Nature子刊發現植物在逆境響應過程中存在RNA介導的基因共表達調控網絡

　　真核生物基因組可轉錄產生大量RNA。這些RNA包括編碼蛋白質的mRNA和眾多非編碼RNA（ncRNA）。ncRNA大致可分為兩大類：看家ncRNA（housekeeping ncRNA）和調控性ncRNA。看家ncRNA包括參與蛋白質合成的核糖體RNA（rRNA）、轉運RNA（tRNA），參與RNA剪接的snRNA和參與RNA修飾的snoRNA等；調控性RNA則包括介導RNA干擾的小RNA（sRNA，長度為20-30個核苷酸）和長非編碼RNA（lncRNA，長度為>200個核苷酸）。lncRNA可從基因間區、內含子和蛋白編碼基因的反義鏈產生，通過不同機制發揮不同功能。這些種類繁多、功能各異的RNA構成了豐富多彩的“現代RNA世界” (Modern RNA World)。

　　很多RNA與染色質相結合發揮調控功能。這些與染色質相互作用的RNA可通過招募RNA結合蛋白，作為支架幫助蛋白復合體的形成或促進染色質-染色質相互作用，調控染色質結構的形成和基因表達。清華大學生命科學學院戚益軍課題組在《自然植物》(Nature Plants)雜志在線發表了題為“RNA-染色質相互作用的全基因組水平分析揭示了擬南芥中基因共調控網絡” (Global profiling of RNA-chromatin interactions reveals co-regulatory gene expression networks in Arabidopsis)的研究論文。該論文在全基因組水平系統分析了模式植物擬南芥中RNA-染色質的相互作用，發現植物在響應脅迫過程中形成由眾多脅迫響應基因組成的互作網絡，由此提出了以RNA-染色質互作為骨架的基因共表達調控網絡的新概念。

　　戚益軍課題組基于美國加州大學圣地亞哥分校付向東課題組之前開發的GRID-seq（Global RNA interactions with DNA by deep sequencing）技術，鑒定分析了擬南芥幼苗中13000多對RNA與染色質相互作用。發現來自同一染色體的RNA-染色質相互作用主要由mRNA介導，而染色體間的RNA-染色質相互作用則主要由ncRNA介導。絕大多數RNA介導數量有限的相互作用，但以U2 snRNA和rRNA等少量RNA可介導成百上千個相互作用。有意思的是，該研究發現有254 lncRNA介導494對相互作用，其中6個lncRNA介導多對相互作用，形成以這些lncRNA為節點的互作網絡。該研究進一步運用BL-Hi-C（Bridge Linker-Hi-C）技術對擬南芥幼苗中染色質-染色質的相互作用進行了系統分析，并與RNA-染色質的相互作用進行比較，發現RNA-染色質相互作用與染色質-染色質相互作用呈正相關，提示RNA-染色質相互作用可能對染色質結構的形成發揮調控作用。

　　植物會遭遇各種各樣的環境變化和脅迫挑戰。由于不能移動，植物進化出了復雜巧妙的機制以適應和抵御各種環境脅迫。該研究進一步探索了RNA-染色質相互作用在植物響應脅迫中的變化及其功能。研究發現，大量RNA-染色質相互作用在植物受到生物脅迫（丁香假單胞菌，Pst DC3000侵染）和非生物脅迫（熱處理）時發生變化。GRO-seq （Global nuclear Run-On sequencing）分析發現這些改變不依賴于RNA表達水平的改變，這意味著在植物響應脅迫過程中，RNA與染色質的結合可發生重新分布。非常有意思的是，發生變化的RNA-染色質相互作用形成了以特定RNA或染色質位點為互作結點的復雜網絡，并且這些互作通常發生在脅迫響應相關的基因之間。例如，70多個RNA與rDNA位點（At3g41768）的相互作用在丁香假單胞菌侵染時發生改變，形成了以該rDNA位點為核心節點的大網絡。在此網絡中，涉及了25個抗病相關基因（如圖）。這些發現表明：RNA-染色質的相互作用，可能對抗逆相關基因的協同表達起到重要的調控作用。

　　綜上，該研究從全基因組水平揭示了擬南芥中RNA-染色質的相互作用，為研究RNA的調控功能提供了重要基礎。更為重要的是，該研究發現涉及大量脅迫響應基因的RNA-染色質相互作用可在植物遭遇生物或非生物脅迫時發生改變，并提出了由RNA-染色質互作為骨架的基因共表達調控網絡的新概念。