在植物中，转录后加工的过程在叶绿体和线粒体中对光合和呼吸机制的一些基本成分的产生十分重要。植物器官中的RNA代谢由大量的细胞核编码的RNA结合蛋白RBPs运行。RBPs几乎负责RNA生命周期的每个方面，包括成熟、稳定、定位、翻译和降解（图1），但我们对它们如何实现其功能的了解还远远不够。

近日，国际著名杂志THE PLANT CELL上发表了一篇题为“Plant Organellar RNA Maturation”的综述，该综述总结了植物细胞器RNA代谢的最新知识，采用RBP为中心的方法，重点关注RBP功能的机制方面及其所涉及过程的动力学。

PPR蛋白由同名重复单元的串联阵列组成，每个蛋白的数量不同，通常串联排列，重复序列形成超螺旋表面，以高特异性和亲和力结合单链RNA，以保护结合的RNA免受核酸酶的作用，导致RNA足迹的积累。每个PPR单元通过与两个关键氨基酸的特定氢键相互作用与单个RNA核苷酸结合。PPR蛋白分为两个功能不同的类别：P-和PLS类PPR蛋白。P类PPR蛋白含有单型重复序列，通常与非编码RNA紧密被动结合，在RNA稳定和内含子剪接中发挥作用。与UTR序列具有高亲和力的结合是避免外切酶移位的必要条件。这种结合足以抵抗外切酶的作用并防止结合RNA的降解。（图2）参与RNA编辑的PLS类PPR蛋白包含P类PPR蛋白质中不存在的多种重复单元和C末端延伸。这两类蛋白质在RNA结合方面的内在功能差异很小。结合PPR蛋白的定量，有助于确定PPR蛋白是否限制并潜在地调节靶RNA的表达。PPR蛋白的结构域组织，包括螺旋二聚体的退化重复，在自然界中经常被发现，这类蛋白被归类为“螺旋重复蛋白”。虽然PPR蛋白家族在陆地植物中占优势，但在其他植物细胞器中发现了参与RNA稳定和成熟的螺旋重复蛋白。螺旋重复蛋白家族可能偶然在任何特定谱系中扩增。

图1

 图2

研究发现，螺旋重复蛋白负责许多RNA的延长半衰期。稳定螺旋重复蛋白的缺失通常导致任何剩余RNA的明显缺失，即其半衰期接近零。许多PPR蛋白和RBP与类核和转录位置相关，因此可用于保护新生转录物。旋重复蛋白延长了内含子RNA前体的半衰期，从而支持内含子折叠和剪接，调节RNA稳定性可以显著改变器官RNA成熟的效率。（图 3）蛋白质共因子是体内获得催化活性内含子结构所必需的，在RNA剪接所需的核编码螺旋重复蛋白中，许多属于PPR蛋白家族，PPR蛋白的结合将靶位点保持在单链状态，这可能是形成正确的剪接结构所必需的。RBPs的叶绿体RNA剪接和核糖体成熟（CRM）家族除一个成员外，其他所有成员都参与叶绿体和线粒体的RNA剪接。内含子重塑是否是CRM家族成员尚不清楚。研究表明，CRM蛋白与叶绿体和线粒体中的CRM亲属、PPR蛋白和其他剪接因子直接相互作用。除了螺旋重复蛋白，许多较小的蛋白家族也参与RNA剪接，例如植物细胞器RNA识别（PORR）蛋白或DUF794蛋白家族。真核细胞投入了大量的因子来剪接器官RNA。

图3

     图4

RAP与rRNA成熟相关叶绿体GTPases DER和RBD1类似，显示出类核定位，这支持rRNA成熟和核糖体组装发生在叶绿体基因组附近的想法。分析得出，类核可能为建立器官内微环境提供支架，通过底物通道促进核糖体组装，并避免mRNA与未成熟的30S核糖体亚基的过早关联。与rRNA成熟类似，器官tRNA前体转录物的成熟通常与细菌对应物的成熟相似。植物细胞器中的RNA转录物经历许多碱基修饰，改变碱基配对，从而改变RNA折叠和翻译。这些包括对tRNA和rRNA的许多不同修饰，但也包括对mRNA的修饰。参与RNA编辑的主要因素是PLS类PPR蛋白。PPR阵列将脱氨酶结构域精确地放置在RNA上，导致高度特异性的碱基编辑。在叶绿体中，大多数编辑因子只编辑转录组中的一个位点，而在线粒体中，编辑多个位点更为常见。在编辑多个位点的情况下，形成PPR结合位点的上游序列对于相同的PPR阵列来说足够相似，以将它们两者/全部结合。RNA编辑的动力学尚不清楚，编辑通常先于剪接，在某些情况下，剪接依赖于先前的编辑，这要么是因为编辑产生了内含子剪接机制所需的序列基序，要么是因为内含子折叠需要PPR阵列与RNA的结合。在野生型植物中，没有证据表明未经编辑或部分编辑的转录本产生了任何完整的翻译产物。目前已知PPR编辑因子几乎与编辑或未编辑的靶RNA紧密结合。

细胞质雄性不育（CMS）是一种由异常线粒体基因表达决定的植物育性表型，决定CMS的基因是在线粒体基因组重组过程中产生的，线粒体基因组中CMS相关基因的存在通常被核育性恢复因子（Rf）基因掩盖，这些基因通过减少其有害影响来阻断其表达并恢复花粉生产和植物育性。分子研究表明Rf-PPR蛋白具有至少两种作用模式。在第一种作用模式中，一些Rf蛋白结合并诱导CMS诱导转录物的裂解。第二种作用模式记录在油菜Ogura CMS系统的分子研究中。研究表明，Rfo/PPR-B蛋白通过核糖体阻塞而非诱导其分裂来阻止其翻译，从而抑制CMS转录物（orf138）的表达。

鉴于许多RBP对叶绿体甚至植物的发育至关重要，重要性等同于进化优势的概念似乎更为合理。然而，没有证据表明绝大多数RBP具有监管目的或提高效率现有流程的。建设性中性进化（CNE）理论与含有DNA的内共生细胞器特别相关，这表明中性蛋白-蛋白质、RNA-RNA或蛋白质-RNA相互作用发生在宿主因子和器官因子之间。虽然一开始是中性的，但在特定宿主因子发生有害突变的情况下，相应的器官因子可能会确保突变的中性。（图4）

图5

RNA成熟与合成生物学，叶绿体由于其基因组小且易于理解，生产潜力巨大，是合成生物学的绝佳“底盘”，尽管正在努力开发叶绿体转基因的转录控制，但迄今为止的大部分努力都是通过依赖RNA成熟来控制基因表达来模拟内源性叶绿体基因表达系统。PPR蛋白尤其适合于合理设计，因为每个重复单元结合单个核苷酸，并且特异性决定残基是已知的，几个小组设计并测试了具有可预测结合亲和力的合成PPR蛋白，并取得了相当大的成功。（图5）

细胞器类核内RNA成熟机制的大规模组织是一个非常开放的问题。目前在理解植物细胞器中复杂的RNA成熟系统方面已经取得了许多进展，但仍有许多有待发现，还需要从机理上理解这些过程。关于所涉及的大分子相互作用，几乎所有的焦点都集中在RBPs及其与RNA的相互作用上，但很少关注RNA-RNA相互作用。

文章来源：植物生物技术Pbj