北大生命科學學院李磊研究組在植物miRNA調控網絡研究中取得進展

本項研究主要構建解析了模式植物擬南芥中一個以miRNA為中心的層級基因調控網絡。GPB雜誌是中國最具國際影響力學術期刊之一,由中國科學院北京基因組研究所與中國遺傳學會共同主辦。在植物中,miRNA對靶基因的轉錄後調控機制廣泛存在,在生長發育與環境應答過程中發揮重要作用。

2021年3月2日,北京大學生命科學學院李磊研究組在GPB雜誌線上發表了題為“Structural and Functional Analyses of Hub MicroRNAs in an Integrated Gene Regulatory Network of Arabidopsis”的研究論文。本項研究主要構建解析了模式植物擬南芥中一個以miRNA為中心的層級基因調控網絡。GPB雜誌是中國最具國際影響力學術期刊之一,由中國科學院北京基因組研究所與中國遺傳學會共同主辦。

MicroRNA(miRNA)是真核生物中內源性的一類具有調控功能的非編碼RNA,通過堿基互補配對的管道識別靶基因mRNA,指導沉默複合體降解靶基因mRNA或者阻遏其翻譯,從而與轉錄因數指導的轉錄調控協同决定靶基因的時空表達模式。在植物中,miRNA對靶基因的轉錄後調控機制廣泛存在,在生長發育與環境應答過程中發揮重要作用。儘管通過遺傳方法對植物中單個miRNA的功能瞭解越來越多,但是對它們在基因調控網絡中的整體作用管道以及與轉錄因數的相互關係仍然所知甚少。在本項研究中,基於對公共資料庫中的數據進行重新分析和整理文獻中已有的相互作用數據,構建了擬南芥中一個miRNA調控網絡,其中包括66個覈心轉錄因數、318個miRNA和1712個下游靶基因以及它們之間的調控關係(圖1)。

圖1.模式植物擬南芥中由miRNA、轉錄因數及靶基因構成的基因調控網絡

通過對網絡結構的解析,研究人員發現miRNA佔據了與轉錄因數及靶基因不同的位置,並且顯著豐富了含有miRNA的前饋環路(feed-forward loop),特別是那些miRNA處於中間節點的環路。進一步的分析結果顯示,含miRNA的前饋環路與位於網絡中不同層級的轉錄因數相互協調,並且含miRNA的前饋環路在網絡中的層級位置與結構和miRNA所處的層級有關(圖2)。根據樞紐miRNA是影響多個生物過程還是只影響單一生物過程,分為兩種類型並分別命名為約會型樞紐miRNA和集會型樞紐miRNA。以靶向多個MYB類轉錄因數的約會型樞紐MIR858A為例,對三個由MIR858A銜接的前饋環路進行了詳細的分子和遺傳研究。發現不同的MYB靶基因分別參與花青素、木質素的合成,同時通過miR858接受不同轉錄因數的調控。這些分析不但揭示了所選擇的前饋環路的生物學功能,而且闡明了覈心miRNA發揮多種調控作用的網路基礎。綜合而言,該研究發現了植物中含miRNA的前饋環路的普遍性和重要性,對充分解析植物miRNA生物功能、深入挖掘植物miRNA基因資源具有重要意義。

圖2.含miRNA的前饋環路在網絡中的層級位置與結構和miRNA所處層級有關

北京大學生命科學學院李磊研究員為本文通訊作者,北京大學前沿交叉學科研究院北大-清華生命科學聯合中心博士研究生高照旭(已畢業)和李軍為本文共同第一作者。該項目得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金、蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室以及北大-清華生命科學聯合中心的資助。

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資料標籤: 基因合成 科普 調控
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