在微观的细胞世界里，mRNA（信使核糖核酸）就像一个个忙碌的 “传令兵”，它们携带着遗传信息，指挥着细胞的各种生命活动。mRNA 的数量必须受到精准调控，否则细胞就会陷入混乱，影响生物体的正常发育和对环境压力的应对。

一直以来，科学家们都知道 mRNA 的丰度（可以简单理解为 mRNA 的数量）调控十分关键，它不仅和转录水平有关，mRNA 的降解速率也起着重要作用 。在真核生物中，mRNA 的降解可以从转录本的两端进行，3’到 5’方向的降解由 RNA 外切体复合物或 SOV 负责，5’到 3’方向的降解则在去腺苷酸化和脱帽过程之后，由外切核糖核酸酶（如酵母中的 XRN1、拟南芥中的 XRN4）来执行。

曾经，人们认为 mRNA 的降解只有在最后一轮翻译结束后才会发生。但随着研究的深入，这个观念被打破了。科学家发现了一种 5’ - 3’共翻译 mRNA 降解途径（Co - Translational mRNA Decay，CTRD），原来正在翻译的 mRNA 也可能被降解。这一发现让大家对 mRNA 的降解过程有了全新的认识，而且这个途径在很多真核生物和原核生物中都存在，对许多生理过程至关重要。比如在哺乳动物细胞里，CTRD 参与调节微管蛋白 mRNA，维持细胞中可溶性微管蛋白的稳定；在酵母中，它对渗透压应激反应意义重大；在植物中，CTRD 在拟南芥幼苗发育过程中受到调控，在热应激时还能增强植物的耐热性，在番茄中则参与调节昼夜节律转录本。

不过，虽然 CTRD 如此重要，可它的调控机制却充满了谜团。在拟南芥中，虽然知道 XRN4 是 CTRD 途径的主要酶，但具体的调控细节却不清楚。而且，除了 XRN4，是否还有其他酶参与这个过程呢？这一系列问题吸引着科学家们不断探索。

为了揭开这些谜团，来自法国国家科学研究中心（CNRS） - 佩皮尼昂大学（Université de Perpignan）等机构的研究人员在《BMC Plant Biology》期刊上发表了题为 “Regulation of co - translational mRNA decay by PAP and DXO1 in Arabidopsis” 的论文。他们发现，3’ - 磷酸腺苷 5’ - 磷酸（3? - phosphoadenosine 5? - phosphate，PAP）和去帽及外切核糖核酸酶蛋白 1（Decapping and exoribonuclease protein 1，DXO1）参与了拟南芥中 CTRD 途径的调控。这一发现为深入了解植物中 mRNA 的调控机制提供了重要线索，有助于科学家们进一步探究植物生长发育和应对环境变化的分子机制。

在这项研究中，研究人员运用了多种技术方法。首先是 5’Pseq 技术，这就像是给 mRNA 降解过程装了一个 “高清摄像头”，可以追踪 5’ - 磷酸化的 mRNA 降解中间产物，帮助研究人员分析 CTRD 活性和核糖体动态 。其次是多聚核糖体分析技术，它能够将细胞中的多聚核糖体进行分离和分析，研究 XRN4 和 DXO1 在多聚核糖体中的分布情况，从而了解它们与翻译过程的关系。此外，还有蛋白质免疫印迹（western - blot）分析，用于检测蛋白质的表达水平和分布；逆转录数字滴度 PCR（RT - ddPCR），可以精确测定 mRNA 的半衰期，评估 mRNA 的稳定性 。

下面我们来看看具体的研究结果：

FRY1 编码的磷酸酶在正常情况下可以快速降解 PAP。当 FRY1 功能缺失时，PAP 就会大量积累，进而抑制 XRN 的活性。研究人员首先研究了 15 天大的野生型 Col0 和 fry1 突变体幼苗的地上部分和根部中 XRN4 在多聚核糖体中的积累情况（这可以作为 CTRD 活性的一个指标）。通过多聚核糖体分析和蛋白质免疫印迹实验，他们发现 fry1 突变体中 XRN4 在多聚核糖体中的积累似乎受到了影响。

为了进一步确定 FRY1 失活是否会损害 CTRD 活性，研究人员采用 5’Pseq 技术对 Col0、xrn4 和 fry1 突变体进行分析。通过对终止密码子周围的 5’P 读取进行元基因分析，他们发现 Col0 的地上部分和根部在终止密码子前 - 16/-17nt 处有明显的 5’P 读取积累，这是 CTRD 活跃的标志。但在 xrn4 和 fry1 突变体中，这个峰值大幅下降。通过计算终止停滞指数（Terminational Stalling Index，TSI），研究人员发现 fry1 突变体中 TSI 分布的下降幅度比 xrn4 突变体更大，而且 XRN4 和 FRY1 的 CTRD 靶标有很强的重叠。这表明 FRY1 失活会抑制 XRN4 - CTRD 活性，而且可能还有其他酶参与 CTRD 途径。

由于 fry1 突变体中会持续积累 PAP，研究人员想知道外源添加 PAP 是否也会影响 CTRD 活性。他们用 1mM 的外源 PAP 处理幼苗，同时添加 ATP 作为 PAP 转运体的已知共底物。处理 1 小时后，分别收集地上部分和根部进行实验。

多聚核糖体分析和蛋白质免疫印迹结果显示，外源 PAP 处理减少了 XRN4 在多聚核糖体中的积累，但不影响 XRN4 在输入组分中的信号，而且 PAP 处理还导致 XRN4 在游离 mRNP 组分中积累。通过 RT - ddPCR 测定候选 CTRD 靶标的 mRNA 半衰期，研究人员发现，对于两个 CTRD 靶向的转录本 At2g21350 和 At1g66900，PAP 处理显著影响了它们在地上部分和根部的 mRNA 稳定性，而对非 XRN4/FRY1 的 CTRD 靶标则没有影响。这说明 PAP 可以直接或间接调节地上部分和根部的 CTRD 活性。

除了 XRN 活性，PAP 还能抑制 DXO1 的外切核糖核酸酶活性。虽然 DXO1 参与去除非规范的 NAD?帽和 RNA 周转，但它对 CTRD 的贡献还未被研究过。

研究人员首先利用互补的 DXO1 - GFP 系，分析了 DXO1 在游离 mRNP 和核糖体结合组分中的分布，发现 DXO1 在核糖体结合组分中的信号更高，而且 PAP 处理也会影响 DXO1 与核糖体的结合。为了研究 DXO1 对 CTRD 活性的影响，他们使用了催化失活的 DXO1（DXO1 (E394A/D396A)），并对其进行 5’Pseq 分析。

元基因分析显示，与 Col0 相比，DXO1 (E394A/D396A) 系在终止密码子前 - 16/-17nt 处的峰值下降，但下降程度比 xrn4 突变体小。通过分析 TSI 分布，研究人员发现 DXO1 (E394A/D396A) 和 xrn4 系中 TSI 分布都显著下降，而且 xrn4 系的下降幅度比 DXO1 (E394A/D396A) 系更小，同时 DXO1 和 XRN4 的 CTRD 靶标有明显重叠。这表明 DXO1 和 XRN4 可能有相似的靶标，DXO1 也参与了 CTRD 过程。

已知 DXO1 参与去除非规范的 NAD?帽，研究人员想知道 DXO1 识别的共翻译 mRNA 降解靶标是否带有 NAD?帽。他们将 NAD?帽 RNA 与 DXO1 的共翻译 mRNA 降解靶标进行比较，发现 83.3% 的 NAD?帽识别转录本在 Col0 中被 CTRD 靶向（TSI > 3），而且 DXO1 (E394A/D396A) 系中这些转录本的 TSI 分布显著低于 Col0，两者有明显重叠。

通过基因本体（Gene Ontology，GO）分析，研究人员发现 DXO1 的 CTRD 靶标在与 “刺激响应” 相关的 GO 术语中显著富集，尤其是 “脱落酸响应”。此外，他们还比较了 DXO1 靶标和 FRY1 靶标，发现 FRY1 对 TSI 分布的影响比 DXO1 (E394A/D396A) 更大。这表明 NAD?帽转录本可能通过共翻译降解过程被降解，而且很可能是由 DXO1 介导的。

综合这些研究结果，研究人员得出结论：PAP 和 DXO1 参与了拟南芥中 CTRD 途径的调控。DXO1 可能通过靶向 NAD?帽的多聚核糖体 mRNA 参与 CTRD，这是首次证明除 XRN4 外，另一种外切核糖核酸酶 DXO1 在 CTRD 途径中发挥作用。

这项研究意义重大。它进一步揭示了拟南芥中 CTRD 途径的调控机制，让我们对 mRNA 降解过程有了更深入的理解。虽然之前知道 XRN4 是 CTRD 的主要参与者，但本研究发现其他酶如 DXO1 也参与其中，这为后续研究拓展了方向。而且，研究还发现 CTRD 途径与植物对刺激的响应有关，特别是与脱落酸响应相关，这有助于我们理解植物如何通过调控 mRNA 来应对环境变化，为提高植物的适应性和作物产量提供了潜在的理论基础。未来，科学家们可以基于这些发现，进一步探索 CTRD 途径在植物生长发育和应对各种环境胁迫中的具体作用，说不定能找到新的方法来帮助植物更好地生长，应对全球气候变化带来的挑战呢！