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最近，在植物进行的一项新研究中，宾夕法尼亚大学的生物学家以早期工作为基础，全面分析了可能影响RNA调控过程的模式，相关研究结果发表在2014年12月31日的《Molecular Cell》杂志。
生物通报道：当人类基因组被首次测序时，专家预测他们会发现大约100,000个基因。实际数目是接近20,000个，比果蝇的仅仅多出几千个。问题是：相对较少数量的基因如何为人体的复杂性奠定基础？
这个问题的解释是：基因受许多不同形式的调控所支配，调控可以改变其蛋白质的形式，并确定一个基因的产物是否会产生？产生多少？这种调控许多发生在DNA被转录成RNA期间或刚刚结束的时候。
最近，在植物进行的一项新研究中，宾夕法尼亚大学的生物学家以早期工作为基础，在早期工作中他们将发生在RNA及RNA结合蛋白质之间的所有相互作用进行编目。这一次，他们仅在细胞核中研究这些相互作用，同时获得关于核RNA分子结构的数据。通过结合这些数据集，他们的研究全面分析了可能影响RNA调控过程的模式，这些调控过程发生在这些分子进入细胞质之前，在那里它们转化为蛋白质，从而构成一个活的生物体。
此外，研究人员提供了一个巨大的、公开可用的数据集，其他科学家可以用来解决关于他们感兴趣的基因及调控机制的问题，从而更好了解从DNA到蛋白质这一行程的动力学。
相关研究结果发表在2014年12月31日的《Molecular Cell》杂志，宾夕法尼亚大学艺术与科学学院生物系助理教授Brian D. Gregory是本文的资深作者。Gregory实验室的研究专家Sager J. Gosai和研究生Shawn W. Foley是本文共同第一作者。
今年早些时候在《Genome Biology》发表的一篇论文中（Genome Biology发文介绍RNA印记法），Gregory的研究小组报道称，他们开发出一种方法，可对活生物体中RNA和RNA结合蛋白（RBP，它与RNA转录子相互作用，以一种特定于细胞类型的方式，抑制、增强或改变基因表达）之间相互关系获得一个完整的目录。该技术被称为PIP-seq，用于蛋白质相互作用谱测序。他们最初用PIP-seq在一个人类细胞系中确定了一组完整的RBP相互作用位点。
在当前的这项研究中，他们使用常用模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana），标出了所有RBP相互作用位点，也编译出RNA转录子的完整二级结构。第一项研究着眼于细胞内的所有RNA，一套被称为转录组的材料，而这项研究却只着眼于在细胞核。
Gregory说：“通过特别关注细胞核，我们可以避开RNA分子的所有特征——与转录成蛋白质的过程相关，这个过程发生在细胞质中。”
研究人员从10日龄的拟南芥幼苗中提取细胞核。他们进行了PIP-seq，也获得了RNA二级结构的信息——RNA链如何折叠、成环并结合在一起。
通过集中研究与RBPs相结合的RNA部分，该研究小组发现，这些序列在进化史中已经变得保守，可能在基因调控机制中发挥重要的作用。
科学家还发现，RBP结合模式和二级结构之间存在强烈的反比关系。
Gregory说：“当结构偏低时，蛋白质往往结合这些区域，当结构偏高时，RBPs往往不结合这些区域。我们一次又一次看到，结构脉络，而不仅仅是RNA序列，是RBP结合的选择性力量。”
另一个重要发现是，RBP结合的独特模式，以及存在于每个信使RNA转录子起始密码子周围的结构，在这里一个细胞的蛋白质制造机器开始制造过程。
Gosai说：“这表明，即使在RNA从细胞核出来并参与翻译机制之前，这里都会发生调控事件。对于未来探讨细胞核中发生什么调控事件的研究来说，这是一个令人兴奋的地方。”
两种关键的转录调控形式是：可变剪接，其中RNA片段经历了剪切和粘贴过程，以产生可编码不同蛋白质的新序列；和可变聚腺苷酸化，它会改变一个转录子结束和一个腺嘌呤“尾巴”添加的位置，这个过程可以提高RNA分子的稳定或降解。
在他们的分析中，宾夕法尼亚大学生物学家发现，RBP结合位点和某些二级结构模式，在可变剪接和可变多聚腺苷酸化发生的部位更为常见。
Foley说：“在人类中，几乎95%的基因是可变剪接的，在植物中这个数目至少是60%。在植物中研究高水平的RBP结合、以及在可变剪接及聚腺苷酸化位点与二级结构的相互作用，能够指示调控发生在哪里？如何从一段RNA序列产生不同的蛋白质？”
在之前利用PIP-seq的研究中，Gregory及其同事发现了RNA序列在某些RBP容易结合的位点反复出现的模式，称为“基序motifs”。研究人员指出，有可能这些RBPs能够结合功能相关基因，来协调它们的调控。
最后，该研究小组集中关注一个RBP结合序列基序，这种序列基序特别丰富，并发现它能与一个称为CP29A的RBP相互作用。
Foley说：“这种蛋白质已知能结合叶绿体中的RNA，但是我们首次将其确定为一种细胞核RBP。”这表明，CP29A可能是这两个细胞器中的一个重要调节因子。
为了跟进这项工作，宾夕法尼亚大学的科学家将探讨RNA调控在植物组织之间和不同发育阶段有何差异。他们还计划使用PIP-seq和结构分析，来研究其他类型的生物。
Gregory说：“既然我们已经发现了标记可变剪接及形成植物蛋白编码能力的其他事件的模式，我们将确定产生这些模式的蛋白质。最终我们想扩展到人类和其他生物，探究是否能看到相同的模式。”
（生物通：王英）
生物通推荐原文摘要：
Global Analysis of the RNA-Protein Interaction and RNA Secondary Structure Landscapes of the Arabidopsis Nucleus
Summary：Posttranscriptional regulation in eukaryotes requires cis- and trans-acting features and factors including RNA secondary structure and RNA-binding proteins (RBPs). However, a comprehensive view of the structural and RBP interaction landscape of nuclear RNAs has yet to be compiled for any organism. Here, we use our ribonuclease-mediated structure and RBP-binding site mapping approaches to globally profile these features in Arabidopsis seedling nuclei in vivo. We reveal anticorrelated patterns of secondary structure and RBP binding throughout nuclear mRNAs that demarcate sites of alternative splicing and polyadenylation. We also uncover a collection of protein-bound sequence motifs, and identify their structural contexts, co-occurrences in transcripts encoding functionally related proteins, and interactions with putative RBPs. Finally, using these motifs, we find that the chloroplast RBP CP29A also interacts with nuclear mRNAs. In total, we provide a simultaneous view of the RNA secondary structure and RBP interaction landscapes in a eukaryotic nucleus.
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