560相重叠。转录水平的相关性分析证明lncR998与AT4G13560在表达水平上存在负相关性。进一步的RNAi干扰实验证明，抑制lncR998的表达将释放AT4G13560的表达。AT4G13560和lncR998受到植物激素ABA的调控，对拟南芥幼苗外源施加ABA的将抑制lncR998的表达，同时释放AT4G13560的表达。AT4G13560基因受到PRC2复合体的调控，PRC2核心蛋白的突变会导致AT4G13560基因的上调表达。PRC2复合体核心蛋白CLF的RIPseq中富含lncR998的信号，说明在细胞内，lncR998能够结合PRC2复合体。实验证明，抑制lncR998的表达，将降低AT4G13560基因位点组蛋白H3K27me3的修饰水平。同样，通过外源施加ABA来抑制lncR998的表达，将降低AT4G13560的基因位点组蛋白H3K27me3的修饰水平和PRC2复合体的结合水平。lncR998具有特殊的分子生物学特性，其转录本在染色体上有较高的丰度，转录本非常容易被降解。通过反向遗传学的筛选，我们找到几个核酸外切酶参与lncR998的降解过程。非常有趣的是，这些核酸外切酶同样参与AT4G13560基因的释放、AT4G13560基因位点PRC2的结合水平和H3K27me3修饰水平的调控。全基因组水平的分析发现，PRC2结合的长非编码RNA普遍具有更容易降解、染色体富集等特性，说明核酸外切酶参与的染色体RNA降解过程与RNA介导的PRC2复合体招募过程之间具有紧密的联系，为RNA介导的PRC2复合体靶标基因的识别和招募，提供了新的证据。