Adv Sci:深圳理工大学张秀任与朱佳莹团队揭示RNA结构动态变化如何决定植物病毒致病性
在生命遗传信息传递的中心法则中，RNA作为DNA与蛋白质之间的桥梁传递遗传信息，进而调控生命活动。但越来越多的研究表明，RNA并非单纯的遗传信息传递载体，其自身形成的RNA二级结构，构成了另一层遗传调控密码，参与了包括RNA剪接、降解和翻译等多个生物过程。病毒也会利用其RNA结构操纵宿主的功能蛋白并协调病毒的复制、翻译与包装等关键环节。同时，生物体内的大分子结构并非静止不变，而是时刻处于动态摆动与构象转换中。若只给RNA序列定义单一“最优结构”，既不符合生物学实际，也无法全面阐释其功能特性。对于具备多重功能的RNA而言，唯有深入研究其结构多样性及动态变化，才能精准揭示其活性机制与功能本质。目前，科学界尚未在植物体内、全基因组层面，对植物RNA病毒的RNA二级结构及其动态异质性开展系统解析，也未明确RNA结构动态变化的功能意义，这一研究空白亟待填补，对阐明植物病毒致病机制以及开发新型抗病毒策略具有重要意义。5月8日，深圳理工大学合成生物学院杰出教授张秀任团队和未来农业研究院特聘副教授朱佳莹团队在Advanced Science发表了最新研究，首次在植物体内绘制出芜菁黄花花叶病毒（TYMV）全基因组RNA二级结构图谱，证实TYMV RNA在植物体内呈现出结构高度动态的特点，普遍存在多种不同的构象。团队还进一步发现，已有研究报道的TYMV3’端类tRNA结构（3’ tRNA-like structure，简称3’TLS），在体内存在两种不同的形态——假结结构和茎环结构。实验表明，破坏假结结构会直接降低病毒的翻译效率，而打破这两种结构的平衡，会削弱病毒的复制能力，最终让病毒完全失去致病能力。研究团队首先采用DMS-MaPseq技术对植物体内的病毒RNA结构进行绘制，并利用RNA二级结构多样性分类算法（DREEM algorithm）系统解析RNA二级结构的多样性特征。研究结果显示，植物体内病毒RNA在全基因组范围内并不以单一结构存在，而是呈现高度动态且多样性。TYMV属于植物正义单链RNA病毒，其3’端存在3’ TLS结构，该结构广泛存在于多种RNA病毒基因组中，是病毒调控宿主细胞、完成自身关键生理过程的高效分子机制。通过共进化分析，团队发现TYMV 3’TLS的两种可变构象在黄花花叶属病毒中均呈现高度结构共进化特性，因此将研究焦点进一步聚焦于TYMV的3’TLS。已有体外研究提示，TYMV 3’TLS含假结结构，能够招募特定的宿主tRNA合成酶对病毒3’端进行氨酰化修饰，参与调控病毒的复制和翻译过程。但该假结结构在植物体内的真实存在性尚未得到证实，同时引发了一个长期未解决的科学疑问：3’TLS如何决定自己是参与调控翻译过程还是复制过程。为解答这一疑问，研究团队设计RNA结构突变体，通过破坏假结或茎环结构的碱基互补配对，发现无论是破坏了其假结、茎环结构，还是两者均破坏，均会显著削弱病毒致病性。为明确该结构破坏对病毒翻译或复制过程的具体影响，研究团队构建了YFP融合野生型以及突变体3’TLS报告体系，并对其YFP蛋白表达进行了分析，发现假结结构被破坏时，YFP蛋白的翻译效率显著下降。最后，团队从病毒侵染的植物体内分离病毒RdRP（RNA依赖RNA聚合酶）复合体，以野生型或突变体的病毒RNA作为模版构建体外复制体系，实验证实，破坏假结结构或茎环结构均会显著降低病毒RNA复制效率。结合RNA结构突变体致病性减弱的实验结果，表明假结和茎环结构的动态平衡对于病毒的复制过程至关重要。本研究首次在植物体内绘制出芜菁黄花花叶病毒（TYMV）全基因组RNA二级结构图谱，证实TYMV RNA在植物体内结构高度动态且普遍存在多种构象，并揭示了RNA可变构象在病毒RNA多功能性的核心作用，为解析病毒致病机制、识别功能性RNA结构元件以及开发新型抗病毒农药和工具提供了重要的理论基础和数据支持。深圳理工大学朱佳莹与德州农工大学博士后李长昊为论文共同第一作者，朱佳莹与张秀任为共同通讯作者。本研究得到美国NIH R01、R35，以及深圳市鹏城孔雀计划等项目资助。https://doi.org/10.1002/advs.75614
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