細胞裡的RNA(註一)(核糖核酸)壽命短暫,含有正確基因密碼的RNA始能存活並用於製造蛋白質,反之,帶有錯誤訊息的RNA則會被細胞酵素降解死亡。RNA降解機制(degradation)不僅可調控動植物的基因表現量,也攸關於植物如何對抗病原菌入侵,藉此殺死病毒RNA。但此機制何時發生?引發降解的因子為何?過去尚未被完全理解。

本院農業生物科技研究中心陳荷明副研究員首次破解RNA的「死亡時間」,其團隊也是全球第一位利用上億條的RNA降解片段定序資料,證明許多「有問題」的RNA會在首次轉譯(註二)(translation)過程中被細胞偵測異常並將其降解。研究成果已於今(2020)年4月發表在《植物細胞》(The Plant Cell),獲專文介紹,未來可應用於調控植物的抗病基因表現量,進一步研發具有抗病性且維持高產量的作物。

陳荷明(前排中)實驗室致力於RNA世界的犯罪現場調查,人人像是當起「鍵盤柯南」。

 

當RNA序列不正確時 細胞啟動降解程序

陳荷明團隊從RNA降解片段裡,找到外顯子連接複合體(註三)存在的證據,此發現揭露出兩個重要意義:首先,由於細胞會解碼RNA的核酸語言,經過一次次的轉譯作用來製造蛋白質。在細胞執行首次轉譯前,外顯子連接複合體仍附著在RNA上,在正常情況下,當RNA經過第一次轉譯後,此複合體即被移除;相反地,若細胞檢查發現RNA包含錯誤序列,宛如出現警示音,轉譯機器被按下「暫停鍵」,並促使細胞酵素將此片段降解。因此,當RNA死亡片段含有外顯子連接複合體,表示其死亡時間發生在第一次轉譯完成前。

此外,由於動植物的細胞內都有RNA,研究團隊也進一步從阿拉伯芥、水稻、線蟲,或是人類細胞的RNA降解片段中,都觀察到外顯子連接複合體的足跡。這些遺留的相同證據也讓被降解的RNA「死有對證」,證明此降解機制發生在大量轉譯前。

為什麼外顯子連接複合體不會隨著RNA降解而消失?陳荷明表示,由於外顯子連接複合體的性質會阻擋細胞執行降解,細胞酵素無法將其移除,剛好可以做為破解RNA死亡時間的有力證據,推測降解發生時RNA的狀態。

在正常情況下,核糖體將mRNA轉譯成蛋白質;當RNA序列不正確時(如圖右),整個轉譯機器會暫停,細胞酵素從RNA頭端開始,逐步將此片段降解。外顯子連接複合體因其性質會阻擋降解,不會被移除,RNA死亡片段故含有此複合體的足跡。

 

對內調控基因表現量 對外殺死病毒RNA

陳荷明指出,植物細胞內執行RNA降解機制,對內可調控基因表現量,對外也能阻擋病原菌入侵,殺死病毒的RNA,使其無法複製、產生蛋白質。另外,當植物遇到病原菌或害蟲攻擊時,會啟動防禦反應,但若過量表達防禦相關基因,可能造成植物生長遲滯、細胞凋亡,就像人體免疫系統太強或太弱,都會對身體造成傷害。因此,研究RNA降解,將有助於增進對農作物防禦機制的了解,以及開發調控基因表達的方法,為農業生物科技的發展提供新的工具及方向。

從小愛看推理小說的陳荷明說,解密RNA降解機制,猶如在進行基因世界的犯罪現場調查,現場留下的物證,都只是一條條的RNA序列。她與實驗室同仁當起「鍵盤柯南」,從上億條的RNA降解片段中,蒐集物證、找出死因及凶手,及推論死亡時間。目前國內外相關的研究還不多,她的團隊未來將進一步釐清此調控背後的機制,及其在植物防禦與生長平衡上的角色。

本論文共同第一作者為本院農生中心研究助理李溫琪、侯博翰、侯政宇,論文全文:〈Widespread Exon Junction Complex Footprints in the RNA Degradome Mark mRNA Degradation before Steady State Translation〉,網址: http://www.plantcell.org/content/32/4/904


(註一)RNA是DNA解碼產生蛋白質的中間物質,轉錄出的RNA需要經過編輯,才能出現有意義的RNA訊號,再精準地製造所對應的蛋白質。
(註二)轉譯是根據RNA的核苷酸序列,決定胺基酸序列,產生特定蛋白質的過程。
(註三)經過RNA剪接,內含子是被移除的基因片段,而外顯子則是被保存下來的部分,一個基因可為多個外顯子所組成 。在剪接過程中,外顯子連接複合體會被置放在外顯子的交接處。

(農業生物科技研究中心)