北京时间2024年1月9日18时,  Nature Plants在线发表了美国宾州州立大学教授马红课题组关于首个调控植物微外显子剪切的RNA结合蛋白GRP20影响花器官发育的功能研究，阐明了调控ABCDE模型等花发育基因微外显子剪切并保证花器官发育的分子机制。

RNA剪切（RNA splicing）是调控基因表达和蛋白质功能多样化的重要过程。真核生物编码蛋白的基因转录产生的前体信使RNA（pre-mRNA）多数包含外显子和内含子。非编码的内含子必须经过RNA 剪切，而外显子区域偶联，最终形成成熟的信使RNA （mRNA）。剪切体和相关剪切蛋白因子在RNA剪切过程中起到核心作用。外显子的平均长度在动物中约140个碱基，在植物中约180个碱基。剪切蛋白识别外显子中剪切激活序列，而增加外显子和内含子边界的准确性。微外显子在真核生物基因组中普遍存在，包含1-50个碱基；拟南芥含有约8,000个微外显子; 人类含有约13,000个微外显子。含有微外显子的基因功能包括动植物发育、环境响应和疾病发生等过程。

人类和小鼠中，微外显子广泛分布于神经系统中高表达的基因，有研究发现微外显子的错误剪切可以导致人类和小鼠神经系统发育的异常。植物中，微外显子广泛分布于MADS-box 家族和AP2家族基因，有研究推测微外显子的缺失可以影响植物的发育及抗逆。微外显子因为序列较短，一般缺乏剪切激活序列，因此微外显子如何被正确的识别和剪切在动植物中一直知之甚少。特别是植物中调控微外显子剪切的基因及其机制尚未见报道。

植物生殖发育主要包括花器官建成、减数分裂、雌雄配子发育和传粉受精及合子形成等环节。花器官的结构和数量为植物后代的产生和发育的先决条件。已知调控花器官发育的机制主要为转录调控网络，包括调控花器官身份和编码转录因子ABCDE模型基因，包括多个MADS-box家族成员 （AP1, AP3, PI, AG, STK, SEP1, SEP2, SEP3, SEP4）及AP2家族成员（AP2）。然而，转录后调控机制包括RNA剪切在花发育过程中如何调控知之甚少。具体来说，ABCDE模型基因的RNA剪切的调控因子和机制仍然未见报道。值得一提的是，ABCDE 模型中大多数基因（AP1, AP2, AP3, PI, AG, STK, SEP3, SEP4）都含有微外显子，并且这类微外显子的分布在被子植物的ABCDE基因中高度保守。有研究证明SEP3的微外显子所编码的区域对于SEP3与其他蛋白的相互作用至关重要。但ABCDE模型基因中的微外显子如何被正确的识别及保留依然是未解之谜。

在宾州州立大学马红教授的指导下，博士后/研究助理教授王君，博士研究生马昕玮、冯冠华，科研助理胡宜等发现，拟南芥RNA结合蛋白GRP20促进花的1,300多个mRNA的正常剪切，包括ABCDE模型的多个基因微外显子的保留，从而确保花器官的正常发育。该研究揭示了植物中第一个微外显子剪切的调控因子及其机制，为后续的微外显子的功能及其保守性研究提供了重要基础。

该实验室前期通过转录组分析发现了一个甘氨酸富集蛋白家族 （glycine-rich protein）的成员GRP20在花中表达显著高于其他组织，通过生物信息学预测并实验验证GRP20是一个新的RNA结合蛋白。突变体转录组分析显示GRP20功能缺失导致超过2,000多个转录本剪切失常，包括ABCDE模型中多个基因微外显子未能正常保留。发育表型分析发现grp20突变体的花器官数量、大小和形状异常，表明GRP20可能通过调控ABCDE模型基因转录本剪切来促使花器官发育。

图：grp20突变体中花器官发育异常及GRP20调控微外显子剪切的模型。(a) 野生型拟南芥花包括4个花萼，4个花瓣，6个雄蕊（偶见5个）及2个心皮。图中grp20的花瓣及雄蕊数目有变化。(b) GRP20可以结合ABCDE模型基因中的微外显子，并且和剪切体互作，两者共同确保RNA剪切过程中微外显子的正确保留

生化实验表明GRP20可以通过其RNA结合结构域（RNA binding domain， RBD）结合RNA的嘌呤富集的基序（GA-rich motif），从而识别ABCDE模型基因中的微外显子。另外，GRP20 C端可以和剪切体亚基相互作用。两者协同促进ABCDE模型基因中的微外显子的保留。而保留下来的微外显子编码蛋白质相互作用的重要区域，因此GRP20调控的微外显子保留对于ABCDE模型的的基因功能至关重要。

ABCDE模型基因的结构及功能在被子植物中高度保守，暗示调控这些基因剪切的机制也可能是保守的。的确GRP20的序列在被子植物中也是相对保守的，而且白菜和大豆GRP20同源基因则可能完全或部分替补拟南芥grp20突变体缺失的GRP20花发育和剪切功能。GRP20是植物中首个调控微外显子剪切的功能蛋白，也是首个调控ABCDE模型基因剪切的重要因子。该研究对于深入了解微外显子的功能及其剪切的调控机制，进一步探究调控植物生殖发育的基因表达新机制都有着重要的理论意义。

基于该研究的重要性和创新性，Nature Plants同期发表题为“GRP20 regulates micro exon retention via interaction with the spliceosome during flower development”的研究简报（Research briefing）。马红教授和王君博士在研究简报中着重介绍了该研究的科普意义及背后故事。简报中也发表了专家及编辑对于该研究的评价。

宾州州立大学生物系马红教授为该文的通讯作者。研究助理教授王君博士为第一作者。宾州州立大学生物系博士生马昕玮（现为美国宾夕法尼亚大学的研究科学家）、植物科学系博士生冯冠华、生物系科研助理胡宜、江西农业大学林学院/园林与艺术学院国春策教授及宾州州立大学化学系张鑫教授（现为西湖大学教授）参与了该研究。

马红教授团队多年致力于探究植物生殖发育的调控机制，包括参与ABCDE基因的发现和功能分析，发现多个调控雄蕊发育和减数分裂的关键基因及分子机制。本研究为了解和解析植物发育中转录后调控机制打开了一扇新的窗口。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-023-01605-8