Nature：寄生过程“microRNAs制导炮弹”被发现

发稿时间：2018-01-11来源：天昊生物

俗话说：“道高一尺，魔高一尺二”，生命世界中类似的争斗也从未停止过。2018年1月8日发表在Nature上的一篇文章，就发现寄生植物菟丝子这个“小魔头”，通过发射“microRNAs（miRNAs）精准制导炮弹”来定向降解宿主体内的mRNAs，达到破坏宿主防御系统的目的。

 

文章题目：MicroRNAs from the parasitic plant Cuscutacampestris target host messenger RNAs寄生植物菟丝子体内microRNA靶向寄主信使RNA

发表期刊：Nature 发表时间：2018-1-4

摘要一览：

菟丝子（Cuscuta spp.）是一类生理构造特别的寄生植物，它可以利用茎攀附在其他植物的茎部，通过特化的吸器进入宿主直达韧皮部，吸取水和养分维持生存。

 

菟丝子寄生表型图（图片来源于网络）

通过菟丝子吸器这一特殊结构，病毒、蛋白和mRNAs等可以进行双向运动，但是这些物质运动的生物学功能目前却知之甚少。本文研究人员发现，在寄生拟南芥过程中，菟丝子的吸器处可以积累许多新的miRNAs，其中许多长度为22个核苷酸。植物中这类长度miRNAs不常见，常常通过次级小干扰RNA（siRNA）产物介导靶基因沉默。本研究表明，在寄生过程中，几种22 nt长度的miRNAs可以靶向宿主拟南芥mRNAs，导致mRNAs的裂解、次级siRNAs产生和降低mRNAs的积累。宿主中编码靶向mRNAs的两个基因座上的突变使得菟丝子更加快速的生长，在菟丝子寄生宿主拟南芥过程表达和活化的miRNAs同样在菟丝子侵染烟草过程中也有表达和活化，许多其他植物的同源mRNAs中也被预测为菟丝子miRNAs的靶点。这些结果表明，菟丝子miRNAs作为多类宿主基因表达调节者，具有类似侵染过程中毒性因子的作用。

研究方法：

小RNA测序、qRT-PCR、RNA杂交等。

研究内容及结果：

文章首先利用小RNA测序方法，分析寄生过程中三种组织，即寄生菟丝子茎部组织(parasite stem,PS)、菟丝子和拟南芥的寄生吸器接触部位组织(interface, I)和宿主拟南芥茎部组织（host stem, HS）里miRNA的种类及表达差异情况（筛选miRNA仅用了两次生物学重复，这是怎么被Nature审稿人放过的？）。结果发现有76个菟丝子小RNA在接触部位组织中显著上调，并用RNA杂交实验进一步验证了结果（图1）。

 

图1、菟丝子寄生接触部位miRNAs诱导情况

a)寄生接触部位(interface, I)与菟丝子茎部 (parasite stem,PS)组织里miRNAs的表达差别图。b)菟丝子寄生诱导的miRNA发夹前体预测二级结构图，不同颜色代表核苷酸的不同测序深度。c)接触部位诱导产生的22 ntmiRNAs杂交图。

在发现的76个小RNAs中，有26个为22 ntmiRNAs，这些相较21 nt的miRNAs在植物中更少见，并且与二级siRNA的积累有很强的联系。研究人员最终证明了这些诱导产生的22 nt的miRNAs不少是来源与菟丝子的，并且可以通过siRNA及自身作用等机制靶向宿主拟南芥的mRNAs，对TIR1、AFB2、AFB3、BIK1、SEOR1和HSFB4等表达进行抑制（图2、3）。

 

图2、菟丝子miRNAs造成宿主mRNAs沉默和阶段性siRNA生成情况

a)小RNA测序分析三种组织中，拟南芥SEOR1比对上的菟丝子miRNA（ccm-miR12480）情况，r.p.m.代表reads per million。b) 寄生接触组织中比对到SEOR1上的siRNA长度和极性分布情况。c) 雷达图显示在21个核苷酸相位中寄生接触过程诱导产生的siRNA片段情况。d) 5’-RLM-RACE产物结果。

 

图3、菟丝子miRNA的作用及其靶标

a) 拟南芥在寄生接触部位和对照茎部的部分mRNA积累情况的qRT-PCR结果。b)菟丝子寄生不同拟南芥基因型的RNA杂交结果。c) 菟丝子寄生不同宿主的生物量。

为了探寻这种寄生机制是否在其他双子叶植物中同样存在，研究人员在烟草中也进行了相关实验，通过图4结果，说明这种机制在烟草中同样存在。

 

图4、菟丝子靶向宿主mRNA的保守性分析

a)菟丝子寄生过程针对不同靶基因产生的miRNA预测结果。b) 菟丝子寄生烟草（Nb）、拟南芥（At）接触和对照组织，以及侵入前菟丝子对照组织小RNA杂交结果。c, d) RACE结果及互补位点烟草TIR1同系物结果情况。

结论：

• 寄生植物菟丝子在寄生过程中，在吸器部位可以积累许多新的miRNAs。
• 产生的许多长度为22个核苷酸miRNAs，可以通过小干扰RNA（siRNA）介导宿主靶基因沉默，进而破坏宿主防御体系，促进寄生植物自身生长。
• 这种现象在其他宿主植物，如烟草中同样存在。

昊感受：面对这样一篇Nature文章，可能本身需要做的实验并不太多，就连生物学重复都不强求三次以上，关键是要找准科学问题、选好实验材料及对照，剩下的工作可能就是几次small RNA-seq和几个qRT-PCR能够搞定的。还在犹豫什么，赶快拿出您手边的珍贵材料，来试一试天昊生物的small RNA-seq、全转录组测序和qRT-PCR检测服务吧。