Chapter1-siRNAs

在植物中,约90%的小RNA是siRNA 它们来源于双链前体。 根据长度分为21-nt,22-nt和24-nt。 属于21-nt和22-nt类的siRNA主要来源于病毒RNA,转座子和转基因,并与AGO1结合以指导PTGS。 相反,24-nt siRNA主要与异色转座因子(TEs)相关,并通过RNA介导的DNA甲基化(RdDM)在TGS中起作用

Biogenesis of siRNAs

fig3

21-nt和22-nt siRNA从病毒,转座子,转基因转录而来,还有一些通过Pol II从DNA断裂区域转录(图3)。这些异常的RNA通常缺少5'帽或3'聚腺苷酸化尾巴,使其成为RNA依赖的RNA聚合酶6(RDR6)的合适底物,从而将它们转化为dsRNA 。 DCL4和DCL2分别将这些dsRNA切成21-nt和22-nt siRNA,通常将其掺入AGO1中以指导PTGS靶向切割的原始异常转录物。尽管DCL2和DCL4都可以处理RDR6依赖的dsRNA,但DCL4作用更强,导致21-nt siRNA的丰度很高,22-nt siRNA的含量低。但是,与DCL2处理过的22-nt siRNA相比,DCL4处理过的21-nt siRNA在招募RDR6触发次级siRNA方面效率较低。还发现DCL4缺失或过表达DCL2导致22-nt siRNA的水平高于野生型,并增强了AGO1介导的PTGS对转基因的活性;同样,DCL2突变抑制拟南芥中siRNA和次级siRNA的积累。最新证据进一步表明,拟南芥DCL2而非DCL4对于通过生成22nt siRNA并募集RDR6产生次级siRNA,传递PTGS信号。

属于24-nt类的siRNA主要来自转座子和重复元件(图3)。它们通过需要Pol IV通过RdDM途径在DNA甲基化和染色质修饰中起重要作用。 植物特异性RNA聚合酶Pol IV在RdDM位点的26–45 nt单链上转录siRNA前体,从而启动了24 nt siRNA的生物发生。RDR2将前体序列复制成dsRNA,随后被DCL3加工以产生24-nt siRNA双链体。 HEN1使这些siRNA双链体甲基化,24-nt siRNA双链体在细胞核中被加工,然后被转移到细胞质中并整合到AGO4中。 去除siRNA *链后,将siRNA-AGO4复合物输入回细胞核以介导TGS。

 除了这些依赖DCL的siRNA,在拟南芥中也发现了不依赖DCL的siRNA。 研究表明,一些siRNA与AGO4相关联,并被3'至5'核酸外切酶修饰为一组具有相同5'端但3'端不同的异源siRNA。

Mode of action of siRNAs

siRNA通过PTGS和TGS抑制其靶标的表达。 将Pol II和RDR6依赖性的21-nt和22-nt siRNA被优先整合到AGO1中,以指导其靶标的转录切割。通过从靶标转录物中扩增依赖RDR6的次级siRNA,沉默信号在植物中的系统传播,暗示了植物防御的机制。除了PTGS外,一些依赖于Pol II和RDR6的siRNA,通常是那些来自转座子的siRNA,也可以通过与AGO2或AGO6结合,通过非经典的RdDM途径介导靶位点的从头DNA甲基化 。此外,当依赖于Pol II和RDR6的dsRNA的丰度超过DCL2和DCL4的加工能力时,dsRNAs成为DCL3的可利用底物并产生24 nt siRNA,然后通过经典的RdDM触发转座子沉默通路。

Pol IV和RDR2依赖的24 nt siRNA在很大程度上指导经典的RdDM。形成siRNA-AGO4复合物后,植物特异性RNA聚合酶Pol V会在Pol IV转录位点附近产生长度约为50 nt的非编码转录物,并且通过序列互补性招募siRNA-AGO4复合物。这进一步募集了DNA甲基化转移酶2(DRM2),以触发CG,CHG和CHH序列的从头DNA甲基化(H代表C,T或A)。 CHH甲基化的维持需要24-nt siRNA和RdDM,而DNA甲基转移酶1(MET1)和染色体甲基化酶3(CMT3)分别以不依赖siRNA的方式维持CG和CHG甲基化。此外,24-nt siRNA定向的DNA甲基化主要发生在常染色质臂上,因为RdDM必需的一种必需蛋白质,染色质重塑蛋白(DRD1)的缺陷,在异色区上没有功能性作用。 CMT2以不依赖siRNA的方式介导着丝粒附近的异色区域的DNA甲基化。尽管如此,CMT2基因座也产生了依赖于Pol IV和RDR2的24-nt siRNA,尽管其功能尚不清楚。

在大多数情况下,RdDM靶向基因间区域和转座子。但是,还提出了依赖于24 nt siRNA的RdDM来调节某些蛋白质编码基因。据报道,核糖核酸酶III(RNase III)酶RNASE THREE-LIKE 2(RTL2)将dsRNA加工成> 24-nt siRNA双链体,然后被DCL3进一步加工成24-nt 。在功能丧失的rtl2突变体中,某些蛋白质编码基因与野生型相比显示出降低的表达水平,并且植物显示出发育缺陷,该缺陷可通过突变NRPD1来恢复,而NRPD1编码Pol IV的最大亚基。

Biological functions of 24-nt transposable element (TE)-derived siRNAs

24nt TE衍生的siRNA的主要作用之一是指导繁殖过程中DNA甲基化的重新启动。在雌配子体中,中心细胞经历表观遗传的CHH甲基化消耗和TEs的活化,从而导致24 nt siRNAs进入卵细胞后增强其中的DNA甲基化。在发育中的花粉中,小孢子中的CHH甲基化大量丢失,随后在营养细胞中恢复,因为各种TE在营养性核中进行了过渡性重新激活,并产生了依赖DRM2的24-nt siRNA CHH甲基化。这些发现突出了hc-siRNA(异质小干扰RNA)在植物繁殖中的重要功能。

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