植物新型结构化RNA类别的鉴定与功能表征：调控可变剪接和NMD的保守机制

这篇综述通过比较基因组学方法系统鉴定了植物中16种新型结构化RNA（strucRNA），重点解析了5个通过可变剪接（AS）和 nonsense介导的mRNA降解（NMD）途径实现顺式调控（cis-regulation）的功能性RNA结构。研究揭示了植物RNA二级结构与基因表达调控的进化保守性，为理解非编码RNA在转录后调控中的作用提供了新视角。

　　

引言

结构化非编码RNA（strucRNA）在基因调控中扮演关键角色，但植物中的研究远落后于细菌和动物领域。已知的植物顺式调控strucRNA仅包括硫胺素焦磷酸（TPP）核糖开关、RNA温度传感器和植物5S核糖体RNA模拟物（P5SM）。这些RNA通过影响前体mRNA的可变剪接（AS）来调控基因表达，例如改变蛋白质功能或触发无义介导的mRNA降解（NMD）。本研究采用基于共变异（covariation）的比较基因组学策略，对130种植物基因组进行系统性筛查。

材料与方法

研究团队建立了两阶段分析流程：首先利用拟南芥（A. thaliana）和水稻（O. sativa）的蛋白质同源聚类确定基因家族，随后从相关非编码区（NCR）中提取序列。通过CMfinder预测RNA二级结构，并采用R-scape评估共变显著性。实验验证包括拟南芥NMD缺陷突变体（lba1、upf3-1及双突变体）的RT-PCR分析，以及跨物种剪接变体验证。

主要发现

顺式调控strucRNAs与NMD的关联

研究鉴定出5个与NMD相关的功能性strucRNA：

1. DEAD基序：位于DEAD-box RNA解旋酶基因内含子中，覆盖可变3'剪接位点。在拟南芥中验证其通过形成发夹结构调控RH14基因表达，突变体实验显示NMD靶向的alt3变体积累增加。该结构在陆地植物中高度保守，R-scape评估共变E值达4.39×10^-3。

2. 45ABC基序：存在于RNA结合蛋白RBP45家族基因中，调控外显子跳跃事件。尽管共变E值不显著（0.9），但其在112种开花植物中的定位保守性，以及拟南芥中证实的NMD靶向机制，暗示其通过自体调控影响剪接选择。

3. GRP7&8基序：位于甘氨酸富集RNA结合蛋白基因内含子，具有20bp的共变茎区（E值3.6×10^-2）。其保守的"GU"剪接位点与已知的自体调控环路相符，可能通过结构变化暴露隐蔽剪接位点。

4. PTB2基序：在多聚嘧啶束结合蛋白基因中发现，其终端环含"GUGUGU"剪接位点共识序列。虽共变支持较弱（E值0.87），但定位在调控已知的PTB1/2依赖性外显子跳跃区域。

5. BPM1&2基序：在31种蔷薇类植物中保守存在，与Cullin E3泛素连接酶复合体基因的可变剪接相关。结构预测显示中心膨环的发夹，可能影响转录因子结合。

非NMD相关strucRNAs

包括MAF1、UbiE2等5个基序，虽在同源基因中定位保守，但缺乏NMD关联证据。例如MAF1基序内含子区域与tRNA样ncRNA CPIR-1相邻，可能参与RNA聚合酶III转录抑制。

新型snoRNA候选物

鉴定出4个符合C/D框或H/ACA框特征的snoRNA：

• PRP38-HACA：含非典型H-box（ANANNRA）和可变ACA-box，存在于102种开花植物pre-mRNA剪接因子基因中

• MPCRibo-HACA：与核糖体蛋白基因共定位，暗示rRNA修饰功能

• Mamiellales-CD：绿藻特有的C/D框结构

• EIF3G1&2-HACA：与真核起始因子3亚基基因内含子相关，拟南芥中已注释为snoRNA

讨论与展望

相比细菌研究中发现的数百个strucRNA，植物中仅鉴定出16个候选物，反映其共变信号较弱的特点。这可能源于：1）可用基因组数据有限（仅130种vs细菌>10,000种）；2）植物进化时间较短（10亿年vs细菌30亿年）；3）现有方法对低共变strucRNA的敏感性不足。

研究证实共变异分析对植物snoRNA发现效果显著（所有预测E值<2×10^-3），但对顺式调控strucRNA的预测效能较低。未来需要整合更多组学数据和实验方法，如体内结构探测技术，以揭示隐蔽的调控RNA结构。两个已预测的基序（DEAD和45ABC）正在开展深入的分子机制研究，将为植物RNA结构生物学开辟新方向。