N6-腺嘌呤甲基化修饰调控拟南芥中氮素吸收机制的研究

As one of the most abundant modifications on eukaryotic mRNA, m6A plays crucial roles in spermatogenesis, cancer cell proliferation and plant growth and development. The function of m6A is decoded by the “reader” proteins which possesses the YTH domain. Arabidopsis CPSF30 is a newly identified YTH domain-containing gene involves in nitrate signaling, and its YTH domain is important for its function. However, the underlying mechanism is not clear. Nitrogen is an essential macronutrient for plant growth and development It is the central goal for modern agriculture to improve nitrogen use efficiency to reduce the loss of nitrogen into the environment, to decrease the use of nitrogen fertilizer, and to lower its pollution of the environment. Our research will focus on the structural mechanism of AtCPSF30 with its recognition of m6A, to investigate the underlying mechanism of m6A regulation of alternative polyadenylation and nitrate assimilation in plants.

RNA m6A作为真核生物mRNA上最丰富的一种化学修饰，参与了多种重要的生命活动，如精子发生、癌细胞的增殖和植物的生长发育等。m6A修饰可以被一类含有YTH结构域的蛋白家族成员识别以确保其生物学功能的正确执行，对m6A修饰reader蛋白家族的功能研究将有利于阐明m6A修饰调控基因表达的分子机制。最新研究发现拟南芥中CPSF30是一个新的调控NO3-的基因，YTH结构域对CPSF30的功能发挥至关重要，但具体机制尚不清楚。无机氮是植物生长发育所必需的元素之一，然而在农业领域的滥用已经引发严重的环境问题。因而提高作物对氮素的利用率，培育高氮效作物品种在现代农业中的作用愈发重要。本项目通过解析拟南芥中CPSF30的蛋白结构，探索该基因识别m6A修饰的机制，以及该修饰与选择性多聚腺苷酸化的关联是如何影响植物氮素吸收的分子机制，为培育高氮效作物新品种提供理论基础。

m6A甲基化修饰是真核生物mRNA上面丰度最高的RNA修饰，在mRNA代谢的各个层面上都起着重要的作用。但是在植物当中m6A修饰对于mRNA选择性多聚腺苷酸化修饰(APA)的调节仍没有研究。APA现象受到一个多组分大的蛋白-RNA复合体的调控，其中一个组分叫做CPSF30 (CLEAVAGE AND POLYADENYLATION SPECIFICITY FACTOR 30)。在拟南芥中，CPSF30蛋白含有两个变体，其中较长的变体CPSF30-L包含了一个YTH结构域，这一现象在植物当中是非常独特的。我们的研究当中，首先通过结构生物学的手段证明了CPSF30-L的YTH结构域能够特异性的识别m6A修饰。随后我们证明在cpsf30-2突变体当中，许多如氮素信号相关基因等多种基因的转录本都产生了多聚腺苷酸化迁移的情况，并且这些迁移和m6A修饰直接相关，说明了这些携带有m6A修饰的转录本容易被选择性腺苷酸化修饰调控。通过回补实验证明，野生型的CPSF30-L能够回补cpsf30-2对于氮素吸收的缺陷，但是对于影响结合m6A修饰的氨基酸突变体不能回补相关表型。因此，我们的结果证明了在拟南芥当中，m6A修饰能够调节选择性多聚腺苷酸化修饰，同时也证明了CPSF30-L蛋白是m6A的直接“reader”蛋白进而调控氮素相关基因的APA，从而影响氮素吸收过程。我们的结果为m6A修饰与APA现象建立了直接的关联性，也为氮素代谢过程中相关基因转录本的调节提供了新的研究思路。