生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)擬南芥半自主細(xì)胞器間的交流可保障R-loop調(diào)控線粒體基因組穩(wěn)定性的全新機(jī)制
R-loop是一種由DNA:RNA雜合鏈和DNA單鏈形成的三鏈基因組結(jié)構(gòu)，廣泛存在于各種生物的基因組中，在調(diào)控基因表達(dá)、基因組穩(wěn)定性等方面發(fā)揮重要作用。在控制R-loop動(dòng)態(tài)變化的因子中，進(jìn)化保守的RNase H1可以特異性消化RNA:DNA雜合鏈中的RNA，從而直接從基因組中去除R-loop，維持基因組的穩(wěn)定性。孫前文實(shí)驗(yàn)室前期工作在擬南芥中鑒定到三個(gè)RNase H1類的R-loop移除酶AtRNH1A、AtRNH1B和AtRNH1C（The Plant Cell 2017），并詳細(xì)解析了葉綠體定位的AtRNH1C在維持質(zhì)體基因組穩(wěn)定性過(guò)程中發(fā)揮的重要功能（The Plant Cell 2017; Cell Reports 2020; Nucleic Acids Research 2021，詳見(jiàn)文末鏈接）。然而目前對(duì)線粒體定位的AtRNH1B在擬南芥中的功能和調(diào)控機(jī)制尚不清楚。
2021年8月3日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心孫前文實(shí)驗(yàn)室在《科學(xué)公共圖書(shū)館—生物學(xué)》(PLOS Biology) 雜志在線發(fā)表了以“線粒體RNase H1蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)R-loop 穩(wěn)態(tài)以維持基因組完整性并確保擬南芥早期胚胎發(fā)生(Mitochondrial RNase H1 activity regulates R-loop homeostasis to maintain genome integrity and enable early embryogenesis in Arabidopsis)”為題的研究論文，發(fā)現(xiàn)了一種內(nèi)共生半自主細(xì)胞器之間的新型交流機(jī)制，并揭示了RNase H1蛋白維持?jǐn)M南芥線粒體基因組穩(wěn)定性和胚胎發(fā)育的功能。
論文作者首先證實(shí)AtRNH1B是定位于線粒體的RNase H1酶。作者發(fā)現(xiàn)atrnh1b突變體與野生型植株表型類似，而atrnh1b/c雙突變體卻是胚胎發(fā)育致死，說(shuō)明AtRNH1C和AtRNH1B在線粒體中功能冗余。通過(guò)熒光蛋白融合標(biāo)記及免疫金標(biāo)記等多種示蹤方法，作者發(fā)現(xiàn)，在缺少AtRNH1B蛋白的情況下，本應(yīng)在葉綠體中特異定位的AtRNH1C蛋白可定位于線粒體中。隨后發(fā)現(xiàn)AtRNH1C蛋白內(nèi)部的葉綠體靶向信號(hào)肽（CTS）和雜合鏈結(jié)合域（HBD）之間的九個(gè)氨基酸抑制了AtRNH1C蛋白的線粒體定位能力（圖A）。
植物線粒體基因組富含可以介導(dǎo)同源重組（homologous recombination, HR）的重復(fù)序列。為了探究線粒體定位的AtRNH1B是否參與調(diào)控線粒體DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）重復(fù)序列間的同源重組過(guò)程，作者通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)atrnh1b/c雙突變體的胚胎早期發(fā)育停滯是由于過(guò)量的R-loop的積累和線粒體基因組異位HR的升高所導(dǎo)致，同時(shí)伴隨mtDNA拷貝數(shù)的大幅減少。在分析AtRNH1B/1C與HR監(jiān)測(cè)（HR surveillance）途徑中的關(guān)鍵因子OSB1間遺傳關(guān)系時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)OSB1可以通過(guò)抑制R-loop形成以限制mtDNA的同源重組過(guò)程（圖C）。該工作不僅提供了對(duì)發(fā)育和環(huán)境變化過(guò)程中線粒體基因組維持的新見(jiàn)解，而且還揭示了一種半自主細(xì)胞器之間緊密交流的新機(jī)制（圖B）。
圖（A）：AtRNH1C在葉綠體和線粒體中的雙重定位能力受其自身69-77aa序列抑制。
圖（B）：線粒體RNase H1的雙重維持機(jī)制。
圖（C）：通過(guò)不同方式抑制R-loop形成可以限制線粒體基因組重復(fù)序列引起的同源重組。
清華大學(xué)生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)博士生程玲玲、博士后王文杰、2017級(jí)博士生姚堯?yàn)檎撐牡墓餐谝蛔髡撸ò醋髡咂匆襞判颍?。孫前文研究員為本文的通訊作者。該工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委以及生命科學(xué)聯(lián)合中心等經(jīng)費(fèi)的支持。繼AtRNH1C與RHON1調(diào)控轉(zhuǎn)錄-復(fù)制正面對(duì)撞、AtRNH1C與單鏈DNA結(jié)合蛋白WHY1/3和重組酶RecA1在擬南芥葉綠體中協(xié)作完成DNA損傷修復(fù)（The Plant Cell 2017; Cell Reports 2020; Nucleic Acids Research 2021）等研究后，本研究再一次深入解析了植物半自主細(xì)胞器中R-loop生物學(xué)功能和調(diào)控機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)了一種葉綠體和線粒體信息交換的新機(jī)制。
原文鏈接：https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001357
相關(guān)報(bào)道：
2017年清華生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室發(fā)文報(bào)道R-loop影響葉綠體基因組穩(wěn)定的調(diào)控機(jī)制：https://news.tsinghua.edu.cn/info/1007/53937.htm
2020年生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室發(fā)文報(bào)道R-loop介導(dǎo)擬南芥中葉綠體基因組穩(wěn)定性維持的新機(jī)制：https://news.tsinghua.edu.cn/info/1007/53019.htm
2021年生命學(xué)院孫前文實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)RNA:DNA雜合鏈協(xié)助修復(fù)擬南芥葉綠體基因組斷裂的新機(jī)制：https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/85038.h
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