热胁迫下拟南芥转录终止扰动的机制研究

Ambient temperature is one of the most important environment factors that direct all organisms for morphogenesis, metabolisms and growth. Plants have evolved efficient mechanisms adapting temperature fluctuation such as heat stress response (HSR). Although transcriptional regulatory network of plant HSR has been established, little is known on the genome-wide transcriptional changes. There are several steps in transcription, including initiation, pausing, elongation and termination, which cannot be distinguished by measuring mRNA level. In our previous study, we profiled nascent RNA biosynthesis by GRO-seq under heat stress in Arabidopsis, and found a wide range of transcription termination defects, i.e. transcription readthrough, that is, transcription extends out of the range of normal transcription termination region. In animals, a number of abiotic and biotic stresses have been found to cause large scale of transcription readthrough, implying that transcription readthrough may be evolutionarily conservative. However, little is known about how it takes place and what is the biological function. Here, we proposed to address the following questions using multiple high-throughput sequencing technologies, bioinformatics and molecular genetics: how does heat stress trigger transcription termination defects? What types of transcripts are produced by transcription readthrough? Does transcription readthrough regulate gene expression?

温度是影响植物生长发育最重要的环境因素之一，作为固着生物，植物能在转录水平快速响应外界温度变化。热胁迫下的转录调控机制是植物耐热和转录调控两大研究领域的核心问题。转录包括起始、暂停、延伸、终止等多个步骤，基于mRNA水平的传统方法无法揭示环境因素改变对转录过程的直接影响。为克服上述瓶颈，我们在基因组水平利用新生RNA检测技术(GRO-seq)，发现热胁迫导致拟南芥大规模转录终止效率降低，出现转录通读，即基因转录未正常终止而继续向前转录的现象。动物的研究中也发现多种非生物胁迫或生物胁迫造成基因转录通读，因此推测转录通读是进化上保守的机制。但无论在动物还是植物中，对其产生机理及生物学意义尚不理解。本项目拟结合多种转录组学、生物信息学和分子遗传学手段，阐明热胁迫对拟南芥转录终止效率的影响，研究转录通读产生的RNA的分子特征及其在转录调控中的作用，并探索其形成机理。

温度是影响植物生长发育最重要的环境因素之一。全球气候变暖致使植物生长发育乃至植被分布和多样性都受到严重危害，如高温导致农作物节律改变，授粉结实过程障碍，造成产量降低，影响粮食安全。对人类社会来说是一大挑战。另外，植物在数以亿年的进化过程中，获得了应对外界温度改变的能力，包括主动改变转录进程的能力。因而，植物在高温下的转录调控是分子遗传学家关心的问题之一。本项目以模式植物拟南芥为对象，利用转录组学、生物信息学，以及分子遗传学等手段揭示热胁迫下植物转录终止扰动的特征，探究其分子机制及生物学意义。本项目的主要研究内容及结论如下：(1) 通过新生RNA测序GRO-seq和pNET-seq揭示热胁迫对植物转录终止的影响，研究发现热胁迫导致全基因组范围内基因转录终止的变化，出现转录通读的现象；(2) 尽管转录通读对下游基因的表达没有显著影响，但利用CB RNA-seq、PAT-seq等组学手段，发现转录通读将导致部分基因发生融合；一些转录通读的转录本能够利用新的poly(A)加尾信号，从而产生3’UTR变长的转录本；热胁迫条件下有更多非常规的多聚腺苷酸位点被利用；(3) 通过对时间序列的热胁迫及恢复过程中基因转录的动态变化，发现热胁迫响应转录因子的复杂调控模式；(4) 通过western blot检测了热胁迫条件下磷酸化状态的Pol II随热胁迫的变化，表明Pol II CTD可能直接通过其磷酸化状态的改变而直接感受外界温度的波动，从而调控基因转录；(5) 以T-DNA插入突变体zou-4为对象，建立1个筛选植物基因转录终止因子的模型，并利用EMS诱变获得1个参与转录终止加工的因子SPZ4。本项目的研究为我们深入理解高等真核生物在转录水平响应外界胁迫提供了线索。