R-loop介导的tRNA基因表达和蛋白质翻译的分子机制研究

The correct expression of tRNA is the prerequisite for its participation in protein synthesis as a decoder of the genetic code. Our previous studies have shown that sense R-loop is enriched in tRNA gene regions. Based on this important discovery, this project will further explore the formation and function of R-loop in tRNA gene regions and establish a mechanism of tRNA gene expression regulation. The research contents include :(1) Screen the effectors related to tRNA transcription, processing and transportation, and investigate their function on tRNA genes and tRNA gene regions R-loop;(2) Identify R-loop regulators and test their effect on tRNA gene regions R-loop and tRNA transcription;(3) Clarify the relationship between R-loop and tRNA gene transcription, and explore whether this mechanism is evolutionarily universal. Results from this project will promote the understanding of gene transcription regulation. Besides, the outcomes of this project could potentially afford new insight on improving the quality and content of protein in agricultural production.

tRNA的正常表达是其作为遗传密码解码器参与蛋白质合成的前提。实验室前期研究表明tRNA基因区域含有正义R-loop。本项目将进一步探究tRNA基因区R-loop的形成及其功能，以期建立tRNA基因表达调控的精细机制。研究内容包括：（1）筛选拟南芥tRNA基因转录、加工修饰以及转运出核相关蛋白，研究其对tRNA基因转录和tRNA基因区R-loop的调控；（2）筛选拟南芥tRNA基因区R-loop调控蛋白，研究其对tRNA基因区R-loop的调控及其对tRNA转录的调控；（3）阐明tRNA基因区R-loop与tRNA基因转录之间的关系，探究该机制是否在进化上具有普遍意义。本研究不仅可以促进对生命过程中基因转录调控的理解，而且对农业生产中提高蛋白质品质和含量具有重要指导意义。

tRNA 在遗传密码转译成氨基酸的过程中发挥重要功能，是生命体蛋白质合成不可或缺的成分。R-loop是由一条RNA:DNA杂合链和一条单链DNA组成的三链染色质结构。申请人所在实验室前期研究发现R-loop在拟南芥染色质中广泛存在，与大多数基因同时含有正义R-loop和反义R-loop不同，tRNA基因区富含正义R-loop。本研究围绕tRNA基因区R-loop的形成及其功能进行研究并取得以下重要研究成果：（1）拟南芥中处在基因内部的tRNA基因具有较高的正义R-loop，并且这种现象在人类中保守存在。（2）在RNAPIII突变体nrpc7-1中，基因内tRNA R-loop减少，说明tRNA R-loop与tRNA基因的转录正相关。（3）NRPC7与RNAPIIS2P(转录延伸状态的RNA聚合酶II)在基因内tRNA基因上共定位，NRPC7干扰RNAPIIS2P的转录延伸。反过来，抑制RNAPII延伸后，NRPC7在基因内tRNA基因上的结合增加。（4）RNAPIII抑制部分tRNA宿主基因的转录。（5）通过CRISPR/Cas9技术敲除基因内tRNA和通过dCas9-RNase H/dCas9-dRNase H技术改变基因内tRNA R-loop证明这种抑制依赖于基因内tRNA R-loop。（6）减轻基因内tRNAPro R-loop对其宿主基因AtNUDX1的抑制可增强拟南芥对氧化胁迫的耐受性。（7）tRNA R-loop受到拟南芥生长发育时期和胁迫应答的影响，对黑暗处理尤其敏感。本研究促进了对R-loop这一特殊染色质结构的形成和功能的理解，为tRNA基因介导的沉默（tRNA gene–mediated (TGM) silencing）机制提供了一种全新的解释。由于tRNA R-loop参与拟南芥对氧化还原胁迫的应答，因此本研究对培育抗逆作物具有借鉴意义。由于tRNA的基因个数与其对应氨基酸在植物总蛋白中的丰度成正比，因此本研究将对农业生产中提高蛋白质品质具有重要指导意义。