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文献解读| Direct RNA测序揭示细胞质非典型Poly(A)聚合酶调节动物的先天免疫反应机制

先天免疫是一种古老的进化机制,为宿主提供一般的病原体保护。在所有被研究的生物中,先天免疫反应在转录和转录后水平上受到调控。线虫中控制先天免疫的信号通路和转录因子已被详细研究,但人类对这一过程中涉及的转录后机制知之甚少。

 

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文章题目:TENT5 cytoplasmic noncanonical poly(A) polymerases regulate the innate immune response in animals

发表期刊:Science Advances

IF:14.957

发表时间:2022.11.16

 

 研究背景 

 

先天免疫是宿主抵御病原体的第一道防线。本文通过全局转录组和蛋白质组分析,发现细胞质Poly(A)聚合酶TENT-5能够增强秀丽隐杆线虫分泌的先天免疫效应蛋白的表达。Direct RNA-seq(DRS)的Poly(A)尾分析表明TENT-5可使编码防御蛋白的mRNA多聚腺苷酸化且使其稳定。该研究揭示了细胞质多聚腺苷酸化是动物先天免疫转录后调节的一个未知组成部分。

 

 材料与方法  

 

本文以野生型和tent-5突变体,大肠杆菌上生长和金黄色葡萄球菌感染8小时的秀丽隐杆线虫为材料进行RNA-seq。以秀丽隐杆线虫的野生型和tent-5突变体,小鼠原代巨噬细胞(BMDMs)的Tent5aFlox/Flox Tent5c−/−突变体和野生型为材料进行DRS测序。以秀丽隐杆线虫的野生型和tent-5突变体为材料进行蛋白质组学分析。

 

 研究结果 

 

1.TENT-5是一种非典型细胞质Poly(A)聚合酶(ncPAPs)

 

系统发育分析表明秀丽隐杆线虫的TENT5与脊椎动物的TENT5同系物高度保守(图1A)。通过DRS的Poly(A)分析发现,与TENT-5D151A,D153A相比,TENT-5WT中 mRNA的聚腺苷酸化增加,但转录本的Poly(A)尾长的整体分布不受TENT-5WT/MUT过表达的影响(图1B-D)。亚细胞定位发现TENT5在线虫的大多数组织以及所有发育阶段都表达,且主要位于所有细胞的细胞质中(图1E-F)。以上结果表明TENT-5是线虫中一种新的胞质ncPAP。

 

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图1 TENT-5是线虫中的一种非典型细胞质Poly(A)聚合酶

 

2.tent-5的缺失导致编码先天免疫效应因子的基因下调

 

tent-5突变体和野生型线虫进行RNA-seq测序,与野生型相比,突变体上下调的基因数量表明TENT-5的聚腺苷酸化更能稳定mRNAs。下调基因与免疫和防御反应、肽酶和水解酶活性等有关;组织富集分析(TEA)表明,它们与先天免疫中发挥着重要作用的肠道有关;蛋白结构分析表明,它们能编码各种抗微生物和细胞保护性免疫效应物(图2A-D)。以上表明,TENT-5通过控制由几种信号通路调节的免疫基因的表达,参与先天免疫应答。

 

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图2 tent-5的缺失导致编码先天免疫效应物的基因下调

 

3.TENT-5是宿主防御各种细菌菌株所必需的

 

E.coli上生长时,tent-5突变体线虫存活时间略短于野生型(图3A-B);在感染S.aureus、P.aeruginosa的情况下,tent-5突变体更易感染(图3D-E);在野生型和tent-5突变体线虫肠道中发现,tent-5突变体肠道中有更高的细菌负荷(图3C和3 F)。以上结果表明TENT-5可能有助于调节秀丽隐杆线虫的寿命或总体健康。

 

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图3 TENT-5是宿主防御各种细菌菌株所必需的

 

4.tent-5突变体中表达下调的转录本是TENT-5聚腺苷酸化的直接靶点

 

tent-5突变体和野生型线虫的DRS数据进行Poly(A)尾分析,结果表明与野生型相比,突变体中有96个mRNA的Poly(A)长度中值较短(图4B)。同时,编码翻译和其他转录本的突变体与野生型之间的mRNA聚腺苷酸化没有变化,这意味着它们是TENT-5聚腺苷酸化的直接底物(图4C)。分析Poly(A)尾长和mRNA表达之间的关系发现Poly(A)尾较短的转录本的转录水平显著降低(图4D)。表明,TENT-5的聚腺苷酸化增加了目标转录本的稳定性。突变体中Poly(A)尾巴最明显缩短的转录本是nspc基因(图4E-F)。使用PAT检测Poly(A)尾长,发现突变体的Poly(A)尾更短(图4G)。以上结果表明,TENT-5通过延伸其Poly(A)尾巴而稳定特定的mRNA。

 

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图4 tent-5突变体中下调的转录本是TENT-5多腺苷酸化的直接靶点

 

5.TENT-5调节编码分泌蛋白的mRNA

 

为了区分TENT-5 ncPAP底物与其他mRNA,对序列进行了全面分析,DRS检测发现,TENT-5的底物mRNA和3′UTR更短(图5A-C)。在秀丽隐杆线虫中,预计大约19%的蛋白质具有N端信号肽,该信号肽将它们定向到通过内质网(ER)的分泌途径。本次检测到大多数基因在tent-5突变体中下调,而大多数TENT-5底物编码的蛋白具有预测的信号肽(图5D),表明TENT-5负责编码ER靶向分泌蛋白的mRNA的多聚腺苷酸化。同时,亚细胞定位发现TENT-5定位于ER(图5E)。以上结果表明,TENT-5可能通过与ER翻译的短mRNA共定位,靶向到一些底物。

 

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图5 TENT-5调节编码分泌蛋白的mRNA

 

6.TENT-5在先天免疫中的作用在进化上是保守的

 

小鼠的先天免疫效应细胞中表达两种基因,Tent5aTent5c。在LPS刺激下,两种基因在BMDM中被诱导,且蛋白在感染过程中也被刺激而升高(图6A-B)。DRS分析发现,在缺乏Tent5a - / - Tent5c - / -的BMDMs中,98个mRNA的Poly(A)尾长较短(图6C)。对TENT5A/C底物mRNA的GO分析显示,它们与细胞外空间、防御和固有免疫反应等相关(图6D)。以上结果说明,TENT5A/C的酶活性在小鼠巨噬细胞的生理学中起作用,与线虫中的同系物类似,都可促进先天免疫反应。

 

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图6 TENT-5在先天免疫中的作用在进化上是保守的

 

 研究结论 

 

本研究描述了秀丽隐杆线虫中唯一的TENT5家族成员F55A12.9/PQN-44,将其命名为TENT-5。转录组学和蛋白质组学分析以及功能研究表明,TENT-5是一种先天性免疫反应调节因子;DRS的Poly(A)尾部分析显示,TENT-5聚腺苷酸酸化并稳定编码防御蛋白的mRNA。确定了秀丽隐杆线虫TENT-5及其哺乳动物直系同源物TENT5A和TENT5C是以前不为人知的调节宿主先天防御的参与者。

 

 

 

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