曹晓风院士、马轩博士和栾维江博士合作对植物tRNA和tRNA衍生片段进行了系统鉴定

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在科学史上，Robert W. Holley因破译第一个tRNA序列与Marshall W. Nirenberg和H. Gobind Khorana分享了1968年的诺贝尔医学和生理学奖。几十年来，人们已经认识到tRNA在蛋白质合成中起着重要的作用。然而，近10年来日臻成熟的高通量测序技术揭示出细胞内存在大量的tRNA衍生片段或tRFs，许多与tRFs相关的细胞学机制也逐渐被报道，显示出tRNA具有潜在的新功能。目前，有关植物tRFs的研究尚少，对tRFs的鉴定局限于常规的小RNA测序，对整个tRNA和tRFs群体进行系统定量的分析是非常必要的。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队、天津师范大学生命科学学院马轩博士和栾维江博士团队合作在SCIENCE CHINA Life Sciences在线发表了题为Extensive profiling of the expressions of tRNAs and tRNA-derived fragments (tRFs) reveals the complexities of tRNA and tRF populations in plants的研究论文。该研究应用tRNA-seq和YAMAT-seq技术系统鉴定了植物tRNA和tRNA衍生片段（tRFs）的表达谱，对植物tRNA和tRFs群体进行了定量分析，揭示出植物tRNA基因表达的不均一性和组织特异性。另外，该研究发现拟南芥13核苷酸和16核苷酸长度的微小tRFs具有极高的丰度，为植物小RNA研究提供了新的线索。

该研究应用最新的tRNA-seq和YAMAT-seq技术，对拟南芥、水稻、玉米、大豆、小麦、大麦、高粱和小米的tRNA和tRFs进行了系统鉴定。对拟南芥根、茎、叶、花和角果等组织进行的测序结果显示，大约有一半的tRNA基因处于沉默状态，其表达量仅占总tRNA丰度的1%（图1），这种tRNA基因表达的不均一性同样存在于水稻和另外几种作物中。该研究对不同植物的tRNA转录组进行了比较分析，发现同工tRNA家族成员的表达谱呈现物种间保守的特点。

图1 拟南芥tRNA基因表达呈现不平衡性

该研究还深度分析了植物tRFs群体的组成，根据tRFs的丰度将拟南芥tRFs划分为5大类，其中5’tRNA半分子占最大比重，其次是tRF-5，另外3类tRFs（tRF-3、5’tRNA半分子和中部tRFs）的丰度相当。对拟南芥和水稻不同组织的分析结果显示，tRFs在根中的丰度比在叶中的丰度明显降低，所以tRFs的表达具有高度组织特异性的特点。另外，研究人员发现一类<18核苷酸长的微小tRFs广泛存在于不同植物中。拟南芥中的微小tRFs主要是13核苷酸和16核苷酸长，并且都是tRF-5类型。进一步对Dicer-like 1突变体的分析发现微小tRFs在突变体中的丰度下降了，暗示其生成可能与Dicer核酸酶相关（图2）。

图2 微小tRF广泛存在于多种植物中

最后，研究人员开发了分析植物tRNA和tRFs的生物信息学工具tRFanalyzer，创建了模式植物拟南芥和水稻的tRFs数据库（http://www.biosequencing.cn/tRFanalyzer/），以便植物领域的科研人员对植物tRNA和tRFs的时空表达进行查询和分析。

综上所述，该研究应用高通量测序技术，揭示了植物tRNA和tRFs群体的组成和表达特征，发现微小tRFs占有极高比例，为植物tRFs研究提供了新的线索。

中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士、天津师范大学生命科学学院马轩博士和栾维江博士为本文的共同通讯作者，天津师范大学马轩博士和中科院遗传与发育生物学研究所刘春艳副研究员为本文的共同第一作者。该项目得到了国家自然科学基金、天津市自然科学基金和天津水稻技术产业体系的资助。南开大学门淑珍教授和天津农学院王俊斌博士对该课题给予了帮助。

https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCLS/doi/10.1007/s11427-020-1891-8?slug=fulltext