責編 | 王一

轉座子（TEs, transposons）是基因組中的可移動遺傳元件，對基因組進化和物種多樣性具有重要作用。但其轉座也會對宿主發育造成威脅，為此宿主進化出了多種多樣的機制來抑制其活性 。在植物中，除了由Pol IV和Pol V 介導的RNA指導的DNA甲基化（RdDM）經典途徑來維持轉座子沉默，還存在另一條由RDR6介導的非經典RdDM途徑，對重新啟用或外源轉移的轉座子從頭甲基化具有重要作用【1】。

轉座子造成的玉米表型多樣性（作者供圖）

2021年3月2日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心，中國科學院-英國約翰英納斯中心植物和微生物科學聯合研究中心Jungnam Cho研究組在Nature Plants發表了題為Ribosome stalling and SGS3 phase separation prime the epigenetic silencing of transposons的研究論文，揭示了植物中翻譯耦聯和SGS3液-液相分離介導活躍轉座子沉默的機制。

有研究表明轉座子較低的CpG密度【2】和GC3含量【3】（密碼子第三位核苷酸G和C的含量）與siRNA產生和活躍的DNA甲基化相關，暗示翻譯耦聯途徑可能參與表觀遺傳沉默。值得注意的是，低翻譯效率可導致RNA截短，而截短的RNA是RDR6靶向的必要前提【4,5】。此外，由核糖體停滯誘發的RNA監控途徑No-Go RNA降解（NGD）在植物中會造成RNA截短，且在果蠅中被報道能抑制轉座子活性。由此研究人員提出假設：轉座子RNA可由於其低效的翻譯導致自身更容易被切割（RNA cleavage）。

奔跑的轉座子，帽子：組蛋白等修飾；me：甲基化修飾（作者供圖）

研究人員分析了水稻大量轉座子被啟用的愈傷組織翻譯組資料，並對擬南芥ddm1突變體進行核糖體印記測序（Ribo-seq），發現轉座子翻譯效率相對於基因明顯下降。那麼這種低翻譯效率是否由於第三位密碼子GC3含量低、含有更多的非最優翻譯密碼子造成的呢？菸草瞬時表達熒光素酶實驗證實了的確如此。進一步地，擬南芥ddm1降解組（Degradome-seq）資料表明，翻譯效率與RNA截短產生easiRNA水平緊密相關。核糖體測序資料也發現雙核糖體片段（disome，用於表徵核糖體停滯或碰撞）中含有更多的轉座子轉錄本，且這些disome片段翻譯潛能低，易被截短和降解產生easiRNA。上述結果表明核糖體停滯與活躍的RNA截短、easiRNA產生緊密相關，但RDR6如何特異識別轉座子RNA併產生easiRNA的仍不清楚。

為了進一步探索，研究人員注意到，RDR6介導的途徑在空間上侷限在胞質siRNA 小體，而RDR6互作蛋白SGS3在其兩端均含有朊病毒樣結構域（PrLD），其具有介導蛋白髮生液-液相分離 (liquid-liquid phase separation, LLPS) 的潛力。進而在菸草中表達SGS3全長及PrLD截短的SGS3蛋白，研究人員發現全長SGS3蛋白能夠聚集形成胞質集合體（cytoplasmic foci），而PrLD截短的版本卻只能侷限在細胞核。體外實驗也顯示全長SGS3蛋白能夠聚集形成液滴狀結構，而PrLD截短版本無法觀察到（圖3）。SGS3相分離具體發揮怎樣的作用？研究人員進一步在菸草中將SGS3與RDR6共表達，結果表明只有當全長SGS3存在時，RDR6才能夠與其共定位形成胞質集合體。由此可見，SGS3蛋白的液-液相分離對於胞質siRNA 小體的形成至關重要。

共聚焦顯微鏡下SGS3蛋白體外相分離形成的液滴狀結構（作者供圖）

已知siRNA小體能夠與應激顆粒（stress granule, SGs）共定位，經證明應激顆粒關鍵組分UBP1b也能夠發生液-液相分離。酵母及人類的研究表明SG轉錄組與翻譯抑制相關，那麼不難想到，轉座子RNA是否更易定位在包含應激顆粒及siRNA小體的RNA顆粒(RNA granules, RGs)中，從而被RDR6-RdDM途徑選擇性靶向？為了回答這一問題，研究人員在擬南芥ddm1突變體中富集RG組分並開展了RNA測序，資料表明RG富集的RNA中轉座子比例明顯升高。

植物轉座子 RNA由於含有非最優密碼子導致翻譯過程中出現常見的核糖體停滯，核糖體停滯誘發RNA截短並由SGS3液-液相分離介導定位至胞質siRNA小體

轉座子的特異識別和easiRNA產生的通路對基因組完整性的永久保持至關重要，至此該研究展現了植物活躍轉座子 RNA由於含有非最優密碼子導致翻譯過程中出現常見的核糖體停滯，進而誘發RNA截短並由SGS3液-液相分離介導定位至胞質siRNA小體沉默的全過程。值得注意的是，SGS3和RDR6共同作用除介導活躍轉座子RNA沉默外，早已知在病毒RNA、外源基因識別中同樣發揮作用，但SGS3介導的液-液相分離尚屬首次發現 。

中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jungnam Cho研究員為論文通訊作者。中國科學院分子植物科學卓越創新中心Eunyu Kim副研究員和博士生王令、雷震為論文共同第一作者，博士生李慧和範文文參與了本專案。該研究得到了國家自然科學基金委員會和中國科學院戰略先導B專案的資助。

參考文獻：

1. Slotkin, R. K. & Martienssen, R. Transposable elements and the epigenetic regulation of the genome. Nat. Rev. Genet. 8, 272–285 (2007).

2. Catoni, M. et al. DNA sequence properties that predict susceptibility to epiallelic switching. EMBO 36, 617–628 (2017).

3. Tatarinova, T., Elhaik, E. & Pellegrini, M. Cross-species analysis of genic GC3 content and DNA methylation patterns. Genome Biol. Evol. 5., 1443–1456 (2013).

4. Baeg, K., Iwakawa, H. O. & Tomari, Y. The poly(A) tail blocks RDR6 from converting self mRNAs into substrates for gene silencing. Nat Plants 3, (2017).

5. Luo, Z. & Chen, Z. Improperly Terminated, Unpolyadenylated mRNA of Sense Transgenes Is Targeted by RDR6-Mediated RNA Silencing in Arabidopsis. Plant Cell 19, 943–958 (2007).

論文連結：

https://dx.doi.org/10.1038/s41477-021-00867-4

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