综述：植物核mRNA中多聚腺苷酸化位点选择的调控

《Environmental and Experimental Botany》：Regulation of polyadenylation site choice in plant nuclear mRNA

多聚腺苷酸化（APA）通过选择不同polyadenylation信号位点（PAS）调控植物转录本多样性及胁迫响应，主要分为5’UTR-3’UTR、3’UTR-3’UTR、内含子-3’UTR、CDS-3’UTR和CDS-CDS五种类型。PAS转换受蛋白因子（如CPSF、CstF、FIP1、FY等）、环境胁迫（盐、干旱、镉、病毒等）及表观遗传修饰（m?A、组蛋白修饰）调控，影响基因表达、蛋白功能及抗逆性。

　　在植物生长和发育过程中，聚腺苷酸化（Polyadenylation, APA）是一种关键的后转录调控机制，其作用不仅限于mRNA的成熟，还对基因表达的多样性以及植物对环境胁迫的适应性具有深远影响。聚腺苷酸化机制涉及一个复杂的多蛋白复合体，它能够识别特定的序列信号并确定聚腺苷酸化位点（PASs）。在许多基因中，存在多个PASs，这种现象使得植物能够通过选择不同的PASs生成不同长度的mRNA变体，从而调控基因表达的动态变化。这些变化不仅影响mRNA的稳定性、翻译效率，还可能改变蛋白质的功能特性，进而影响植物的生理状态和适应能力。然而，目前对于植物中PAS选择的具体分子机制仍不完全清楚，本文旨在综述PAS选择变化的类型、生物学功能以及调控因素，以揭示其背后的调控网络。

聚腺苷酸化过程通常包括两个步骤：剪切和聚腺苷酸化。在哺乳动物中，AAUAAA是典型的PAS序列，占基因总数的超过50%。然而，在植物中，这种序列的使用频率显著降低，仅为约10%。这表明，植物中PAS的选择可能依赖于不同的调控机制。除了PAS序列本身，周围序列的组成、蛋白质修饰以及潜在的未被鉴定的调控因子都可能影响PAS的识别和结合。因此，研究植物中PAS选择的变化对于理解基因表达调控机制至关重要。

根据现有的研究，PAS选择变化主要分为五种类型：5’非翻译区（5’UTR）-3’非翻译区（3’UTR）的PAS切换、3’UTR内的PAS切换、内含子-3’UTR的PAS切换、编码序列（CDS）-3’UTR的PAS切换，以及CDS内的PAS切换。每种类型的PAS切换都与特定的生物学功能和调控机制相关。例如，5’UTR-3’UTR的PAS切换通常涉及特定的基因调控，而3’UTR内的PAS切换则与mRNA的稳定性、翻译效率以及miRNA的调控有关。内含子-3’UTR的PAS切换可能影响蛋白质的结构和功能，而CDS-3’UTR的PAS切换则可能导致翻译的截断或延伸。CDS内的PAS切换则与特定的基因表达调控相关，可能影响蛋白质的活性或功能。

这些PAS切换的类型和功能差异反映了植物中复杂的基因调控网络。例如，在拟南芥中，AtCstF77的突变导致了ARF9基因中PAS选择的变化，从5’UTR切换到3’UTR，这种变化可能与植物的生长发育和胁迫响应有关。同样，AtCPSF30的突变也会引起PAS选择的变化，影响NRT1.1等基因的表达。这些研究揭示了不同PAS切换类型与植物生理过程之间的关系，以及相关调控因子在其中的作用。

除了PAS选择的变化，植物还受到多种环境胁迫的影响，如高盐、低氮、干旱、高浓度生长素、高浓度镉、水稻条纹病毒和磷饥饿等。这些胁迫条件通常会导致PAS选择的改变，从而影响基因表达和植物的适应能力。例如，在高盐胁迫下，HKT1基因的PAS选择发生变化，导致3’UTR延长，可能增强其对盐胁迫的响应能力。在低氮条件下，NPR3基因的PAS选择发生变化，影响其对信号分子的响应，从而调节植物的氮代谢和免疫反应。干旱胁迫下，APX1等基因的PAS选择变化可能与抗氧化系统的调节有关，帮助植物应对氧化损伤。

此外，表观遗传调控在PAS选择中也扮演重要角色。例如，N6-甲基腺苷（m6A）修饰能够影响mRNA的稳定性、翻译效率以及APA过程。在拟南芥中，m6A修饰通常集中在终止密码子附近，有助于保护mRNA免受内切酶降解，从而维持其结构稳定性和翻译效率。同时，组蛋白修饰如乙酰化、甲基化、泛素化和SUMO化等，也会影响PAS选择。例如，组蛋白乙酰化可以改变染色质结构，促进PAS选择的灵活性，而组蛋白去乙酰化则可能抑制这种选择。这些表观遗传变化可能通过影响PAS识别和结合过程，从而调控基因表达。

在研究PAS选择变化的过程中，还发现了一些关键的调控因子，如AtCPSF30、AtCPSF100、AtFip1、FY、AtCstF64和AtCstF77等。这些因子通过不同的机制参与PAS选择过程，如识别特定的序列信号、调节PAS的使用频率、影响mRNA的稳定性等。例如，AtCPSF30作为CPSF亚复合体的一部分，能够识别AAUAAA信号并参与mRNA的成熟过程。而AtCstF77则与植物的生长发育、生长素信号和热应激响应密切相关。此外，一些RNA结合蛋白（RBPs）如HLP1和FPAs也参与了PAS选择的调控，通过影响mRNA的稳定性或翻译效率，调节基因表达。

这些研究结果表明，PAS选择变化是一个高度动态的过程，受到多种因素的调控。除了上述的蛋白质因子和表观遗传机制外，内含子剪接也在PAS选择中起到一定作用。内含子剪接过程涉及U2型剪接体，该剪接体能够识别特定的剪接位点，并通过剪切和连接过程完成mRNA的成熟。一些剪接因子如U1A、U1-70K、PTB、SRp20和p54nrb等也直接参与PAS选择的调控。此外，内含子剪接和PAS选择之间可能存在竞争关系，影响最终的mRNA结构和功能。

综上所述，植物中的PAS选择变化是一个复杂的调控过程，涉及多种分子机制和调控因子。这些变化不仅影响mRNA的稳定性、翻译效率和蛋白质功能，还可能通过改变基因表达模式，帮助植物适应不同的环境条件。尽管已有大量研究揭示了这一过程的某些方面，但仍有许多未知的调控因子和机制需要进一步探索。未来的研究可以结合多种技术手段，如PAS-seq、HITS-CLIP和ONT-RNA-seq等，进一步揭示PAS选择变化的分子基础，以及其在植物生长和发育中的作用。此外，利用生物信息学工具和三维结构分析，可以更深入地理解PAS选择变化与调控因子之间的相互作用，从而为植物基因表达调控提供新的视角和方法。