孙前文实验室报道R-loop介导拟南芥中叶绿体基因组稳定性维持的新机制

2020年1月7日,清华大学生命学院孙前文实验室在Cell Reports杂志在线发表题为“RHON1共转录移除R-loop以维持拟南芥叶绿体基因组稳定性 (RHON1 co-transcriptionally resolves R-loops for Arabidopsis chloroplast genome maintenance)”的研究论文。该研究揭示拟南芥中一种与细菌Rho因子同源的DNA:RNA解旋酶RHON1与RNase H1分别通过不同的途径,来限制转录-复制正面对撞(HO-TRCs: Head-On direction Transcription-Replication Conflicts)导致的R-loop积累从而稳定叶绿体基因组的分子机制。

防止转录-复制正面对撞诱发的R-loop积累对细菌、植物以及哺乳动物基因组稳定性的维持至关重要。孙前文实验室前期已经鉴定了一个RNase H1类的R-loop移除酶AtRNH1C可以与DNA Gyrase互作降解R-loop中的RNA,从而有效地松弛HO-TRCs以稳定叶绿体基因组(Yang et al., The Plant Cell, 2017)。

但是,目前尚不清楚当RNase H蛋白缺乏时,生物体如何抵抗HO-TRCs诱发的R-loop积累。为了更好的建立调控R-loop水平以维持基因组稳定性的调控网络,孙前文实验室以atrnh1c突变体为模型,巧妙的设计了两种筛选策略以寻找参与清除HO-TRCs诱发的R-loop积累从而稳定叶绿体基因组的因子。通过筛选,他们鉴定出了一条与AtRNH1C途径相平行的R-loop移除通路:DNA:RNA解旋酶RHON1介导的R-loop移除。RHON1的过表达可以挽救由于AtRNH1C基因突变引起的HO-TRCs相关的R-loop积累(图一)。进一步研究发现RHON1可以与质体编码的RNA聚合酶(PEP)相互作用,通过协调PEP的转录活性,缓解基因组上转录复制对撞之间的冲突,同时限制和移除叶绿体基因组上形成的R-loop结构,进而维持基因组稳定(图二)。这一研究结果表明,生物利用多种机制逃避HO-TRC诱发的R-loop积累,从而维持基因组完整性。

图1:RHON1是一条与AtRNH1C途径相平行的R-loop移除通路。

RHON1的过表达(OERHON1c)抑制atrnh1c突变体缺陷,同样AtRNH1C的过表达(OE1Crho)恢复rhon1突变体表型。

图2:两种互补的R-loop介导叶绿体基因组稳定性维持的途径。

清华大学生命学院博士研究生杨卓为本文第一作者,清华大学生命学院孙前文研究员为本文的通讯作者,孙前文实验室的研究助理李孟孟在材料准备和验证等方面做出贡献。该工作得到国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划以及生命科学联合中心等经费的支持。

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