新加坡TLL俞皓实验室揭示SmD1b在种子发育过程中调控SK11/12表达的分子机制

2022年4月18日，The Plant Cell在线发表了新加坡淡马锡生命科学研究院（TLL）俞皓团队题为“Splicing-mediated activation of SHAGGY-like kinases underpinning carbon partitioning in Arabidopsis seeds”的研究论文。SK11/12是控制拟南芥种子碳储备的重要因子；该研究发现了SK11/12的上游调控因子SmD1b，它可介导SK11/12中第一个内含子的共转录剪接，并募集RNA聚合酶II的积累，从而激活SK11/12的转录；揭示了SmD1b调控SK11/12表达的分子机制。

https://doi.org/10.1093/plcell/koac110

植物种子的表面，由母体建立的种皮覆盖，起保护作用。在种子发育过程中，种子从母体获得碳源支持，并将其转化为种子的营养储备。在拟南芥中，SK11/12（SHAGGY-like kinase 11/12）决定了碳转化为不同代谢物，并将它们分配到种子的不同组织中。SK11/12是GSK3家族的成员，属高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。研究发现，SK11/12可磷酸化TTG1（TRANSPARENT TESTA GLABRA 1），影响其与TT2（TRANSPARENT TESTA 2）的互作，从而导致GL2（GLABRA2）表达的下调。尽管如此，SK11/12的转录调控机制，仍是一个长期的谜团。

该研究开发了一种基因组靶向染色质纯化系统（Cas9-ChAR），以寻找可与SK11 5'区相结合的反式作用蛋白，并发现了核定位的SmD1因子。拟南芥共有两个SmD1基因（SmD1a和SmD1b），它们的蛋白序列非常相似。通过突变体表型分析，该研究发现，smd1a smd1b双突变体是致死的，可能影响了植物的生殖发育或种子发育。进一步分析表明，smd1b突变体可下调种子中脂肪酸的含量；而SmD1b的过表达可提高种子中脂肪酸的含量；表明SmD1b参与了种子发育过程中的碳转化（Figure 1）。

Figure 1. SmD1b的鉴定和其突变体、过表达的表型分析

通过分析SmD1b和SK11/12之间的遗传关系，该研究发现SmD1b处于SK11/12的上游。与此SK11/12的表达一致，SmD1b在整个胚珠中表达，特别是珠被部分；且SK11/12的表达在smd1b中被下调了，而在SmD1b的过表达株中刚被提高了。利用染色质免疫沉淀（ChIP），研究人员证实SmD1b可直接结合在SK11/12 5'非翻译区的第一个内含子上，并促进该内含子的共转录剪接（Figure 2）。另外，SmD1b可与RNA聚合酶II（Pol II）互作，并募集Pol II在SK11/12上积累，以促进它们的转录。

新加坡TLL俞皓实验室揭示SmD1b在种子发育过程中调控SK11/12表达的分子机制

Figure 2. SmD1b可结合SK11/12并调控其转录

最后，研究人员发现SmD1b的功能缺失会产生带有未剪接内含子的转录本，该内含子可使转录本形成R环（R-loop），从而阻碍Pol II在SK11/12上的转录延伸。

综上所述，该研究发现SmD1b为SK11/12的上游调控因子，可介导SK11/12中第一个内含子的共转录剪接，并募集Pol II在SK11/12上的积累，从而促进SK11/12的转录（Figure 3上）；而在smd1b突变体中，由于未剪接内含子使转录本形成了R环，Pol II不能在SK11/12上完成转录延伸，从而影响SK11/12的表达（Figure 3下）；揭示了SmD1b调控SK11/12表达的分子机制。

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