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The Features and Regulation of Co-transcriptional Splicing in Arabidopsis

在多数真核生物钟，前体RNA的剪切对于基因表达是至关重要的。在之前哺乳动物、果蝇和酵母的研究中发现，大多数剪切事件与RNA的转录是同时进行的。然而在植物中，co-transcriptional splicing(CTS ) 在细胞中表现的特征和它具体的调控机制仍旧是不清楚的。因此作者使用chromatin-bound RNA sequencing技术来研究拟南芥中的CTS(剪切与转录共同进行)。通过分析发现，拟南芥中大量的可变剪切事件是受到 co-transcriptionally 决定的。同时CTS的效率与基因表达水平、染色质状态、还有基因中内含子、外显子数目存在相关性，而与基因的长度不相关。与此同时结合免疫共沉淀技术，表明一些hnRNP-like 蛋白(RNA结合蛋白)，通过结合到外显子序列上来促进CTS。

bound RNA sequencing

• 从细胞核中提取结合到染色质上的RNA

• 使用试剂去除非染色相关的RNa和蛋白质

测试示意图

背景

前体RNA的剪切是受到一种剪切复合物调控的，剪切复合物能够精准的切除前体RNA中的内含子。之前对于单个基因的研究表明，在基因的转录过程中剪切机制就已经发挥作用，这一过程也被称为co-transcriptional splicing(CTS)。这种机制的存在也不足为奇，因为基因的长度相对来说比较长，而基因转录所花的时间平均10min，剪切的时间平均3分钟；当生物为了高效、快速的产生mRNA时，必定会将两个步骤同时进行。在酵母中，RNA聚合酶II完成内含子3‘位点的转录后，向后平均延伸45bp时，剪切复合体就开始催化pre-mRNA的剪切；而在人类细胞中延伸的距离超过1000kb；这也表明不同物种中的CTS存在显著差异

在体内，转录和剪切高度的耦合在一起；但是在体外情况下两者还是可以独立的进行。其中有一种假说，

动力学耦合

在细胞内，基因在转录时更快的延伸速率将会使得一些弱的剪切位点被识别的几率降低，从而影响了mRNA isforms的产生。转录的延伸速率受到多种因素的调控，其中就包含以下两种:

• 反式因子

• 染色质结构， 染色质的开放状态

在拟南芥中就报道了两个参与到开花时间控制FLC、光响应基因DOG1，在不同转录延伸速率下基因 表达出不同的isforms。

剪切因子耦合

在植物中研究比较深入的一类RNA-binding 蛋白，也被称为SR 蛋白。这些蛋白通过与exon或者intron出的sequence motifs结合，调节RNA聚合酶的延伸、停止。

拟南芥种子中的CTS

进过 bounding RNA sequence 后，对于每个基因位点可以检测到两种类型RNA：图B

1. RNAs正在转录

2. RNA转录完成，但还没从染色质上释放

将bounding RNA sequence测序得到的read比对回基因组后，发现exon处read比intronread多，说明剪切和转录时同时进行的，导致intron处的read被剪切掉。图C

测序数据验证

CTS效率量化

通过计算发现，CTS rations平均值为0.2，这样说明拟南芥中大多数的pre-mRNA是共转录的剪切方式。

CTS量化

CTS效率与Exon、Intron数目相关

在老鼠与果蝇中，基因结构会影响剪切效率。其中第一个和最后一个intron被切除的效率更低，相比与内部的intron。同时基因长度、内含子|外显子的数目与 splice ratios呈负相关。由于基因长度和内含子外显子数目也有一定关系，于是作者分别在固定gene长度的条件下，和固定intron数目下比较相关性。发现intron|exon 的数目与剪切效率存在相关。

CTS效率与组蛋白修饰呈现负相关

高水平的H3K4me3、H3K9ac可能会导致更高的转录延伸速率，从而减少CTS的效率。

组蛋白修饰与CTS

参考

1. The Features and Regulation of Co-transcriptional Splicing in Arabidopsis