植物中染色质相关蛋白编码转录本对靶基因表达的调控

《SCIENCE》：Regulation of target gene expression by chromatin-associated protein-coding transcripts in plants

非编码RNA，例如小干扰RNA和微小RNA，在调控植物基因表达中发挥重要作用。Han等人在此展示，除了其蛋白质编码功能外，某些转录本（如BT2和GSL8）还能与其他基因位点相互作用，并以蛋白质非依赖的方式调控其表达。在BT2的情况下，该转录本与其靶标CEP2和MRF4形成RNA-DNA三螺旋结构，进而促进这些靶位点形成抑制性染色质状态，从而抑制其转录。因此，这项工作扩展了植物中具有调控潜力的RNA分子的范畴。——Unnati Sonawala和Madeleine Seale真核生物基因组发生广泛转录，产生多种多样的细胞RNA，包括蛋白质编码信使RNA（mRNA）和非编码RNA。非编码RNA被公认可通过染色质关联来调控转录程序。相比之下，蛋白质编码mRNA长期以来一直被视为仅仅是将遗传序列从DNA传递至功能性蛋白质的信息中间体。mRNA是否具有独立于其编码蛋白质产物的内在调控活性，目前尚不明确。拟南芥中RNA与染色质相互作用的基因组范围谱系分析发现，大量蛋白质编码转录本结合于其自身转录单元之外的远端基因组位点。这种广泛的跨位点染色质关联提出了蛋白质编码转录本可能类似于调控性非编码RNA来调节靶基因表达的可能性。因此，我们系统表征了与染色质关联的蛋白质编码转录本，解析了染色质靶向的分子机制，并定义了它们在基因调控和植物发育控制中不依赖蛋白质编码的功能。我们鉴定了拟南芥中686个介导跨位点染色质相互作用的蛋白质编码转录本。对两个代表性转录本BT2和GSL8的功能解析揭示了与其蛋白质产物解耦的稳健调控功能。与染色质富集的BT2转录本在CEP2和MRF4位点形成位点特异性的RNA-DNA三螺旋结构，促进抑制性组蛋白修饰H3K9me2和H3K27me3的沉积以抑制靶标转录，从而调控主根伸长和花发育转变。与此同时，GSL8转录本通过不依赖三螺旋的机制抑制一组包括MAT3在内的靶基因。互补实验、无义突变筛选和等位基因特异性表达分析等多方面的遗传学证据证实，BT2和GSL8的转录调控活性完全独立于相应的蛋白质功能。本研究确立了一个范式，即蛋白质编码转录本独立于其蛋白质编码能力，执行内在的、非经典的表观遗传和转录调控功能。我们揭示了mRNA介导染色质调控的两种不同机制模式，展示了mRNA超越其经典编码作用的功能多样性。这些发现打破了编码与非编码RNA之间长期存在的功能界限，修订了mRNA活性的经典定义，并推进了我们对调控真核生物基因表达的多层次表观遗传调控网络的机制理解。蛋白质编码转录本被认为是介导DNA到蛋白质信息流的中间体，其非编码调控潜力在很大程度上被低估。拟南芥中RNA与染色质相互作用的基因组范围谱系分析揭示了蛋白质编码转录本与不同基因组位点之间存在广泛的关联，暗示它们具有调控功能。在此，我们发现BT2和GSL8转录本通过不同机制独立于其蛋白质产物调控靶基因转录。BT2转录本通过形成RNA-DNA三螺旋抑制其靶标CEP2和MRF4的转录，从而限制根系生长并促进开花，而GSL8则通过不依赖三螺旋的途径发挥作用。我们的发现揭示了蛋白质编码转录本的内在调控活性，挑战了mRNA功能的经典定义，并在基因组进化的背景下模糊了编码RNA与非编码RNA之间的功能区别。