近期，来自东北师范大学分子表观遗传学教育部重点实验室的张铧坤教授和英国约翰英纳斯中心 (John Innes Centre) 的丁一倞研究员在Annual Review of Plant Biology上发表了题为“RNA Structure: Function and Application in Plant Biology”的综述文章。该文章系统地阐述了RNA 结构在植物生物学中的重要作用，涵盖了从技术方法到功能机制，再到实际应用的多个层面。
该综述主要有以下5 个方面的内容：
1. RNA 结构研究技术的革新
过去十年间，RNA 结构研究技术取得了重大突破，从体外研究转向体内研究，从单个RNA 分析发展到转录组范围的研究，分辨率也从群体RNA 提升到单分子水平。部分技术最初在植物系统中开发，这得益于植物生长温度较低，有利于RNA折叠，使其成为研究RNA结构的理想对象。例如，开发于酵母中的PARS 技术利用核糖核酸酶(RNases) 切割RNA，以确定其体外碱基配对状态，该技术之后被应用于拟南芥研究；PIP-seq (protein interaction profiling se-quencing) 技术则在酶切前增加了RNA 与蛋白质交联的步骤，能同时获取RNA-蛋白质相互作用信息。此外，基于化学修饰的方法，如利用DMS对单链腺苷 (A) 和胞苷(C) 进行修饰，可在体内研究RNA 二级结构，还有针对不同核苷酸的其他化学修饰试剂也相继被开发应用。同时，AI 模型的建立为探索功能性RNA 结构基序提供了新途径，如PlantRNA-FM 模型，通过对大量植物转录组数据的学习，能够识别影响翻译的关键RNA序列和结构基序。
植物RNA 结构功能研究的最新技术
2. RNA 结构在基因调控中的功能
RNA 结构在基因表达的多个关键过程中发挥着不可或缺的作用。在剪接过程中，拟南芥细胞核前体mRNA（pre-mRNA）结构研究发现，5′ 剪接位点上游的两核苷酸单链RNA结构特征对剪接位点的识别至关重要，其单链状态的改变会影响剪接结果。在多聚腺苷酸化过程中，植物识别多聚腺苷酸化信号并非仅依赖序列，拟南芥中两个邻近poly(A) 位点的单链区域对识别多聚腺苷酸化和可变多聚腺苷酸化具有重要意义，这些单链区域为相关蛋白提供了结合位点。翻译过程中，5′UTR 的RNA 结构影响核糖体的起始和扫描，如拟南芥中5′UTR 起始密码子上游的单链区域与高翻译效率相关；此外，RNA G-四链体（RG4）结构也参与翻译调控，在植物中，RG4 结构在低温下更易形成，可抑制相关基因的翻译。RNA 稳定性方面，3′UTR 的RNA 结构与mRNA 稳定性密切相关，结构较强的3′UTR 能提高mRNA 稳定性，而miRNA 介导的RNA 降解过程也受到RNA 结构的调控，从miRNA 的生成到其对mRNA 的靶向切割，RNA 结构都发挥着重要作用。
植物基因调控中的RNA结构功能
3. RNA 结构对植物生长发育的影响
RNA 结构在植物生长发育的各个阶段都扮演着关键角色。在开花时间调控方面，拟南芥中COOLAIR 转录本的RNA 结构会随着温度变化而改变，从而动态调节开花关键基因FLC 的表达，影响植物的开花时间。植物代谢过程中，存在多种RNA 结构介导的调控机制，如维生素B1 衍生物硫胺素焦磷酸（TPP）核糖开关，通过结合TPP 改变自身RNA结构，进而调控相关基因的表达，影响植物代谢；还有在精氨酸脱羧酶（ADC）基因的5′UTR 中发现的ADC 盒 (ADC box)，可抑制自身翻译，调节多胺水平。在维管发育过程中，JUL蛋白与SMXL4/SMXL5 mRNA 的5′UTR 中的RG4 基序结合，抑制其翻译，调控韧皮部分化；同时，mRNA中 的转运RNA 样结构（transfer RNA-like structure, TLS）有助于mRNA 在植物体内的运输。根发育方面，SHORT ROOT（SHR）mRNA 中的RG4 结构可诱导液-液相分离，影响根细胞的身份建立；而且，根毛细胞和非根毛细胞中存在不同的RNA-蛋白质结合位点和RNA 结构特征，这些特征可能调控根毛细胞的命运。
RNA 结构在植物生长发育中起作用
4. RNA 结构在植物应对环境胁迫中的作用
面对各种环境胁迫，植物利用RNA 结构的变化来调节自身生理反应。在温度胁迫下，高温会使水稻RNA 结构展开，导致RNA 丰度下降；而低温会增强转录组范围内RG4 的折叠，保护RNA 不被降解，如CORG1 基因3′UTR 中的冷诱导RG4 结构，对植物在低温下的根生长具有重要调控作用。光响应过程中，光可诱导叶绿体基因psbA 的RNA 结构发生变化，在高光条件下，其Shine-Dalgarno (SD) 序列和起始密码子区域的RNA 结构打开，促进翻译；但对于rbcL 基因，高光则会使其在该区域形成更多双链结构，抑制翻译。盐胁迫时，拟南芥在盐处理下RNA 结构变弱，基因表达水平降低，且这种变化具有组织特异性；另外，长期盐胁迫处理情况下，N6-甲基腺苷（m6A）修饰会调节细胞核RNA二级结构。在营养饥饿方面，如磷酸盐饥饿时，水稻中PHO1.2与其反义长非编码RNA cis-NATpho1.2 相互作用，改变RNA 结构，增强PHO1.2的翻译，促进磷酸盐转运。植物受到病原体攻击时，会发生全局翻译重编程，免疫诱导翻译的mRNA 倾向于富集上游开放阅读框（uORF），其uAUG 下游的双链结构在感染时被RNA 解旋酶解开，使核糖体能够翻译下游的防御蛋白，揭示了RNA 结构在植物免疫中的调控机制。
RNA 结构在植物对非生物和生物胁迫的反应中的作用
5. RNA 结构在自然适应和作物驯化中的意义
RNA 结构在植物自然适应和作物驯化过程中具有重要意义。在自然适应方面，基因组变异可导致RNA 结构改变，这些变异被称为riboSNitches。研究发现，拟南芥中与温度相关的SNP 可诱导RNA 结构在不同温度下发生变化，表明这些SNP 可能是植物适应不同温度环境的结果；而且，在不同植物物种中，转录组核苷酸组成与温度相关的生物气候变量存在显著相关性，G-rich 的RNA 结构基序（RG4s）在寒冷气候下的植物转录组中显著富集，说明RNA 结构可能是植物适应环境的分子标记。在作物驯化方面，对 durum 小麦(Triticum turgidum ssp. durum) 的研究发现，在其驯化过程中，位于5′UTR 和3′UTR 区域的riboSNitches 受到了更强的选择压力。例如，TRITD2Av1G193730 和TRITD2Bv1g159660 基因5′UTR 中的C41/A41 riboSNitch，导致A 和B 亚基因组同源基因的RNA结构不同，进而影响翻译效率，这表明riboSNitches 可能在作物驯化过程中发挥了重要作用，通过工程化改造RNA结构差异有望加速作物驯化进程。
总结与展望
RNA 结构在植物生物学中具有广泛而重要的作用，从调控基因表达、影响植物生长发育，到帮助植物应对环境胁迫以及在自然适应和作物驯化中都扮演着关键角色。近年来RNA结构研究技术的飞速发展，为深入探究这些功能提供了有力支持。未来，随着研究的不断深入，有望通过精准调控RNA 结构，实现对植物生长、发育和抗逆性的优化，为农业生产应对气候变化和提高作物产量提供创新策略，同时也将进一步揭示植物生命活动的奥秘，推动植物科学领域的发展。
文章连接：https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-083123-055521
原文转载自：https://mp.weixin.qq.com/s/Umr3aHveHibWXLPYFJEutg
