ナンセンス媒介RNA崩壊因子UPF1はシロイヌナズナにおける転写後および翻訳後の遺伝子制御に重要であることを明らかにした

Nonsense-mediated RNA Decay Factor UPF1 is Critical for Post-transcriptional and Post-translational Gene Regulation in Arabidopsis.

• Vivek Kumar Raxwal
• Craig G Simpson
• Jiradet Gloggnitzer
• Juan Carlos Entinze
• Wenbin Guo
• Runxuan Zhang
• John W S Brown
• Karel Riha

抄録

Nonsense mediated RNA decay (NMD)は、進化的に保存されているRNA制御機構であり、遺伝子発現の広範な制御にも関与している。しかし、NMDの不活性化は多くの生物にとって致命的であることから、ゲノム制御におけるNMDの役割は十分に評価されていない。本研究では、シロイヌナズナのNMDの様々な段階に関与する主要なタンパク質を欠失した変異体の詳細な比較解析を行った。その結果、UPF3、UPF1、SMG7はNMDとシロイヌナズナのトランスクリプトームに異なる影響を与え、UPF1が最も大きな影響を与えていることがわかった。UPF1非ヌル植物を用いて、ストリンジェントなパイプラインを用いてトランスクリプトームアセンブリを行ったところ、代替スプライシングにおけるゲノムワイドな変化が明らかになり、mRNAバリアントのスイッチを含む、スプライシングにおけるUPF1の役割が示唆された。さらに、UPF1 の不活性化が翻訳抑制につながることも明らかにした。このようなグローバルな変化にもかかわらず、UPF1変異体では、NMD標的や半減期の短い低発現mRNAがポリソームに濃縮されており、UPF1/NMDが異常RNAの翻訳を抑制していることが示唆された。特に顕著なのは、TIR ドメインを含むヌクレオチド結合型ロイシンリッチリピート（TNL）免疫受容体の翻訳の増加であった。UPF1/NMDを介したmRNAの安定性と翻訳抑制を介したTNLの制御は、病原体の攻撃に応答してTNLが急速に活性化されるためのダイナミックなメカニズムを提供しています。

Nonsense mediated RNA decay (NMD) is an evolutionary conserved RNA control mechanism that has also been implicated in the broader regulation of gene expression. Nevertheless, a role for NMD in genome regulation has not been fully assessed, partially because NMD inactivation is lethal in many organisms. Here, we performed in depth comparative analysis of Arabidopsis mutants lacking key proteins involved in different steps of NMD. We observed that UPF3, UPF1, and SMG7 have different impacts on NMD and the Arabidopsis transcriptome, with UPF1 having the biggest effect. Transcriptome assembly using stringent pipeline in UPF1-null plants revealed genome wide changes in alternative splicing, including switches in mRNA variants, suggesting a role for UPF1 in splicing. We further found that UPF1 inactivation leads to translational repression, manifested by a global shift in mRNAs from polysomes to monosomes and a downregulation of genes involved in translation and ribosome biogenesis. Despite this global change, NMD targets and low-expressed mRNAs with short half-lives were enriched in polysomes in upf1 mutants, indicating that UPF1/NMD suppresses the translation of aberrant RNAs. Particularly striking was an increase in the translation of TIR domain-containing, nucleotide-binding, leucine-rich repeat (TNL) immune receptors. The regulation of TNLs via UPF1/NMD-mediated mRNA stability and translational de-repression offers a dynamic mechanism for the rapid activation of TNLs in response to pathogen attack.

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