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百乐门棋牌:我校郭红卫教授在Current Opinion in

作者: 产品评测  发布:2019-12-16

遗传信息从DNA流向RNA的转录过程,是细胞最重要的生命活动之一。基因转录具有两个看似矛盾的特性:精确与随机。一个基因何时、以何速率转录,是严格受控、精准进行的。但是,即使调控信号维持恒定,基因的转录速率却是动态变化的。对这种转录“二象性”的解读,本质上是对转录机器的运转机制和信号转导机制的研究,是生命科学的基础性课题。近年来,这一经典课题愈发困扰学术界。原因是越来越多的证据表明,从原核基因到高等真核基因,无论是看家型基因还是应激型基因,其转录都不是平稳的泊松过程,而是断断续续的“爆发式”过程。转录爆发是指一个处于活性态的基因,多数时候是静默的、没有信使RNA的生成,但会偶尔且突然地进入爆发期。爆发期很短,最长的不超过一百多秒,生成的信使RNA最多可达数十个。转录爆发的普遍存在,提出了一个尖锐的问题:转录调控的精确性是如何实现的?

近日,我校生物系郭红卫教授在生物学综述性期刊Current Opinion in Plant Biology在线发表了题为mRNA decay in plants: both quantity and quality matter的特邀综述性文章。论文系统总结了近年来植物信使RNA 代谢和mRNA质量监控研究领域的最新进展,并重点探讨了mRNA降解机制在植物生长发育中的重要作用。

物理学院王炜和刘锋教授团队在基因转录调控领域开展了一系列创新性研究工作。最近,他们在生物学重要期刊《Biological Reviews》上发表了针对基因转录爆发的研究型综述文章“Gene Transcription in Bursting: A Unified Mode for Realizing Accuracy and Stochasticity” (https://onlinelibrary.wiley.com/ doi/full/10.1111/brv.12452)。论文第一作者为王耀来博士。

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论文不仅详细介绍了转录的动力学现象和模型、指明了生物学不同研究方向之间的认知鸿沟,更是在分子层次上统一了各类转录模型、并阐释了“转录调控的信息转导机制”。论文指出,文献中的真核转录爆发模型,如多尺度模型和连续性模型,都可以在分子层次上被该团队早期所提出的Wang-Liu-Wang模型统一(为数值模拟的结果所证实)。这意味着,真核生物的转录机器很可能遵循相似的工作原理。人们可以直接从Wang-Liu-Wang模型出发研究转录动力学,而不必困扰于模型的选择。论文进一步阐明,转录爆发的频率,而非幅度或时间跨度,是转录调控的对象;即转录调控是一类“数字”式的信号转换。转录爆发的频率调制,可确保基因转录的精确性与随机性的和谐统一,实现细胞的信号转导。

郭红卫教授主要研究植物激素的信号转导机制以及基因转录后沉默的调控机理。近年来,郭红卫课题组深入研究mRNA降解抑制转录后基因沉默的分子机制,并获得重大突破,2015年,研究成果发表在Science杂志。

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图1. 真核生物转录机器的一般性工作原理与信号响应函数。在媒介子与增强子之间,形成了不稳定的钳形空间结构。转录激活子快速进出钳形空间,单次停留时间不超过2~3分钟。激活子的进入导致了钳形空间以及脚手架的构象变化,使得RNA聚合酶II能够极为频繁地起始转录,造成了单次爆发。随着激活子的浓度增加,激活子对钳形空间的时间占有率在概率上增加直至饱和。这种统计意义上的映射,具有强滤噪功能和高鲁棒性特征。

真核生物中,mRNA的降解对于mRNA的数量和质量调控都发挥关键的作用。成熟的mRNA在细胞中作为模板指导蛋白质的合成,而参与蛋白质翻译的mRNA的数量受到精确调控。这一过程不仅取决于基因的转录水平,也决定于mRNA的降解速率。mRNA 降解主要包括多聚腺苷酸尾(polyA tail)的去除,脱帽(decapping)和核酸酶(ribonuclease)的消化。新近的研究表明,植物细胞中mRNA也可以在蛋白翻译进行的同时被核酸酶消化,即mRNA逐步退出蛋白翻译过程与其降解是偶联的过程。为保证蛋白翻译的准确性,植物细胞主要通过依赖翻译的mRNA质量监控机制进行缺陷mRNA的分选及清除,从而实现mRNA质量的调控。这些mRNA质量监控机制同时也可以作为一种基因表达调控方式精细调节植物生长发育及环境适应性。在有缺陷的mRNA不能被核酸酶及时清除时,植物启动依赖小RNA的转录后基因沉默途径(PTGS, posttranscriptional gene silencing)加以剪切使其丧失功能。转录后基因沉默作为一种防御手段清除过量产生的异常mRNA尤其是外源基因表达的mRNA,同时mRNA降解途径确保转录后基因沉默极少作用于内源编码基因。该综述对上述过程的分子机制及其在植物中的生物学功能进行梳理论述,并展望植物领域关于mRNA动态降解以及mRNA的数量和质量监控机制有待研究的问题。

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