拟南芥脱水胁迫下诱导mRNA 3'UTR区域延长

  摘要  

  mRNA的3’UTR（非编码区）在其定位、翻译和稳定性的调节等方面具有重要的作用。剪切或多腺苷酸化合成的mRNA具有不同3’UTR，但是参与响应胁迫过程的机制尚未被阐明。本研究报道了在脱水胁迫过程中出现与胁迫相关mRNA的3’UTR延长的现象。这些延长的3’UTR具有LncRNA的特征，同时可能没有互作的miRNA。利用T-DNA插入突变体的功能研究发现，这些延长的3’UTR能够作为反义转录本抑制正义链基因的表达、激活转录或导致下游基因的读出转录（从一个操纵子的启动子开始转录的RNA聚合酶，若缺失位于操纵子末端的转录终止部位，或由于某种原因不能识别终止信号时，转录终止就不能正常进行，而是继续转录到相邻的操纵子）。进一步的分析表明具有3’UTR延长的转录本比不具有3’UTR延长的poly（A）信号更弱，而3’UTR延长的生物起源部分是依赖反式作用因子FPA的。最终结果表明脱水胁迫能够诱导转录本3’UTR的延长，而3’UTR延长能够作为LncRNA调控它的相邻基因。

  材料方法  

  拟南芥野生型：哥伦比亚，突变体：哥伦比亚T-DNA插入突变  

  数据来源：European Nucleotide Archive（ERP003245）；  

  链特异性RNA数据分析：TopHat/Cufflinks，3’UTR的延长识别：计算机流程，3’UTR的延长编码能力评估：Coding Potential Calculator (CPC)，ORF预测：GenScan；miRNA靶点预测：psRobot。Ploy（A）信号预测：(Sherstnev et al. 2012)，正义-反义链识别：(Wang et al. 2014)。

  研究结果

  1、脱水胁迫后拟南芥3’UTR的延长

  蓝色/粉色：正义链和反义链的丰度，红色矩形内表示延长的3’UTR

  B.ABA和脱水处理后5’/3’UTR延长的转录本。C/D/E：定量PCR和WB确认转录本的3’UTR的延长，并且只存在于脱水胁迫处理下。

  2、延长的3’UTR的表达是依赖时间的

  A.不同脱水处理时间下发生3’UTR延长的转录本。B. 不同脱水处理时间下发生延长的3’UTR表达量的相关性分析。C. 脱水处理下3’UTR延长的转录本的GO富集分析。

  3、延长的3’UTR具有lncRNA的特点

  A. 延长的3’UTR和LincRNA/Pri-miRNA/mRNA长度比较。B/C/D.编码能力的预测（延长的3’UTR和LincRNA/Pri-miRNA差不多）。

  4、延长的3’UTR抑制基因的表达

  A.（标准和延长的3’UTR）正义和反义转录本重叠的类型。B.标准转录本和延长转录组的3’UTR和正义转录本重叠的比例。C. 3’UTR和正义转录本表达量间的关系（左），反义转录本和正义转录本表达量间的关系（右）。D.蓝色/粉色：正义和反义链的丰度，延长的3’UTR（红色矩形）。E.野生型和spl2突变体中（ABA和脱水不同时间处理），SPL2、SPL2延长的3’UTR区域、NFYA5的定量PCR分析。表明3’UTR区域能作为lncRNA的作用抑制脱水胁迫下正义转录本的表达。

  5、延长的3’UTR下游基因的激活和读出转录  

  A.正常和延长的3’UTR上下游基因间区不同长度的分布。B. 3’UTR和下游基因表达量间的关系。C.两个相邻基因的表达丰度，红色矩形：延长的3’UTR，黑色三角形：T-DNA插入位点。D. NAXT1野生型和突变体的两个基因及3’UTR的定量PCR分析。表明NAXT1延长的3’UTR能激活下游基因或读取转录本。

  6、延长的3’UTR具有较弱的poly（A）信号

  A.正常和延长的3’UTR转录本不同类型剪切位点的百分比。B.三种转录本在AAUAAA-like motif上游50bp范围内的剪切位点的百分比。C/D/E. 三种转录本在AAUAAA-like motif上下游100bp范围内的不同剪切位点的百分比。

  7、FPA部分控制脱水引起的3’UTR的延长

  A.FPA（多腺苷酸化调控因子）的类型；B.ABA和脱水处理后fpa-7突变体转录本3’UTR的延长。C.一系列基因在野生型和fpa-7突变体中定量PCR分析。D. 一系列基因延长的3’UTR在野生型和fpa-7突变体中定量PCR分析。E. FPA在ABA和脱水处理下的表达量。  F.内含子保留的FPA的定量PCR分析。

  研究亮点  

  1、本研究针对ABA和脱水处理的拟南芥中转录本的3’UTR的延长现象进行详细分析。并发现脱水胁迫能明显的引发多个转录本3’UTR的延长。  

  2、对3’UTR的延长区域进行表达量的分析，结果发现该区域具有与lncRNA相似的功能并且能够抑制正向转录本的表达。延长的3’UTR能够激活下游相邻基因的表达或读取转录本。  

  3、延长的3’UTR具有较弱的poly（A）信号，并发现脱水胁迫产生的3’UTR的延长是受FPA调控的。

  参考文献  

  Dehydration stress extends mRNA 3' untranslated regions with noncoding RNA functions in Arabidopsis. Genome Research.2017.IF=11.351