国立中兴大学:microRNA827的靶基因在植物界的进化

【字体: 时间:2018年04月17日 来源:联川生物

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  本研究确定了植物进化过程中miR827靶标偏好的转变,并揭示了保守植物miRNAs中miR827介导的调控独特性。尽管其靶标偏好发生改变,但Pi饥饿对miR827的上调及其调节细胞Pi稳态的作用均被保留。

  

microRNAs(miRNAs)为长度20~24nt的非编码RNA,是参与植物和动物许多生理和发育过程的重要调节因子。植物miRNA识别大部分存在于编码序列(CDS)中的几乎互补的序列,靶向导致RNA剪切或翻译抑制。因此,当预测miRNA靶标时,需考虑诸如靶位点的位置,紧密物种中的靶基因的保守性,miRNA和靶基因的表达谱,靶位点的二级结构和结合miRNA所需的能量等因素。

microRNA827(miR827)不同于大多数保守靶向物种间同源基因的microRNAs,它们靶向两种不同类型的SPX(SYG1/PHO81/XPR1)——含有此结构域的基因,氮限制适应(NLA)和植物磷酸盐转运蛋白5(PHT5)在拟南芥和水稻中分别调节磷酸盐(Pi)的运输和储存,表明其可能在种子植物进化过程中保留了其靶基因偏好。然而,miR827如何改变其靶标的偏好及其进化史仍然未知。

本研究选择来自6个科的12个种来分析miR827和miR399的表达:十字花科的拟南芥生态型Columbia(Col-0)和芸苔,番木瓜科的番木瓜,茄科的番茄和本氏烟,葫芦科的西瓜,豆科的蒺藜苜蓿、菜豆和大豆,禾本科的水稻、短柄草和玉米。用充足的磷酸盐(Pi)(+ Pi,250μM)或Pi(ΔPi,0μM)缺乏的0.59 Hoagland’s 营养液处理以上植物幼苗5天。根据实验需要取相关部位(幼芽、根)中分离提取RNA备用。

基于目标预测分析,本研究发现在大多数被子植物中,miR827保守地靶向PHT5同系物,但是在十字花科和醉蝶花科中它优先靶向NLA同源物,并且本研究提供了在十字花科进化期间靶标偏好转变的证据。有趣的是,本研究在豆科植物中发现了miR827调控模块的谱系特异性丧失。在拟南芥中分析miR827介导的切割效率和PHT5的表达,结果表明通过在靶位点积累突变并去除靶位点从而改变转录起始,消除了miR827靶向PHT5。

本研究确定了植物进化过程中miR827靶标偏好的转变,并揭示了保守植物miRNAs中miR827介导的调控独特性。尽管其靶标偏好发生改变,但Pi饥饿对miR827的上调及其调节细胞Pi稳态的作用均被保留。


 
图miR827的进化史及其靶点

本研究表明,虽然miR827响应磷酸盐饥饿的上调在多种植物物种中是保守的,其靶向偏好在十字花科和醉蝶花科物种形成期从PHT5转换为NLA。NLA是十字花科物种中的靶基因,参与调节质膜中的Pi摄取,而PHT5是非十字花科物种中的靶基因,介导液泡中Pi的跨膜运输。有趣的是,NLA和PHT5基因都编码含N-末端SPX结构域的蛋白质,并在其5’非翻译区(UTR)中含有miR827靶位点。因此,尽管在进化过程中miR827的靶标发生了变化,但两种靶基因在基因结构上具有一定的相似性,并且通过不同的机制参与调节细胞内磷的平衡。本研究揭示了植物保守miRNA家族中miR827介导的调控的进化历史和独特性。


 
图 PHT5和NLA中miR827靶位点的共有序列

参考文献
Lin W Y, Lin Y Y, Chiang S F, et al. Evolution of microRNA827 targeting in the plant kingdom[J]. New Phytologist, 2018, 217(4).

本研究中的降解组测序由联川生物提供

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