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转录水平及蛋白翻译后修饰水平上的调控对生物钟的功能至关重要。转录后水平调控包括mRNA降解、多聚腺苷酸化、剪切、miRNA及天然反义转录本等多种调控基因表达的方式也可通过影响生物钟基因的表达进而影响生物节律。可变剪切是指转录产生的外显子经历RNA剪切过程以多种方式重新连接的过程,是基因转录后水平调控的重要组成部分。
在有机体中,可变剪切对蛋白结构、mRNA稳定性以及靶蛋白的翻译效率十分重要。可变剪切的发生可使蛋白的结合活性、胞内定位、稳定性、酶活以及信号转导等一系列蛋白生化活性发生改变,是产生蛋白质组复杂性的重要机制之一。此外,它对细胞分化与发育、细胞连接及组织辨别等诸多的生物学过程至关重要。然而,迄今为止,关于可变剪切与生物钟之间相互调控仍知之甚少。
参与可变剪切水平调控的蛋白因子种类和数量较为庞大。以剪切复合体来说,主要剪切复合体是由5个核内小核糖核蛋白U1、U2、U4/U6和U5snRNPs及相关蛋白组成的含有超过300个蛋白的大型蛋白复合体,这些蛋白因子是否可在生物钟调控过程中执行一定的生物学功能仍属未知。
我们的研究获得了一株开花时间提前的隐性突变体,命名为skip-1。研究发现,该突变体在开花时间上对光周期不敏感,可引起多个生物钟输出途径及中心振荡器基因生物节律周期延长。说明SKIP在拟南芥生物节律周期调控过程中是必需的。并且,研究表明SKIP的表达是受光和生物钟共同调控的。
SKIP是一个包含SNW结构域的蛋白,多个物种均含有SKIP的同源蛋白,并且其同源蛋白序列较为保守。研究表明SKIP的C端对于其蛋白稳定性至关重要。而SNW结构域对于其生化活性是必需的。
SKIP可恢复酵母同源蛋白突变体剪切缺陷表型,表明它具有剪切pre-mRNA的活性。并且,SKIP可与两个植物剪切因子U1-70K及SR45共定位,并可与SR45相互作用,表明SKIP可整合到剪切复合体中执行剪切功能。此外,SKIP的突变可造成基因组水平部分基因的可变剪切发生缺陷,且所属剪切事件类型多属可变的5’SS及3SS,证实SKIP负责了拟南芥中部分基因的可变剪切过程,说明SKIP是一个拟南芥剪切因子,且可能参与5’及3SS位点的识别。
SKIP的蛋白特性以及其参与生物钟调节使得我们有机会研究可变剪切参与生物钟调控的机制。检测发现SKIP的功能缺失可造成拟南芥生物钟核心基因PRR7和PRR9的可变剪切形式增加,成熟的mRNA表达降低。表明SKIP参与了二者的可变剪切调控。此外,SKIP结合到PRR7和PRR9的剪切中间产物上,为实现对二者的可变剪切调节提供了空间基础。进一步,对SKIP、PRR7和PRR9的单独及共同缺失的突变体表型分析发现,skip-1/prr7和skip-1/prr9均可在一定程度上模拟Prr7/prr9双突长节律的表型,这种表型的模拟与在skip-1中PRR7或PRR9的可变剪切缺陷紧密关联,表明功能性PRR7和PRR9的存在对SKIP执行生物节律的调控是必需的,说明SKIP可通过调节PRR7和PRR9的可变剪切进而参与生物节律周期的调控。同时,研究还发现skip-1/prr7/prr9的生物节律周期较prr7/prr9长,表明除对RR7和PRR9表达调控之外,SKIP可能通过调节其它生物钟基因的表达从而影响拟南芥生物节律周期。
综上,我们鉴定了一个新的植物剪切因子—SKIP,阐明了它在拟南芥生物钟调控过程中的重要作用,建立了可变剪切与生物节律周期的联系,揭示了植物提高自身适应性以应对每日环境变化的一种新机制。