呼吸作用是线粒体最重要的代谢。其中，线粒体中5个和呼吸相关的复合物起到了重要影响。很多呼吸链相关蛋白都是由线粒体基因组编码的。这些RNA会受到细胞核内诸如pentatricopeptide repeat (PPR) 蛋白的转录后修饰。玉米defective kernel 10(dek10) 是一个典型的籽粒变小发育迟缓的突变体。通过图位克隆发现，dek10编码了一个定位于线粒体的E族PPR蛋白。测序表明dek10突变体是由于nad3-61，nad3-62和cox2-550位点的C-U变化导致的。这些位点的变化导致Nad3显著下降，Cox2蛋白的缺失。有趣的事，复合物I并没有变化，但是NADH脱氢酶活性显著下降。复合物IV的含量显著下降。转录组测序与透射电镜（TEM）分析表明，nad3和cox2对线粒体功能密切相关。这些结果表明，E族PPR蛋白dek10对nad3和cox2的位点编辑至关重要，而这在植物发育过程中是必不可少的。
研究思路
研究结果
1 dek10导致籽粒变小以及发育迟缓
dek10-ref (dek10-N1176A)突变体来源于玉米种质中心。该突变体在获得后与W22野生型进行杂交进行背景纯化，并且表型观察。结果发现，dek10百粒重只有野生型的27%，总蛋白与胚乳重量显著下降。然而，淀粉却没有显著变化。对植株的观察发现，dek10植株的发育速度比野生型显著降低（图1）。
2 dek10的图位克隆
在植物正向遗传学中，获得突变体后往往需要对基因进行定位与克隆。在此，研究人员使用图位克隆的方法对dek10基因进行精细定位。在对947个F2代突变体种子进行鉴定后，研究人员将dek10基因定位于InDel-AC204567.28与InDel-GRMZM2G071304.4范围内。该段范围由225K个碱基组成，包含2个BAC克隆（AC204567与AC186864）。其中包含了8个可能的候选基因，根据对这8个基因的序列分析发现，GRMZM2G087226中有一段5个碱基CCTCC的插入，导致移码突变（图2）。
为了确认图位克隆的准确性，研究人员还使用了等位测试的方法对其进行了验证。结果表明，该候选基因的CRISPR/Cas9突变体与dek10的等位突变杂交后，不能使其恢复野生型表型。证实了该基因就是dek10的突变基因。
3 dek10编码了一个定位于线粒体的E族PPR蛋白
根据对dek10的进化树分析以及BLASTP分析发现，该基因编码了一个E族PPR蛋白（图3）。此外，对其进行亚细胞定位表明，该蛋白定位于线粒体。
4 Dek10对线粒体nad3-61、nad3-62与cox2-550中的RNA编辑
有文献报道，E族PPR蛋白参与了对RNA的编辑。对dek10突变体大量的线粒体转录本测序配合测序，发现了3个dek10突变体中特异的可变剪切位点：nad3 61与62以及cox2的550。导致了nad3蛋白对应氨基酸由亮氨酸转变为脯氨酸，cox2蛋白丝氨酸转变为脯氨酸（图4）。
5 dek10影响线粒体相关基因表达
为了对dek10突变对籽粒线粒体的影响有一个广泛的认识，研究人员还对dek10突变体进行了RNA测序，以期望能够获得足够的信息，了解dek10可能的具体分子机制。在此，通过RNA测序，研究人员鉴定到了48480个基因，其中包含2668个差异基因。在这些基因中，420个表现为表达量下降。其中，736个基因具有功能标注。GO富集分析后，差异基因的功能主要被归类到GO: 0005740 (Mitochondrial envelope, p-value=5.0E-18); GO: 0015078 (Hydrogen ion transmembrane transporter activity, p-value=1.3E-13); 与GO: 0015992 (Proton transport, p-value= 7.0E-06)上。
6 dek10影响线粒体形态
最后，研究人员为了对dek10突变后线粒体在形态上有进一步的认识，将dek10 18DAP的胚乳进行了未成熟籽粒的透射电镜观察。结果表明，dek10突变后，线粒体体积显著增大，并且呈现不规则形态（图5）。
该研究中RNA-seq服务由伯豪生物提供。
原文出处： Qi WW, Tian ZR, Lu L, Chen XZ, Chen XZ, Zhang W, Song RT.
Editing of mitochondrial transcripts nad3 and cox2 by Dek10 is essential
for mitochondrial function and maize plant development. Genetics. 2017.
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