核仁小分子RNA参与拟南芥顶端分生组织发育调控的分子机制

Small nucleolar RNAs (snoRNA) represent a class of noncoding RNAs that are widely distributed in eukaryotes. Due to their important functions in the modification and processing of other RNAs, as well as their gradually exploited new functions, they became one of the research hotspots in RNA research. snoRNAs in animals have been found to regulate multiple vital biological processes, however, the functional link of individual snoRNA to plant growth and development remains to be obscure. Based on our previous study on the identification and characterization of Arabidopsis snoRNAs on a genome-wide scale, we screened and identified a key snoRNA, designated HIT2, that is most likely essential for the development of apical meristem in Arabidopsis. Combined with the advanced technologies and methods in RNA research, we will investigate the molecular mechanism of HIT2 regulating meristem development in Arabidopsis through the following four aspects: functional study of HIT2 in apical meristem development, the transcriptional regulation of HIT2 in vivo, structure to function dissection of HIT2, and the identification of HIT2 interacting proteins and its downstream targets. We aim to uncover snoRNA mediated new regulatory network in control of plant growth and development in the model plant Arabidopsis, which will provide the theoretical basis for crop genetic improvement.

核仁小分子RNA是一类广泛存在于真核生物中的非编码RNA。因其在介导核酸修饰加工方面的重要性及其不断被发现的新功能使该类分子成为近年来RNA研究中的重要对象之一。虽然在动物中人们发现它们可以不同机制参与调节多种重要生命过程，但单个核仁小分子RNA对高等植物生长发育的调控作用尚未见报道。本项目基于实验室前期对拟南芥全基因组核仁小分子RNA的注释与分析，以一个很可能参与拟南芥顶端分生组织发育调控的核仁小分子RNA（HIT2）为对象来研究其生物学功能与作用机理。我们拟结合RNA研究中的新技术与方法，通过HIT2在分生组织发育中的功能分析、HIT2自身转录调控分析、HIT2特征序列元件与功能分析以及HIT2功能效应与关键下游作用因子鉴定四个方面揭示其植物体内的作用机制。我们的目标是揭示关键核仁小分子RNA在植物生长发育中介导的新遗传信息传递网络，为主要农作物与经济作物的培育提供重要的理论基础。

核仁小分子RNA（small nucleolar RNA, snoRNA）广布于古细菌和真核生物中。已有研究表明snoRNA在动植物生长发育以及人类重大疾病中具有重要的调控作用。植物中的snoRNA种类丰富，但有关它们的功能研究相对匮乏。本研究结合遗传学与RNA生物学研究方法，对snoRNA HID2 （HIDDEN TREASURE 2）参与植物顶端分生组织发育调控的分子机理进行深入研究。HID2 表达下降明显的突变体hid2幼苗和成株均具有明显生长发育缺陷，其表型与核糖体大、小亚基的编码基因突变体类似。HID2在拟南芥中编码一个C/D box snoRNA, 在植物细胞分裂旺盛区域呈特异性表达，并定位于细胞核仁区。我们研究发现HID2主要通过与核糖体RNA (ribosomal RNA, rRNA)最初前体45S pre-rRNA结合，确保pre-rRNA准确且有效的加工为成熟形式，进而保证核糖体的精确装配和植物正常的生长发育。结合正向遗传学筛选与图位克隆方法，我们克隆了多个HID2的遗传学抑制基因，其中包括polymerase-associated factor 1 complex （PAF1C）复合体的四个关键组分基因。进一步的研究表明，PAF1C复合体组分基因功能缺失均可部分回复hid2真叶生长速率缺陷。在分子水平PAF1C复合体组分缺失可回复hid2突变体中核糖体前体分子的加工缺陷。HID2与PAF1C均在真核生物中保守，阐明它们在植物中的相互调控关系很可能对于深入理解真核生物中snoRNA的分子作用机理具有普适性。综上，我们的研究初步建立了snoRNA 表达的时空特异性、表达强度与核糖体组装准确性及生物合成效率之间的分子联系，进一步拓展了人们对于snoRNA 这一类非编码RNA 介导的遗传调控网络的认识。