寻找植物中mRNA修改景观

背景

基因表达的精确调节对于在最佳和具有挑战性的条件下的生物体正常运作是必不可少的。最常见的注重式调节机制包括调节转录，翻译和调整转录物和蛋白质半衰期。最近在基因表达调节剂的竞技场中出现了新的球员 - MRNA的化学修饰。

主要内容

最新研究表明，修饰的核糖核苷酸会影响转录剪接，定位，二次结构，与其他分子的相互作用和翻译效率。到目前为止，关注大部分都集中在最普遍的mRNA改性 - 氮素处的腺苷甲基化^6.位置（M.^6.一种）。然而，在其他修饰的核糖核苷酸，例如胞嘧啶在5'位置甲基化的形成和可能的功能初始报告（米^5.C），8-羟基胍（8-OHG）和8-硝基胍（8-NO）₂G)，已经开始出现在文献中。此外，一些报道表明伪尿嘧啶(Ψ)存在于mrna中，并可能在真核细胞中发挥重要的调节功能。本文综述了目前有关上述修饰的核糖核酸(m^6.,米^5.C 8-OHG实际上不是₂G)不同植物物种的转录本，包括拟南芥、水稻、向日葵、小麦、大豆和土豆。

结论

核糖核苷酸的化学修饰影响mRNA的稳定性和翻译效率。因此它们构成了基因表达调控的一种新发现的层和对发展具有深远的影响和各种生物体（包括植物）的运作。

关于RNA改性的第一个信息出现在二十世纪中期，并描述了在TRNA中的假尿苷（Ⅵ）的发生。最初被称为“第五个核苷酸”[1那2］．不久之后，在包括信使RNA在内的其他RNA类型中发现了核糖核苷酸修饰。20世纪70年代首次报道了mRNA capping过程中7-甲基鸟苷的形成[3.］．同时，n中腺苷的甲基化^6.MRNA中第一次检测到位置[4.那5.那6.］．由于缺乏先进的分子生物学技术，对改性核糖核苷酸的研究进一步进行了近50年。近年来，随着新技术的发展，研究已经显着加速了，包括下一代测序（NGS）和生物信息工具。如今，RNA修饰的数据库，Modomics，包括超过160种改性核糖核苷酸[7.］．虽然许多它们的确切功能仍然难以捉摸，但是已知修饰的核苷酸可以影响mRNA的二级结构，稳定性和与其他分子的相互作用，例如RRNA，TRNA和RNA结合蛋白（RBP）。随之而来的下游效应包括调制转录性加工，半衰期，运输和翻译效率，所有这些都对蜂窝功能具有深远的影响[8.那9.］．一些关键的过程，如细胞分化，发育，性测定，昼夜节律，应激反应和发病机制是通过mRNA化学修饰来调节[10那11］．

虽然在动物和人类模型中进行了致力于eAtranscriptomics主题的大多数研究，但在植物中也已经在该领域进行了重大进展。Burgess，David和Searle最近审查了各种植物RNA类型的修饰[12］．这篇文章主要集中在mRNA中修饰的核糖核苷酸。它提供了腺嘌呤甲基化在N^6.位置（M.^6.A)，胞嘧啶在5 '位置甲基化(m^5.C），8-羟基胍（8-OHG）和8-硝基胍（8-NO）₂G)(图1），突出了它们在基因表达，植物发育和应激反应的调节中的深刻作用。

信使核糖核酸甲基化

腺苷在N^6.位置（M.^6.A)是研究最广泛的信使rna内部修饰。20世纪70年代首次在燕麦、玉米和小麦中发现[13那14那15］．然而，随着测序、生物信息学和基因工程技术的进步，人们对m的分布和可能的功能有了更详细的了解^6.一种。

最近的报道表明，腺苷甲基化特别广泛 - 在拟南芥的70-77％中发现。甚至更高的甲基化率尤其注意到了细胞器中的甚至甲基化率 - 该改性在线粒体的86-90％的转录物中发现了98-100％的叶绿体中。甲基化腺苷主要存在于共识RRM中^6.ACH序列(其中R代表A或G, H代表A、C或T)，位于终止密码子附近的3 ' UTR区域[16那17那18那19那20.]，但也有报道显示它也可能发生在起始密码子附近[21.］．m的水平^6.a是短暂的并且取决于酶机机械的活性，由所谓的“作者”组成，其催化甲基化过程，“橡皮擦”介导腺苷去甲基化。此外，第三组蛋白质名为“读者”，对M很重要^6.一种新陈代谢。这些蛋白质与甲基化腺苷结合并介导下游效果。读者通常包含从事M的YTH域^6.识别[17那22.］．已鉴定的植物writer、erase和reader蛋白及其下调或上调对植物表型的影响见表1。

m的精确调节^6.代谢对于适当的植物开发是必不可少的。拟南芥和稻米的研究表明了^6.阿形成与的器官特异性功能的发展相关联。例如在叶编码蛋白稻选择性甲基化的基因（SMG）接合在光合作用，同时在参与转录的调控愈伤编码蛋白质冲锋枪，核酸结合和氮代谢[19］．甲基化/去甲基化机械中的改变导致发育过程中涉及的转录物的稳定性变化，因此，对严重发育缺陷，包括胚胎表型，血管组织的干扰发育，阻碍的花序间和根生长，改变的结构拍摄顶端公司（SAM），叶子玫瑰花丝和毛皮组分支，在花卉建筑中的花卉开发和干扰的时序变化[21.那23.那24.那25.那26.那27.］．

腺苷甲基化在转录物中的下游效果最有可能依赖于结合读者蛋白的类型[21.那25.］．根据“n^6.- 甲基壬酸胺依赖性RNA结构开关“模型，腺苷甲基化导致mRNA的重塑，并增加其具有特定读者蛋白的结合能力，通常是Yth家族的成员[35.］．对人体和动物模型的研究表明，m^6.A可能以许多明显的方式影响mRNA代谢 - 通过将其转化从细胞核增加到细胞质，调节稳定性，增强平移或影响拼接来增加[8.］．近年来的研究产生了一项关于属于植物中益域家族的蛋白质的丰富研究，包括拟南芥，水稻，中国蟹苹果和黄瓜（在表中列出）1)．研究最多的蛋白可能是拟南芥中进化保守的C-terminal Region 2 (Evolutionary conservative C-terminal Region 2, ECT2)蛋白。已经证明ECT2与m^6.富集的地区和稳定的转录物涉及培养的毛皮组织的发育，例如透明Testa Glabra1.（TTG1），不规则的毛状体分支1（ITB1.） 和扭曲的richomes2.（DIS2)．ECT2功能的丧失导致毛状体警觉的发育，反映在分支增加[28.那29.那30.］．属于yth结构域家族的蛋白质的可变表达响应于应力因子表明，除了他们参与发育过程之外，这些蛋白质还可能在植物对不利条件的反应中发挥作用[31.那32.那33.］．这种假设是通过引入苹果的事实进一步加强MhYTP1和mhytp2.，属于YTH结构域蛋白拟南芥植物对盐度和干旱的耐受性更高[34.］．总之，所描述的实施例表明，米^6.A是一个广泛的修改在大多数mRNA的发现，并且它通过特定的转录物的稳定性的调控影响植物的发育。然而，这是很可能，它的作用是比较复杂的，因为在人类和动物细胞的情况下观察到的。例如，在拼接斑点腺苷甲基化复合物的元素的共定位表明m的推定的接合^6.pre-mRNA剪接中的A [24.］．然而，到目前为止，该功能尚未在植物中实验证实。

虽然米^6.A是最丰富的甲基化依赖性mRNA修饰，其他甲基化核糖核苷酸也可能对植物细胞的功能产生显着影响[18］．实际上，在5'位置中的胞嘧啶甲基化的过程（m^5.C) mRNA在拟南芥中已被报道(拟南芥),玉米(Zea Mays.）， 白饭 （奥雅萨苜蓿），Foxtail Millet（Sateriaitalica）和桶三叶子（Medicago Truncatula.），后者显示最高水平。该修饰的形成取决于TRNA特异性甲基转移酶4（TRM4）的活性，并通过各种外部因素调节，例如干旱，热量和用植物激素治疗。下降的水平^5.C与缩短根长、阻碍细胞增殖和增加对氧化应激的敏感性有关，表明它在植物发育和氧化反应的调节中发挥作用[36.那37.］．然而，这种现象的确切机制至今仍是未知的。关于m的有趣报道^5.C和RNA：M^5.C甲基转移酶（RCMTS）功能来自于人体细胞的研究。在白血病细胞上进行的最近进行的结果表明含有M的新生RNA^5.C可能与特异性RCMT和其他相关蛋白形成复合物。形成的复合物与染色质相互作用并影响其结构。根据结合RCMT的类型，这些染色质结构的变化会引起对氮杂胞苷(5-AZA)的敏感性或耐药性，氮杂胞苷是用于治疗血液系统恶性肿瘤的药物之一[38.］．因此极有可能通过复合物形成米^5.C RNA和另外的蛋白质调节染色质结构，结果其结合能力和可能转录活性。

氧化mRNA修饰

活性氧（ROS）的形成可能伴随着第一个氧分子的外观2.4-3.8十亿年前。过量，这些高反应性的化合物导致在生物分子，包括蛋白质，脂质和核酸损伤。然而，ROS也从事重要的细胞过程，如信号传导，分化，防御反应和程序性细胞死亡。因此，保持充足的ROS水平是有机体的正常运作[不可或缺39.］．许多核酸的修饰可能是活性氧作用的结果[40］．最常见的是在RNA中的DNA和8-羟基胍（8-OHG）中的8-羟基胍苷（8-OHDG）。最初认为它们的发生是氧化损伤的症状。然而，最近的报告表明，他们的作用可能更复杂。

人mRNA中的8 ohg的高频率与神经变性和神经发育障碍的发育有关，包括阿尔茨海默氏症和帕金森病，肌萎缩侧面硬化症（ALS），石油症，精神分裂症，癫痫和朊病毒疾病的痴呆症[11那41.］．患有唐氏综合征，肺肺部，遗传性血细胞瘤和II型糖尿病的患者还注意到该mRNA氧化标记的升高水平也注明了这种mRNA氧化标志物。41.那42.］．此外，提出8-OHG是衰老的标志物。超过1000人进行的研究表明尿8-OHG水平和年龄增加之间的相关性。标记的水平在与11-20岁年龄相比的人员相比，人们在81-90岁的情况下增加了几乎两倍43.］．同样，早熟酵母突变体的8-OHG水平也明显高于野生型[44.］．8-OHG的形成与退化过程之间的关联可能表明，RNA氧化是发病和损伤的症状。然而，一些研究指出，这种改变的发生先于实际致病症状的发展。另外，这是一种局限于特定转录本的选择性过程，它会阻碍特定蛋白质的翻译[45.那46.］．更有趣的是，在植物中，转录本中8-OHG的形成第一次被观察到是在植物生命周期的一个正常过程中:种子休眠的打破。在这种情况下，这个过程也仅限于一个确定的转录本，并导致编码蛋白水平下降。例如，在非休眠的葵花籽中，富含8-OHG的转录本与代谢、运输和应激反应有关。在小麦种子的后熟过程中，氧化主要发生在参与营养物质储存和α-淀粉酶活性调控的转录本蛋白上。结果表明，转录本的氧化可能在调控种子萌发中起重要作用。根据这一假设，增加的氧化mrna与休眠过程(例如α淀粉酶、胰蛋白酶抑制剂和淀粉合成酶）导致编码蛋白质水平降低以及种子休眠的突破[47.那48.］．RNA氧化在植物应激反应中的确切作用尚未阐明。镉暴露可诱导大豆和拟南芥线虫mRNA和/或总RNA中8-OHG的形成。有趣的是，在这两种情况下，转录本氧化都是一个快速的过程，发生在应激反应的最初几个小时，大大早于氧化应激标志物的过度积累[49.那50.］．这些发现表明转录本中8-OHG的形成是一种初级反应。

8-OHG在mRNA中存在的一个重要后果是翻译受阻，导致编码蛋白水平下降。8-OHG依赖的核糖体失速的机制最近被描述。对重组细菌系统进行的体外研究表明，8-OHG导致翻译过程减慢2-4个量级。无论氧化碱基在密码子中的位置如何，即使是在摇摆的位置，都能观察到这种效应。在真核生物提取物中，8-OHG的存在几乎完全抑制了翻译。转录本中经过修饰的核苷酸的形成导致了RNA-RNA相互作用的改变，并阻止了解码中心的活性构象的适应。同时，已经证明氧化的转录本受到基于核糖体的质量控制，并注定通过No-Go衰变通路(NGD)降解[9.］．有趣的是，翻译过程可能不仅被mRNA的氧化所抑制，而且被rRNA的氧化所抑制。进行的研究E.coli.表明过氧化氢处理导致RRNA中的8-OHG水平显着增加，特别是在来自大核糖体亚单元的23s rRNA中。一些氧化热点位于肽基转移酶中心（PCT）附近，这对于蛋白质伸长至关重要。随后的实验证明，在A2451位置和U2585位置中的5-羟基脲基的插入8-羟基脲导致翻译的显着抑制。另一方面，在C2063位置引入5-羟基胞嘧啶，增加蛋白质生物合成[51.］．

关于氧化转录物命运的信息主要来自对细菌和人类模型进行的研究。它已在HeLa细胞系中显示，氧化RNA水平在氧化应激缩回的第一小时内下降50％。最多可能的8 OHG富含的转录物被特异性核糖核酸酶（RNASED）除去。实际上，一些蛋白质从事RNA稳定性和降解的调节，例如多核苷酸磷酸化酶（PNPase）大肠杆菌已发现人类中的YB-1蛋白质与8-OHG富含RNA的高亲和力[52.］．此外，已经证明RNA聚合酶将8-羟基鸟苷三磷酸(8-oxoGTP)纳入mRNA的速率明显低于其未修饰的对应物——鸟苷三磷酸(GTP)。因此，在转录过程中也存在一种通过抑制8-OHG掺入来阻止富含8-OHG转录本生物合成的机制[53.那54.］．

mRNA的硝化修饰

一氧化氮（NO）用作动物和植物系统中的关键信号分子，并且不产生另外的一系列化合物，共同称为反应性氮物质（RNS）。细胞Milieu中最佳识别的RNS是过氧硝酸盐（ONOO），一种强大的硝化剂，在不与超氧化物之间的极快和扩散控制的反应中形成（O.₂˙˙）。有很好的记录，Onoo¯或氮氧化物可以修饰蛋白质，脂质和寡核苷酸，显着影响其生物化学[55.］．Onoo¯和鸟嘌呤之间的反应导致生产几种产品，其中8-氧通和8-硝基胍（8-no₂-G)最为丰富。因此，8-NO的积累₂-G可以被认为是核酸硝化的有效标志。重要的是，鸟嘌呤在核酸中的硝化发生在选定的位置，主要发生在C8位置[56.那57.］．与蛋白质和脂类不同，核酸的硝化现象在植物中还远远没有被认识到。

通常，嵌入DNA和RNA中的核苷酸的硝化核苷酸和由此产生的8-NO₂-G在RNS存在时首先在感染肝吸虫的仓鼠肝脏中显示Opisthorchis Viverrini.[58.和人胃粘膜感染幽门螺杆菌[59.］．在这两种情况下，硝化作用都与感染或炎症诱发的癌变有关[60.］．虽然大多数关于核酸硝化的研究已经集中在DNA上，但是可以推测RNA和mRNA更容易受到该改性的影响，如通过ROS氧化的情况下[61.］．

寻找RNS与植物对病原体攻击的防御反应之间的新联系，最近使证明核酸硝化现象也发生在植物细胞中成为可能。使用免疫分析法，作者检测到8-NO的存在₂-G在马铃薯叶片中接种Phytophthora Infestans.，枯萎病的原因。值得注意的是，即使在接种后的第一个小时内，耐药响应伴随着令人印象深刻和时间有限的氮化RNA和mRNA池的积累。出乎意料地，来自易感马铃薯细胞的RNA和mRNA揭示了时间延迟，绝对较低的8-NO₂-G。临时，大量的8 - 否₂-G in the mRNA noted in the resistant response suggests that the phenomenon is rather selective and restrained by thus far unidentified control mechanisms.基于该实验，嵌入RNA和mRNA中的偶尼核苷酸的硝化作为促进过敏反应（HR）在无毒病原体植物相互作用期间的氧化还原环境的早期开关。因此，靶向RNA / mRNA硝化可以调节转录后基因表达和微调细胞信号，在人力资源期间有助于编程细胞死亡[62.］．可以假设，mRNA中硝化碱基的直接后果是通过转录本上的核糖体阻滞而阻碍翻译，就像氧化修饰的mRNA一样。毫无疑问，8-NO的生理命运和鉴定₂-g植物开发期间的丰富转录物，对病原体攻击的反应以及其他刺激等待实验验证。

虽然转录物修改正在增加越来越关注，但似乎我们仍然处于解码“eptrancemadom字母表”的早期阶段。特别是在植物的情况下，我们的知识似乎是分散的。另一方面，即使是迄今为止的有限报告甚至揭示了转录物修饰在植物功能中的关键作用。已经表明植物MRNA富集^6.- 甲基壬酸（M.^6.a），5-甲基胞嘧啶（m^5.C），8-羟基胍（8-OHG）和8-硝基胍（8-NO）₂g）（在表中总结2)．所有这些变化都隐含在发育过程的调控中。m的形成变化^6.导致植物发育严重缺陷。这种修饰的功能是由特定的结合蛋白介导的，调节转录的稳定性。同样，m的水平也降低了^5.C在植物的生长和发展中导致干扰。反过来，在特定转录物中的8小时选择性形成导致妨碍翻译和编码蛋白水平的降低。这种机制涉及调节种子休眠的破裂。

通过实验工作牢固地证明了上述植物中mRNA修饰的功能。但是，结果导致了许多问题。mRNA氧化选择性的机制尚未阐明，既不植物也不阐明动物模型。另外，快速形成8 ohg和8-no₂的G反应应激因素表明，这些修改可能在应力感测接合。然而，作为尚未有没有经验数据证实了这一假设。反过来，男^5.C已涉及植物开发和应力反应的调节。其确切的作用和行动机制仍有待发现。初始报告显示m^6.结合蛋白质负责下游效应。因此，需要在各种植物物种中鉴定这些蛋白质，并评估它们对转录命运的确切影响。此外，对动物和人体模型的研究表明，改性核糖核苷酸在细胞中的作用可能更加深远。例如，一些报告显示除了MRNAS稳定性的调制外，M^6.a从事转录剪接和易位的调节。反过来，对白血病细胞的研究表明由M形成的复合物^5.C和特异性蛋白可以调节染色质结构及其与生物分子结合的亲和力。

此外，考虑到有超过160种鉴定的修饰核苷酸，一些新的球员可能出现在植物闰组织领域。未来研究的一个潜在候选人是假尿素（ψ）。该改性通过异构化的反应来由尿苷形成。早在20世纪50年代被发现，最初在非编码RNA类型中研究，例如RRNA和TRNA [63.那64.］．然而，最近的报告表明，χ也存在于mRNA中。已经检测到从人，酵母和单细胞真核寄生虫获得的转录物中刚地弓形虫[65.那66.那67.］．其在进化的不同的生物体组mRNA中形成表明它可能是一个通用的转录改性，也可能在植物中发现。假约亚化对转录物代谢的影响仍未清楚。然而，迄今得到的结果表明它可以影响mRNA稳定性（在[63.那64.]）。另外，体外研究表明，在mRNA中的掺入调节翻译效率[68.］．但是，这一发现尚未在体内确认。

因此有可能在不久的将来会在植物epitranscriptomics领域带来新的令人兴奋的发现。进一步的调查结果将在很大程度上取决于新的测序方法的发展和应用。在一些修饰的核糖核苷酸的情况下，专业的检测协议已经被引入了。用于RNA修饰的确定新一代测序方法（NGS）一般可分为三类。第一类（I类）可以在修饰的核糖核苷酸引起的核苷酸或逆转录（RT）的过早终止的错误掺入来施加。然而，大多数的修改对RT的影响有限。在这种情况下，修饰的核糖核苷酸可以通过II类的协议，来检测在该治疗与特定化学物质所引发miscorporation或RT截断。II类方法已应用于，例如，用于检测Ψ和m^5.C.在α的情况下，碱性条件下可溶性碳二亚胺（CMCT）的处理导致过早的RT终止。反过来，亚硫酸氢盐的施用导致胞嘧啶转化为尿素。只能保护甲基化的胞嘧啶免受亚硫酸氢盐作用，并且可以在测序过程中区分。在III类方法中，结合修饰（通常特异性抗体）的分子用于抵抗载有特异性修饰的核糖核苷酸的RNA片段。例如，已经应用了这种方法，用于识别m^6.丰富的成绩单（审查[69.]）。测序进展将最有可能的新的生物信息学工具，如专用于特定修饰的核糖数据库实施陪同。事实上，除了修饰的核糖核苷酸的一般数据库，如MODOMICS和RNAMDB [70那71.]，数据库针对特定修改的分析，例如m^6.A，也已被介绍（例如[72.]）。

总之，有越来越多的证据表明修饰的核糖核苷酸影响mRNA二次结构和与蛋白质和其他RNA类型的相互作用，导致转录物加工，稳定性，定位和翻译效率的变化。因此，它们构成了调节基因表达的新发现的机制层。可以预测，这方面的未来发现将对药业，生物技术，医学，农业和营养产生重大影响[73.］．它甚至可以推测，我们正在进入生物科学的新时代：epitranscriptomics时代[74.］．

支持此评论的所有数据包含在手稿中。

8 - 否₂g:

8 niroguanosine

8 ohg：

8-hydroxyguanosine

等：

进化保守的C末端区域

米^5.C：

5-甲基胞嘧啶

米^6.A：

N^6.- 甲基腺苷

门店:

新一代测序

不适用。

这项工作得到了波兰国家科学中心UMO-2017/26/E/NZ4/00226项目的部分支持。资助机构在研究的设计中没有作用，在数据的收集、分析和解释或手稿的写作中没有作用。

从属关系

1. 美国亚当米凯维奇大学生物学系实验生物研究所植物生理生态学系。Uniwersytetu Poznańskiego 6,61 -614, Poznań，波兰

   Jagna Chmielowska李明博，马格达莱纳Arasimowicz-Jelonek和乔安娜Deckert

贡献

JCB，Maj和JD写了这篇论文。所有作者均阅读并批准了手稿。

相应的作者

对应于Jagna Chmielowska-Bąk。

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

利益争夺

提交人声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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