基因表現出錯了,不僅會導致人類許多遺傳性疾病,也會造成植物生長遲緩、延遲開花等問題。影響植物基因表現的重要關鍵之一,正是它重要的生長能源──光線,其中不可或缺的調控因子,則是感測光線的「光敏素」(phytochrome)。

本院植物暨微生物學研究所涂世隆副研究員發現,植物吸收光之後,感測光線的「光敏素」進入細胞核調控基因表現過程的剪接步驟,啟動基因產出各式蛋白質產物,控制植物生長發育,此研究成果已於今(108)年8月刊登於《植物細胞》(The Plant Cell)。

光線是植物最需要的能量來源之一,不僅是光合作用的基本能源,也是植物生長發育重要的調節因子,影響從萌芽、發育、開花與結果等各個階段。

光敏素接收光線 調控基因表現

涂世隆指出,植物體內存在各種光接受器,感測不同波長的光線以調節生長。本次研究的紅光接受器蛋白「光敏素」,過去已被證實會影響植物基因剪接。研究團隊觀察小立碗蘚 (Physcomitrella patens)接收紅光照射後,光敏素調控植物基因表現裡的替代性剪接(Alternative splicing[1]),和前訊息RNA(precursor mRNA[2])、以及負責執行剪接的複合體等蛋白質進行一連串的交互作用,讓一個基因產出多種不同的蛋白質,確保植物能正常發育。

上述階段為基因表現裡的替代性剪接,藉由不同的前訊息RNA剪接方式,可使一段基因產生多種不同類型的mRNA,進而影響蛋白質產物的組成,轉譯出多種不同蛋白質,顯著影響植物的生長發育、生理調控。

涂世隆研究團隊也發現,小立碗蘚若缺少光敏素,以及會和光敏素進行交互作用的蛋白質,將導致替代性剪接缺失及發育形態變異,此也證實這些蛋白質藉由執行替代性剪接,確保光照下的小立碗蘚可以正常發育。

在動物系統研究中,替代性剪接已被證實和多種疾病相關。不精確的前訊息RNA剪接可能會產出錯誤的蛋白質產物,導致生理病變。許多研究亦顯示,替代性剪接的缺失會導致多種植物生長問題,例如:生長遲緩、延遲開花等。然而,目前科學家對於植物如何進行替代性剪接的瞭解仍相當缺乏。

涂世隆表示,若能深入理解替代性剪接如何調控開花,便有機會藉此控制植物開花時間,調節或延長花卉作物的產季,目前研究團隊正朝此方向努力。

本論文由中研院及科技部支持,第一作者為本院國際研究生分子與生物農業科學學程博士班學生施珏如,涂世隆為指導教授,共同作者包括陳薌雯、謝欣宇、賴雍華、邱芳誼、陳昱蓉。

論文標題:Heterogeneous Nuclear Ribonucleoprotein H1 Coordinates with Phytochrome and the U1 snRNP Complex to Regulate Alternative Splicing in Physcomitrella patens

論文連結:http://www.plantcell.org/content/early/2019/08/13/tpc.19.00314?rss=1

「光敏素」接收光線後(右圖),進入細胞核調控替代性剪接,使一段基因產生不同型式的蛋白質。相較於左圖無光源,並以剪刀數量不同呈現之,代表植物在有/無光源下,進行不同的剪接方式。

(植物暨微生物學研究所)

 

[1] 替代性剪接:前訊息RNA經由數種不同的剪接方式,產生不同組態/型式的mRNA,使一段基因在不同的組織或發育過程中能經過轉錄-剪接-轉譯後產生不同型式的蛋白質,進而擁有不同的作用,或是產生出穩定性差的mRNA達到調控基因表現的目的。

[2] 前訊息RNA (precursor mRNA):由DNA經由轉錄而來,帶著相應的遺傳訊息,尚需經由數種不同的剪接方式,使其成為成熟的mRNA後,方可進行轉譯成蛋白質的步驟。