NAR | 核糖体停顿引发的小插曲：如何通过NIP5;1调控植物响应硼元素？

导读

在真核生物中，基因表达涉及多个细胞区室。DNA在细胞核中转录后，mRNA前体经过加帽、剪接、3′ 端截短及poly(A) 添加，形成成熟mRNA，经核输出后在细胞质中翻译。mRNA稳定性受5′或3′ UTR调控，如5′ UTR上的uORF可通过核糖体停滞诱导mRNA降解，同时降低主ORF翻译效率。

转录与mRNA降解原被视为独立过程，现研究表明二者存在反馈调控：

A）斑马鱼和小鼠研究发现，由提前终止密码子（PTC）引发的无义介导的mRNA降解（NMD）可上调功能相关基因转录，mRNA片段可能通过染色质修饰触发遗传补偿反应。

B）酵母研究显示，mRNA降解因子突变可增加mRNA稳定性，但不影响其稳态水平，表明mRNA半衰期变化可通过转录反向调节补偿。

硼（B）是植物生长所必需的营养元素，但过量时具有毒性。NIP5;1作为硼酸转运蛋白，在低硼条件下促进吸收，而在高硼条件下mRNA不稳定，以防止过量吸收。该降解受5′ UTR上AUGUAA诱导的核糖体停滞触发，硼稳定eRF1并促进其与Met-tRNA_i互作，阻碍翻译再起始，引发mRNA切割与降解。此外，NIP5;1表达受STOP1调控，但未发现其对硼的响应，硼依赖的NIP5;1转录调控机制仍待研究。

2025年3月24日，东京大学农业与生命科学研究院Toru Fujiwara团队在Nucleic Acids Research上发表了一篇题为“Ribosome stalling-induced NIP5;1 mRNA decay triggers ARGONAUTE1-dependent transcription downregulation”的论文，提出了一种新的调控模型，即翻译过程不仅感知养分状态以选择性降解mRNA并减少翻译，而且该降解过程还能与AGO1共同作为触发信号，诱导转录下调。这些过程相互交织，形成转录、mRNA降解与翻译之间的多层次耦合，实现高度精细的调控并对环境变化作出迅速响应。

索引

【IF】16.97


研究结果

一. NIP5;1 mRNA的下调具有硼浓度依赖性

研究发现NIP5;1 mRNA在低硼条件下积累显著高于高硼条件。不同硼浓度下，NIP5;1 mRNA随浓度增加而逐渐下调，并在90分钟内达到新的稳态，表明其下调具有浓度依赖性。

二. 仅靠mRNA降解无法解释观察到的NIP5;1 mRNA动态

硼浓度变化不仅通过uORF触发mRNA降解，还会通过调节转录速率影响NIP5;1 mRNA的下调。

在低硼浓度下，mRNA降解速率较低，转录速率较高，而在高硼浓度下，mRNA降解速率增加，转录速率降低，导致NIP5;1 mRNA的积累减少。

三. NIP5;1 mRNA转录在硼响应下被下调

30 μM硼下mRNA前体减少至62%，100 μM硼下转录活性下降46%。转移至100 μM硼后，mRNA前体在30分钟内开始下降，120分钟达到稳态，表明硼通过转录下调NIP5;1表达。

四. ATGTAA序列在硼依赖性转录调控中是必需的

在实验中，含ATGTAA的转基因植物在硼浓度变化下表现出转录下调，而缺失ATGTAA的突变体未出现这种变化。

五. 转录下调在转基因中起作用

作者研究发现NIP5;1转录下调通过mRNA降解中间体在转式调控中起作用。具体来说，ATGTAA序列介导了含AUGUAA序列的mRNA降解，这一过程依赖于XRN4酶的作用。

实验表明，XRN4突变会稳定这些降解中间体，并导致NIP5;1转录下降调。进一步的分析也支持这一结果，表明mRNA降解中间体的积累是转录下调的关键因素。

六. sRNA-seq鉴定出可能源自NIP5;1降解中间体的AGO相关小RNA

NIP5;1 mRNA降解中间体缺乏5′帽或poly(A)尾时，可以被RNA依赖的RNA聚合酶处理为双链RNA（dsRNA），进而产生小RNA（sRNA）。

通过分析高通量测序数据，作者发现NIP5;1 5′-UTR区域的21–22 nt sRNA在转录本中的正链或反链上富集，这些sRNA序列与NIP5;1 mRNA降解片段相关，支持它们源自NIP5;1 mRNA的降解中间体。

七. NIP5;1 mRNA的内切降解产生了截短的5′片段

AGO1相关的小RNA分析表明，小RNA来源于NIP5;1 mRNA的5′片段。通过3′ RACE实验发现，5′片段和3′片段是通过内切降解产生的，且二者在切割位点上下游相连。

八. AGO1在NIP5;1 5′-UTR上调控RNA聚合酶暂停

在野生型植物中，NIP5;1的5′-UTR区域出现转录暂停峰值，且这些峰值在ago1突变体中减弱，表明AGO1参与转录暂停。

此外，ago1突变体中B依赖的转录下调完全消失，进一步证明了AGO1对NIP5;1转录下调的必需性。

九. RDRs在B依赖的NIP5;1转录下调中是必需的

sRNA与NIP5;1 mRNA的正反义链序列相同，表明dsRNA通过RDR途径从mRNA降解中间体合成。

研究表明，B依赖的NIP5;1转录下调依赖于RDRs，且AGO1和RDRs共同作用于sRNA介导的转录下调机制。sRNA通过RDR途径从NIP5;1降解中间体产生，结合AGO复合物，诱导RNA Pol II在5′ UTR区域停顿。

总结

本文揭示了拟南芥NIP5;1基因表达的多层次调控机制。B依赖的NIP5;1 mRNA降解由5′-非翻译区的AUGUAA序列上的核糖体停顿触发。小RNA和AGO1在B依赖的转录下调中发挥重要作用，核糖体停顿、mRNA降解和转录下调共同调控NIP5;1的表达。这些发现表明类似的机制可能在其他真核生物中也存在。

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