Plant Cell∣植物RNA結合蛋白參與RNA剪接分子機制的研究

今天分享一篇較早（2016年1月）的文獻，關於RNA結合蛋白（RZ-1B和RZ-1C）參與RNA剪接的研究。本文為北京大學生命科學學院瞿禮嘉研究組完成。

題目為「RNA Binding Proteins RZ-1B and RZ-1C Play Critical Roles in Regulating Pre-mRNA Splicing and Gene Expression during Development in Arabidopsis」。

細胞內有一大類蛋白質，它們可以結合RNA，因此稱為RNA結合蛋白。在模式植物擬南芥中有600多個RNA結合蛋白，其中有一些是植物細胞所特有的RNA結合蛋白，但這些植物特有的RNA結合蛋白調節什麼生物學過程、有什麼生物學功能等科學問題長期以來一直困擾著植物學家們。

本文通過反向遺傳學、分子生物學以及生物化學方法針對兩個植物特有的RNA結合蛋白RZ-1B和RZ-1C進行了生物學功能鑒定。他們發現，RZ-1B和RZ-1C在植物生長發育的各個階段，如種子萌發、根的伸長、頂端分生組織的發育、開花時間的控制、植株大小的調控等方面都有重要的功能。RZ-1C蛋白通過C端定位於細胞核中，而且呈Nuclear speckle分布；通過N端的RNA Recognition Motif（RRM）結構域結合一段富含嘌呤的RNA序列。更為有趣的是，他們首次發現RZ-1B和RZ-1C這兩個蛋白可以與一系列的SR蛋白相互作用。無論是在動物細胞中還是在植物細胞中，SR蛋白都是一類控制RNA剪切的重要因子。通過遺傳學方法擾亂這兩個蛋白與SR蛋白之間的相互作用，會導致植物產生與rz-1b rz-1c雙突變體相似的表型。他們隨後通過轉錄組高通量測序分析，揭示出RZ-1B和RZ-1C影響了數以百計的基因的pre-mRNA的剪切以及幾千個基因的表達水平。他們發現，RZ-1B和RZ-1C這兩個蛋白可以結合到開花控制基因FLC上，抑制FLC的轉錄，並促進FLC的剪切，通過轉錄以及剪切的調控，影響了成熟的FLC mRNA形成，從而影響開花時間。這項工作從分子水平闡明了RZ-1B/1C這兩個植物特有的RNA結合蛋白的工作機理，為人們深入理解植物中RNA結合蛋白調控生長發育的分子機制提供了全新的角度。

摘要：

核定位的RNA結合蛋白參與RNA代謝的各個方面，以及調節基因表達。然而，植物中核定位的RNA結合蛋白的功能知之甚少。在這裡我們報道了，含有RNA識別域的兩個蛋白質（AtRZ-1B and AtRZ-1C）的功能。AtRZ-1B and AtRZ-1C定位到核斑點，並且通過它們的C端與一系列絲氨酸/精氨酸（SR）蛋白相互作用。AtRZ-1C通過其N-末端RNA識別基序優先結合富含嘌呤的RNA序列。通過過表達AtRZ-1C的C末端，破壞AtRZ-1C與SR蛋白的RNA結合活性，表現出與在Atrz-1b/Atrz-1c雙突變體中觀察到的缺陷表型類似，包括延遲種子發芽，植株，鋸齒葉。RZ-1B和RZ-1C的功能喪失伴隨著許多基因的剪接缺陷和對整體基因表達的干擾。此外，我們發現在RZ-1C直接靶向FLC，促進FLC內含子的高效剪接和抑制FLC轉錄。我們的研究結果，揭示了RZ-1B/1C通過與SR蛋白的相互作用，在調節RNA剪接，基因表達和植物發育的許多關鍵方面具有重要作用。

Abstract：

Nuclear-localized RNA binding proteins are involved in various aspects of RNA metabolism, which in turn modulates gene expression. However, the functions of nuclear-localized RNA binding proteins in plants are poorly understood. Here we report the functions of two proteins containing RNA recognition motifs, At RZ-1B and At RZ-1C, in Arabidopsis. At RZ-1B and At RZ-1C were localized to nuclear speckles and interacted with a spectrum of serine/arginine-rich (SR) proteins through their C-termini. At RZ-1C preferentially bound to purine-rich RNA sequences in vitro through its N-terminal RNA recognition motif. Disrupting the RNA-binding activity of At RZ-1C with SR proteins through over-expression of the C-terminus of At RZ-1C conferred defective phenotypes similar to those observed in At rz-1b/At rz-1c double mutants, including delayed seed germination, reduced stature, and serrated leaves. Loss of function of AtRZ-1B and AtRZ-1C was accompanied by defective splicing of many genes and global perturbation of gene expression. In addition, we found that At RZ-1C directly targeted FLC, promoting efficient splicing of FLC introns and repressing FLC transcription. Our findings highlight the critical role of AtRZ-1B/1C in regulating RNA splicing, gene expression, and many key aspects of plant development via interaction with proteins including SR proteins.

Figure 4. RZ-1C Localizes to Nuclear Speckles and Binds to Chromatin

Figure 10. RZ-1B/1C Regulate FLC Intron Splicing and Transcription

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