2023年12月9日下午，南方科技大学生物系教授，及南科大-北大植物与食品研究所所长郭红卫应邀到访华东师范大学生命科学学院，并为我院师生做题为“RNA decay and gene silencing in plants”的报告。本次报告由生命科学学院植物学学科主任李超研究员主持，我院植物组许玲教授、李小方教授、赵琼研究员以及动物组王烁研究员等多名老师及硕博研究生参加了此次报告。
郭红卫老师以RNAi的发现史为切入点，详细讲述了RNAi的作用原理。在植物和无脊椎动物以下生物中的RDR酶(RNA dependent RNA polymerase)以单链RNA为模板，形成双链RNA (dsRNA)。dsRNA被RNase III 样酶Dicer (植物中称为Dicer-like）剪切成特定长度的双链小RNA (siRNA)，siRNA被AGO (Argonaute)识别，将其中一条链降解，余下的单链与AGO以及其他酶形成沉默复合体RISC (RNA-induced silencing complex)，对目标基因转录出的mRNA进行剪切，从而沉默特定基因。然而，为什么有的基因不容易被沉默，而有的基因却很容易被沉默？为什么转入植物体的基因容易被沉默，而内源基因不会被沉默?围绕这两个关键的科学问题郭老师展开了研究。
植物中共有4个Dicer-like (DCL)，其中DCL1剪切产物主要是miRNA，其他3个剪切产物是SiRNA，长度分别为22-nt、24-nt和21-nt。DCL3主要在DNA甲基化中起作用；DCL4介导靶mRNA或非编码RNA (ncRNA)的剪切，主要在生殖发育中起作用；DCL2的突变体没有表型， DCL2以及它剪切产生的22-nt的SiRNA的功能还不清楚。
郭老师团队在对乙烯信号通路的核心转录因子EIN3的研究中，通过遗传筛选的方式筛选到3个调控EIN3活性的基因SKI2、SKI3和EIN5。进一步研究发现，EIN5编码5’→3’的核酸外切酶，SKI复合体作为RNA降解途径中Exason复合体的辅因子参与RNA 3’→5’的降解途径。ski2ein5双突变体表现出严重的发育缺陷，而进一步突变RDR6使得ski2ein5双突的表型得到恢复。5’→3’和3’→5’ RNA降解途径同时受阻时，植物会产生大量DCL4依赖的内源ct-siRNA (Coding Transcript-derived SiRNA)，这类siRNA的产生依赖RDR6-DCL4/2途径，其功能部分依赖AGO1从而启动基因沉默，导致广泛的内源基因沉默以及一系列生长发育缺陷，所以双向RNA降解一个非常重要的功能是防止内源基因的过度沉默。
郭老师团队从ski2ein5双突中检测到的ct-siRNAs主要是21-nt siRNA，含有少量的22-nt siRNA。怎么产生更多的22-nt siRNA呢，郭老师之前提到21-nt siRNA主要由DCL4产生，要增加22-nt siRNA的含量就必须突变DCL4。ski2 dcl4和ein5 dcl4突变体的植株长得非常的矮小，通过测序发现，突变体中产生的绝大多数都是22-nt siRNA，而21-nt和24-nt siRNA含量较低。接下来对22-nt siRNA的功能展开研究，通过小RNA分析发现突变体产生的22-nt siRNA大多来源于硝酸还原酶NIA1和NIA2这两个基因，其主要功能是将NO3-还原为NO2-，最终转换成NH4+。突变体中产生了比较多的22-nt siRNA，但NIA1和NIA2的mRNA没有减少，蛋白含量却有降。在极端缺氮条件下，植物通过降低NIA1/2转录和增加22-nt siRNA，抑制NIA1/2蛋白合成，从而减少氨的供应和氨基酸的积累，降低蛋白质翻译效率。另外22-nt siRNA还可以通过SMXL4和SMXL5应对高温胁迫。那么21-nt或者22-nt siRNA是怎么产生的呢？郭老师团队发现SGS3可通过液液相分离来聚集RDR6和异常mRNA形成siRNA-body，并招募 PTGS (Transgene co-suppression)相关因子(DCL2/4、AGOs等)，从而促进siRNA的产生。
为什么只有在DCL4突变的情况下，植物才能产生比较多的22-nt siRNA？郭老师团队对DCL2和DCL4的结构分析发现，DCL4特有的dsRBD2 (dsRNA binding domain2)调控DCL4活性，并使其优先于DCL2发挥功能。进一步研究发现，将dsRBD2融合到DCL2可显著激活DCL2的活性，导致植物22-nt siRNA的积累，引发逆境响应与免疫反应以及生长发育的缺陷，暗示DCL2的dsRBD2的缺失对保护植物免受22-nt siRNA过激活引发的基因沉默至关重要。
郭老师团队解析了植物基因容易发生沉默的根本原因，发现了导致植物高效基因沉默以及抑制高效基因沉默的通路。那mRNA如何被选择性沉默? 以及如何在农业和园艺上防止和应用此高效基因沉默系统？郭老师团队将进一步深入研究。在报告过程中，郭老师以提出问题的方式，将自己解决问题的思路及过程详细讲解，激发了各位同学对科学问题的思考。报告后，郭老师与在场的师生进行热烈的互动交流，探讨相关科学问题，促进了学术合作。
