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韓方普研究組在植物著絲粒研究取得重要進展

  基因組測序及解析以及新技術的廣泛應用,讓人們繼續探索著絲粒和端粒等染色體上高度重複區域在生命活動中的新功能。植物著絲粒含有豐富的重複序列,如串聯重複序列(Satellite)和反轉座子(Retrotransposon),參與基因組空間構象簣D毎分裂等重要的生物學功能。然而不同物種雙著絲粒染色體和新著絲粒染色體的不斷發現,說明著絲粒區域大量的重複序列既不是其功能的充分條件也不是必要條件(Birchler and Han 2018; Liu et al., 2015)。因此我們一直想知道著絲粒這些特異的重複序列在著絲粒功能和結構維持中發揮的作用以及著絲粒在失去活性和産生活性等過程的遺傳機制。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所韩方普研究组利用玉米为材料,利用着丝粒特异表观标记CENH3-RIP技術建立玉米著絲粒RNA文庫並通過高通量測序以及克隆篩選等方法,意外發現來自玉米著絲粒特異反轉座子序列CRM1通過反式剪切(Back splicing)的方式産生環RNA(圖1)。研究人員進一步通過分子生物學(Divergent primers PCRNorthern等)、基因組學和生物影像觀察(原子力顯微鏡)等方法證實重複序列來源的環狀RNA位于著絲粒區域。功能研究發現CRM1來源的環RNA通過R-loop結構結合在著絲粒區域,並影響著絲粒區域高級染色質結構,遺傳學的結果顯示環RNA水平的降低能夠影響CENH3核小体的定位。这些结果说明重复序列在着丝粒空间构象的维持和功能的发挥中发挥重要的作用(圖2)。 

  1: 玉米著絲粒反轉座子CRM1産生的環形RNA 

  韩方普研究组通過植物原生质体瞬时转化进行反式剪切体外实验,证实反转座子序列发生的反式剪切过程在含有大量反转座子的植物中发现(玉米,小麦,燕麦,高粱和大豆),然而在拟南芥和哺乳動物細胞系中沒有發現。小麥非編碼RNA数据也证实重复序列來源的環RNA在體內也真實存在,這些結果說明反轉座子反式剪切的過程非常保守。植物尤其是玉米、小麥等作物的基因組包含大量的反轉座子序列,這爲後續研究重複序列在植物基因組進化以及染色質結構中的功能提供了一個新的角度。 

  2 : CRM1産生的環RNA在著絲粒空間構象和功能維持中作用 

    

  該論文于2020129日在線發表于PLOS BiologyDO1:10.1371/journal.pbio.3000582),韓方普研究組已畢業博士研究生劉亞林和蘇漢東爲該文章的共同第一作者,韓方普研究員爲通訊作者。本項工作得到遺傳發育所曹曉風實驗室、生物物理所李國紅和俞洋實驗室在RNA功能分析的幫助,遺傳發育所黃勳和丁梅實驗室在動物細胞系驗證RNA剪切,物理所李偉實驗室幫助完成原子力顯微鏡觀察環RNA的實驗。該研究得到國家自然科學基金重點國際合作項目的資助。