PCE[2026IF6.9]中国科学院遗传发育所揭示生物钟核心基因CCA1通过可变剪切响应不同程度高温的分子机制
PCE | 中国科学院遗传发育所揭示生物钟核心基因CCA1通过可变剪切响应不同程度高温的分子机制
生物钟是植物协调内源节律与外界环境周期变化的核心计时系统。当环境温度升高时，植物需要在“保持节律走时准确”与“启动高温适应/热形态建成”之间快速权衡。CCA1（CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1）是生物钟晨间核心转录因子，其pre-mRNA可通过可变剪切（Alternative Splicing, AS）产生不同亚型：完全剪切产生编码全长含MYB结构域蛋白的CCA1α亚型，而保留第四内含子因引入提前终止位点（PTC），则产生编码不含MYB结构域蛋白的截短型CCA1β（存在CCA1βα与CCA1βb两种转录本）。早期研究发现CCA1β在高温下被诱导，但其能否响应甚至精确区分不同的高温梯度、不同温度下各亚型的转录与蛋白水平如何协同变化，以及AS调控如何参与高温下的植物防御与氧化稳态，此前仍不清楚。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所种子创新全国重点实验室刘翠敏团队在植物学领域经典期刊Plant, Cell & Environment上发表了题为“Circadian Clock Associated 1Expression Responds to High Temperature
Precisely Through Alternative Splicing in Arabidopsis”的研究论文，揭示核心晨间生物钟转录因子CCA1正是站在这一十字路口的关键节点，该研究系统解析了CCA1如何通过可变剪切在转录与转录后水平精确响应不同梯度的高温信号，在维持节律稳态与高温适应之间取得精妙平衡。
主要发现
1.CCA1对不同程度的高温呈“分级响应”，而非简单开关
研究者在ZT2（zeitgeber time 2）将野生型拟南芥幼苗分别转移至22℃、28℃、32℃、37℃等不同温度处理，并在0–6小时内高分辨率采样。结果显示：在温和高温（28–37℃）范围内，CCA1总表达量随温度梯度逐级上调；其中CCA1α亚型保持相对稳定，而CCA1βα与CCA1βb亚型被显著诱导，其中CCA1βb在37℃下特异性大量积累。当温度进一步升至极端高温42℃时，CCA1整体被广泛上调，表现为各亚型之间不再有显著差异，提示CCA1对“梯度温和高温”与“极端高温”采取了不同的响应策略。
图1. 拟南芥中CCA1可变剪接对温度升高的分级响应
2. CCA1β蛋白翻译受限，主要通过转录层面拮抗CCA1α
尽管CCA1β（特别是CCA1βb）在37℃下大量转录，但Western blot与核质分离实验显示：37℃处理后CCA1α蛋白在核内持续积累，而CCA1β蛋白却十分有限，且在核内与胞质中的积累量相当。对CCA1α/β-GFP的的亚细胞荧光定位比较，进一步确认不同于高度富集于细胞核的CCA1α，CCA1β在胞质中也有相当量的分布。
图2. 拟南芥CCA1β蛋白的核质分布特征
通过构建5′/3′UTR、保留第四内含子（IR4）、提前终止密码子（PTC）等一系列LUC报告基因与拟南芥转基因株系，作者证实：保留的第四内含子引入了提前终止密码子并启用了下游翻译重起始位点，导致CCA1β转录本虽然丰度极高，但蛋白翻译效率被显著削弱。这一“转录高、蛋白低”的设计使CCA1β主要在转录层面对CCA1进行调节，其蛋白产物通过竞争互作蛋白，调节核定位比例等，负调控CCA1α，而非以蛋白剂量形式直接发挥作用。
图3.翻译再起始可抑制 CCA1β 蛋白的生物合成
3.温度依赖的CCA1α/β亚型切换精细调控防御与ROS稳态
为解析CCA1β亚型的生物学功能，作者在22℃与37℃下对Col-0、mCCA1-HTF/Col-0（22℃下CCA1βa过表达，37℃下CCA1βb过表达）进行RNA-seq。与22℃下Col-0相比，mCCA1-HTF/Col-0显著改变的1885个差异表达基因同时出现在37℃处理的Col-0中，变化趋势一致。GO富集显示，这些基因显著富集于生物胁迫响应（细菌、真菌、卵菌）、过敏反应、系统获得性抗性以及活性氧（ROS）代谢途径等，不同CCA1β亚型之间仅具有限的功能冗余性。这提示CCA1α/β亚型比例在高温下的动态切换，是植物将“高温信号”耦合到“生物防御与氧化稳态”的精细阀门。
4. CCA1高温响应具有记忆效应、时间与组织特异性
进一步对不同持续时间高温处理，对次日CCA1α表达的影响进行检测发现，该转录本不仅具有高温时长依赖的延迟响应，且对处理时间也存在特异性，提示植物对“白天高温”与“黎明前高温”的响应策略截然不同。每日重复高温短处理及其中断实验证实，植物会形成“高温记忆”，渐进性钝化后续的CCA1α的延迟响应。组织特异性分析则显示：虽然各组织中的CCA1β均显著上调，但在花与莲座叶中，高温造成CCA1α一定程度下调；而在茎与根中，则被上调，呈现出器官水平的差异化高温响应模式。
综上所述，该研究勾勒出一张“温度梯度感知—可变剪切亚型切换—转录/翻译双重制衡—节律稳态与防御/ROS偶联”的多层次调控网络：CCA1 pre-mRNA在温和高温下通过选择性保留第四内含子，产生高丰度但低翻译效率的CCA1β转录本，在转录层面实现分流，稳定了CCA1α；在蛋白水平上，CCA1β竞争性削弱CCA1α活性，从而在维持周期节律稳定的同时，将高温信号传递至植物免疫与氧化稳态通路。这一发现揭示了生物钟基因通过AS实现“数字式”温度梯度精确解码的新范式，也为理解植物如何在高温条件下兼顾生长、防御与节律稳定提供了候选靶点。
图4.CCA1pre-mRNA 的温度依赖性可变剪接调节模型
论文链接：
https://doi.org/10.1111/pce.70940
文章中的拟南芥原生质体提取试剂盒使用本公司植物原生质体制备及转化试剂盒plus（RTU4072）完成。