CMV非编码卫星RNA的起源和发生

　　

　　烟草植物感染黄瓜花叶病毒（Cucumber mosaic virus，CMV）以后，随着连续继代和病毒感染，一个长链非编码RNA（long non-coding RNA）神奇地出现并被称为CMV卫星RNA（satellite RNA，satRNA）。satRNA因能够利用CMV编码的复制酶进行复制并改变CMV的致病性，故被称为亚病毒（一种植物中最小的非编码的RNA病原体，non-coding subviral RNA pathogens）。长期以来对satRNA的起源有两种不同的观点：一种认为satRNA起源于CMV辅助病毒的基因组，另一种认为satRNA起源于宿主植物基因组。

　　为了揭示satRNA的起源和发生，中国科学院微生物研究所郭惠珊课题组通过对一包含satRNA片段的载体系统的研究，以及小分子RNA（siRNA）和DNA杂交检测，发现野生型烟草存在与satRNA同源的24-nt (nucleotide) siRNAs和DNA片段。siRNA高通量测序进一步发现，CMV侵染大量增加了这些24-nt siRNAs的积累，且多个siRNAs完全匹配并覆盖satRNA的多个区域；信息学分析发现这些siRNAs大多来源于烟草基因组的非编码DNA重复序列。结合课题组前期对CMV编码的沉默抑制子——2b蛋白——干扰RNA沉默和DNA甲基化的研究，提示CMV侵染可能激活这些非编码DNA重复序列而产生大量的24-nt siRNA，并由其逐渐形成依赖CMV复制的长非编码satRNA。郭惠珊课题组的研究为CMV satRNA起源于宿主基因组提供了基因组水平的证据。

　　CMV satRNA起源于植物基因组的观点，符合并解释了课题组以前发现的关于CMVsatRNA的多个生物学功能现象。尽管CMV通过辅助satRNA的大量复制，使之作为亚病毒RNA来捕获宿主RNA沉默，从而保护CMV自身基因组免受RNA沉默降解；郭惠珊课题组研究发现，satRNA的存在其实减轻了CMV的致病性；satRNA能特异干扰抑制子2b蛋白的积累，从而降低2b对宿主抗病毒RNA沉默的反抑制作用；而且来源于satRNA的一个siRNA（satsiRNA），能够通过特异剪切CMV基因组而降低病毒RNA的积累。这些发现都佐证了宿主来源的satRNA及其干扰CMV致病性的生物学功能。而CMV辅助satRNA复制则体现了CMV与宿主长期斗争互作过程的共进化。郭惠珊团队的研究丰富了当前植物长链非编码RNA产生机理及植物表观遗传调控途径参与抗病应答的基础理论。

　　该研究和澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）教授王明波实验室合作完成，研究结果发表于国际刊物PLoS Genetics上，郭惠珊课题组博士生赵建华为共同第一作者，郭惠珊为共同通讯作者。研究得到了国家科技部“973”计划和国家自然科学基金重大研究计划集成项目的资助。

　　烟草植物siRNAs 和三个株系CMV基因组比较分布图。(A)sRNAs fromuninfected N. tabacum plants. (B)sRNAs from CMV-infected N. tabacum plants.(C)the 14 sRNAs identified from CMV-infectedplants that map to the Y-SatRNA.

原文摘要:

Nicotiana Small RNA Sequences Support a Host Genome Origin of Cucumber Mosaic Virus Satellite RNA

Satellite RNAs (satRNAs) are small noncoding subviral RNA pathogens in plants that depend on helper viruses for replication and spread. Despite many decades of research, the origin of satRNAs remains unknown. In this study we show that a β-glucuronidase (GUS) transgene fused with a Cucumber mosaic virus (CMV) Y satellite RNA (Y-Sat) sequence (35S-GUS:Sat) was transcriptionally repressed in N. tabacum in comparison to a 35S-GUS transgene that did not contain the Y-Sat sequence. This repression was not due to DNA methylation at the 35S promoter, but was associated with specific DNA methylation at the Y-Sat sequence. Both northern blot hybridization and small RNA deep sequencing detected 24-nt siRNAs in wild-type Nicotiana plants with sequence homology to Y-Sat, suggesting that the N. tabacum genome contains Y-Sat-like sequences that give rise to 24-nt sRNAs capable of guiding RNA-directed DNA methylation (RdDM) to the Y-Sat sequence in the 35S-GUS:Sat transgene. Consistent with this, Southern blot hybridization detected multiple DNA bands in Nicotiana plants that had sequence homology to Y-Sat, suggesting that Y-Sat-like sequences exist in the Nicotiana genome as repetitive DNA, a DNA feature associated with 24-nt sRNAs. Our results point to a host genome origin for CMV satRNAs, and suggest novel approach of using small RNA sequences for finding the origin of other satRNAs.