Nature：miRNA信号通路如何抵抗基因组内部的敌人

生殖细胞，即卵细胞和精子结合在一起，就能够跟成体干细胞一样可以发育成任何组织类型。但是生殖细胞是如何产生的呢?我们人类是与生俱来就拥有生殖细胞的，但这与植物有很大的不同。他们首先产生成熟的体细胞，只有后来的“重编程”细胞产生卵子和精子。

植物要生产一个生殖细胞，它必须首先删除一个重要密码子，即一系列连接到横跨称为表观遗传标记的基因组DNA的标记。这些标记区分有效和无效的基因。但这项标记分子有另外一个关键作用。他们不断地破坏转座子，或让“跳跃基因”无效。随着细胞删掉一个表观遗传标记，它会激活转座子，新形成的生殖细胞将会发生很严重的遗传学损伤。

现在，冷泉港实验室(CSHL)和霍华德休斯医学研究所的研究人员宣布一个途径，有助于保持转座子无效，即使表观遗传密码被删除。

冷泉港实验室的诺贝尔奖获得者芭芭拉·麦克林托克在50年前首次发现“跳跃基因”。随后的研究发现，跳跃基因(或转座子)是一个长的、重复的DNA序列。他们类似于古代病毒插入宿主DNA中留下的残余部分。当激活时，转座子自我复制并在基因组中跳来跳去。他们可以把自己插入正确的基因中间，从而扰乱它们的功能。科学家发现，人类基因组的50%以上是由转座子组成。值得注意的是，在植物中，高达90%的基因组是由这些重复序列组成。

当转座子被激活时，它可以插入关键基因内部，扰乱基因的功能和引起不育等多种疾病。为了打击这个范围内始终存在的威胁，细胞已制定严格的机制来控制转座子活动。表观遗传密码的主要机制，一种次要的遗传信息确定我们的DNA如何使用。表观遗传标记修饰人类DNA，用来区分活跃和不活跃的基因。基因组区域被丰富的转座子大量标有灭活信号，而使转座子沉默。

对于植物中的问题，特别是在生殖过程中，一些细胞几乎消除所有的表观遗传标记。“这些标记的丧失使细胞存在巨大的危险，尤其是在生殖时期这样的关键时刻，” 论文的第一作者冷泉港实验室的博士后研究员Kate Creasey博士说。“必须有另一种机制来防止这种广泛的基因组中断。”

冷泉港实验室团队描述一条精确的途径。它们充当通路故障安全，以防止转座子破坏时表观遗传沉默子丢失。该细胞利用小分子RNA(也称为miRNA)，来完成任务。在开发过程中调节基因表达已经知道小分子RNA。“现在我们证明了，例如在生殖细胞中，当转座子激活时，microRNA靶向转座子，”Martienssen说。“这暗示，他们可能已经演变为一个转座子防御机制。”

通过与特拉华大学教授布莱克迈尔斯合作，Martienssen和他的同事发现，microRNA通过一种称为easiRNAs的小分子RNA使转座子沉默。

动物也有类似的转座子防御机制，Martienssen说。“我们在动物生殖细胞系统发现相似的小RNA系统(称为PIWI-相互作用的RNA，或piRNA)，当基因组进行重新编程时，亦能阻止转座子激活的途径。”

原文摘要：

miRNAs trigger widespread epigenetically activated siRNAs from transposons in Arabidopsis

Kate M. Creasey, Jixian Zhai, Filipe Borges, Frederic Van Ex, Michael Regulski, Blake C. Meyers & Robert A. Martienssen

In plants, post-transcriptional gene silencing (PTGS) is mediated by DICER-LIKE 1 (DCL1)-dependent microRNAs (miRNAs), which also trigger 21-nucleotide secondary short interfering RNAs (siRNAs) via RNA-DEPENDENT RNA POLYMERASE 6 (RDR6), DCL4 and ARGONAUTE 1 (AGO1), whereas transcriptional gene silencing (TGS) of transposons is mediated by 24-nucleotide heterochromatic (het)siRNAs, RDR2, DCL3 and AGO4 . Transposons can also give rise to abundant 21-nucleotide ‘epigenetically activated’ small interfering RNAs (easiRNAs) inDECREASED DNA METHYLATION 1 (ddm1) and DNA METHYLTRANSFERASE 1 (met1) mutants, as well as in the vegetative nucleus of pollen grains and in dedifferentiated plant cell cultures. Here we show that easiRNAs in Arabidopsis thaliana resemble secondary siRNAs, in that thousands of transposon transcripts are specifically targeted by more than 50 miRNAs for cleavage and processing by RDR6. Loss of RDR6, DCL4 or DCL1 in a ddm1 background results in loss of 21-nucleotide easiRNAs and severe infertility, but 24-nucleotide hetsiRNAs are partially restored, supporting an antagonistic relationship between PTGS and TGS. Thus miRNA-directed easiRNA biogenesis is a latent mechanism that specifically targets transposon transcripts, but only when they are epigenetically reactivated during reprogramming of the germ line. This ancient recognition mechanism may have been retained both by transposons to evade long-term heterochromatic silencing and by their hosts for genome defence.

标签: 植物 easiRNAs miRNA 转座子

作者：生物帮 点击：次