一種稱(chēng)為COOLAIR的特殊核糖核酸(RNA)正在向科學(xué)家展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，與RNA分子機(jī)器顯示出驚人的相似之處，以前被認(rèn)為局限于細(xì)胞蛋白質(zhì)工廠(chǎng)(“核糖體”)和不僅僅是一串RNA的技能。“我們正在揭開(kāi)植物記憶的細(xì)節(jié)，”洛杉磯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Karissa Sanbonmatsu說(shuō)，他是本周在Cell Reports上發(fā)表的一篇新文章的第一作者。

在過(guò)去五年左右的時(shí)間里，被稱(chēng)為“垃圾DNA”的細(xì)胞中的材料實(shí)際上并不是垃圾。相反，它被證明產(chǎn)生RNA分子，其在胚胎器官的發(fā)育中起關(guān)鍵作用，并且影響癌癥，腦功能和植物生物學(xué)。科學(xué)家探索的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是植物如何知道何時(shí)開(kāi)花的表觀(guān)遺傳學(xué)。

在表觀(guān)遺傳學(xué)中，環(huán)境可以產(chǎn)生一代代傳承下來(lái)的生理變化; 然而，細(xì)胞的DNA序列永遠(yuǎn)不會(huì)改變并保持完全相同。Sanbonmatsu指出，植物是理想的模型系統(tǒng)，允許研究表觀(guān)遺傳記憶(其中一代細(xì)胞記憶上一代細(xì)胞發(fā)生的事情)。

在本文中，重點(diǎn)是一個(gè)名為COOLAIR的RNA串，它控制著春天植物開(kāi)花的時(shí)間，因?yàn)樗梢愿兄参锉┞队诤涞臅r(shí)間。當(dāng)關(guān)閉或去除這些RNA時(shí)，植物根本不會(huì)開(kāi)花。

“與植物的葉子，莖和根的其余部分的工作結(jié)構(gòu)相比，花可能看起來(lái)很無(wú)聊，但它們實(shí)際上是開(kāi)花植物生存的關(guān)鍵，”Sanbonmatsu說(shuō)。

“事實(shí)上，植物繁殖成功的關(guān)鍵取決于在春天開(kāi)花的精確時(shí)間。我們的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)里面COOLAIR機(jī)械子，是一大片的證據(jù)表明，RNA的可能更像機(jī)器，他們?cè)谶@個(gè)實(shí)施協(xié)助內(nèi)部日歷，“她指出。

這種開(kāi)花時(shí)間產(chǎn)生了一種奇怪的現(xiàn)象，即植物在暴露于寒冷天氣一定天后才開(kāi)花：植物有效地記住了多少天前冬天的死亡。

“沒(méi)有擁有大腦或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，他們究竟如何記住這一點(diǎn)是很神秘的。很多人都把錢(qián)投入到RNA上，這是DNA的分子表親，”Sanbonmatsu說(shuō)。巨大的RNA分子被認(rèn)為在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，但沒(méi)有人知道它們的樣子或它們是如何工作的。洛斯阿拉莫斯 - 英國(guó)合作產(chǎn)生了這種分子的第一個(gè)二維圖譜之一。這種名為COOLAIR的分子現(xiàn)在被認(rèn)為是植物記憶難題的關(guān)鍵部分。

COOLAIR是一類(lèi)稱(chēng)為長(zhǎng)非編碼RNA的分子之一(lncRNA，發(fā)音為“link RNA”)。雖然已經(jīng)證明許多這些lncRNA對(duì)重要的生物過(guò)程至關(guān)重要，但它們的確切功能尚不清楚。研究人員開(kāi)始明白，lncRNA似乎可以控制植物和哺乳動(dòng)物表觀(guān)遺傳學(xué)和發(fā)育過(guò)程中的各種表觀(guān)遺傳過(guò)程。

COOLAIR似乎是阻遏物的阻遏物，幫助控制內(nèi)部傳感器，告訴植物是時(shí)候停止開(kāi)花過(guò)程，天氣似乎趨于開(kāi)花時(shí)間。第一個(gè)阻遏物是一種叫做FLC(開(kāi)花基因座C)的蛋白質(zhì)。這種抑制因子在秋冬季節(jié)開(kāi)始開(kāi)花。COOLAIR反過(guò)來(lái)壓制FLC，允許開(kāi)花，但僅在暴露于低溫4-6周后才開(kāi)花。

“這項(xiàng)工作引發(fā)了關(guān)于非編碼轉(zhuǎn)錄本在序列水平上不保守的功能意義的爭(zhēng)論，這正是刺激這項(xiàng)工作的原因，”該論文的合著者，英國(guó)John Innes中心的Caroline Dean說(shuō)。

“我們最初發(fā)現(xiàn)COOLAIR在尋找感冒引起的因素時(shí)沒(méi)有偏見(jiàn)。我們隨后使用各種遺傳和轉(zhuǎn)基因方法證明了它們?cè)诒碛^(guān)遺傳沉默機(jī)制中的功能，這種機(jī)制可以在長(zhǎng)時(shí)間冷暴露期間切斷FLC，”她指出。

COOLAIR項(xiàng)目是與植物表觀(guān)遺傳學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者Dean和英國(guó)John Innes中心的團(tuán)隊(duì)合作。洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了COOLAIR結(jié)構(gòu)，而Dean的團(tuán)隊(duì)，包括第一作者Emily Hawkes，對(duì)活植物進(jìn)行了突變，以幫助驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。

“第一步是找到他們的二維結(jié)構(gòu)，布置完整的三維結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)。所以這就是洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)所做的，”Sanbonmatsu說(shuō)。“利用從核糖體領(lǐng)域借來(lái)的生物化學(xué)策略，我們?cè)儐?wèn)了這些RNA的2-D結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它們裝載了高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，與核糖體不同。”

“由于我們花了十多年時(shí)間研究核糖體(讀取遺傳信息的分子機(jī)器)，我們確切知道如何處理巨大的RNA，”Sanbonmatsu說(shuō)。