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Plant Cell, Jul 03 2026, koag207 | https://doi.org/10.1093/plcell/koag207 The STA1-DOT2 interaction promotes nuclear speckle formation and splicing robustness in growth and heat stress responses

Heejin Kim¹, Kyoung-jae Yu¹, So Young Park², Dong Hye Seo^3,4,5, Woo Taek Kim⁵, Dae-Jin Yun⁶, Jae-Hoon Jung⁷, Dong-Hoon Jeong², and Byeong-ha Lee^1*

¹Department of Life Science, Sogang University, Mapo-gu, Seoul 04107, Republic of Korea
²Department of Life Science and Multidisciplinary Genome Institute, Hallym University, Chuncheon 24252, Republic of Korea
³Plant Biotechnology Research Center, Ghent University, Global Campus, Incheon 21985, Republic of Korea
⁴Department of Plant Biotechnology and Bioinformatics, Ghent University, 9052 Ghent, Belgium
⁵Department of Systems Biology and Institute of Life Science and Biotechnology, Yonsei University, Seoul 03722, Republic of Korea
⁶Department of Advanced Biotechnology and Global Plant Stress Research Center, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
⁷Department of Biological Sciences, Sungkyunkwan University, Suwon 16419, Republic of Korea

^*Correspondence: Byeong-ha Lee

Abstract

Pre-mRNA splicing is carried out by the spliceosome, a large and dynamic ribonucleoprotein complex. The spliceosome is known to be stored in nuclear speckles (NS), which are recognized as active subnuclear organelles for splicing. However, it remains poorly understood how spliceosomal protein-protein interactions are functionally coupled to NS organization to maintain splicing robustness in plants. Here, we report the functional significance of a specific interaction between two U4/U6·U5 tri-snRNP components of the spliceosome, STA1 and DOT2, in regulating NS organization, pre-mRNA splicing, and heat stress responses in Arabidopsis. We identified a missense mutation in DOT2 (a Snu66/SART1 homolog) from a genetic suppressor of the PRP6 homolog mutant sta1-1 (named S307). This mutation restored the weakened interaction between STA1 and DOT2 in the sta1-1 mutant background. Genetic, biochemical, and cell biological analyses showed that variation in the strength of the STA1-DOT2 interaction was closely associated with changes in NS formation, splicing efficiency, transcript abundance, as well as growth and heat tolerance. Pharmacological inhibition of STA1-associated NS formation by tubercidin recapitulated sta1-1-like phenotypes and splicing defects, supporting a functional link between NS organization and splicing outcomes. In addition, heat-induced weakening of the STA1-DOT2 interaction was accompanied by reduced NS formation and increased intron retention at the transcriptome-wide level including key heat-responsive transcripts. Based on these observations, we propose that the STA1-DOT2 interaction, likely reflecting the assembly state of the U4/U6·U5 tri-snRNP, may represent one of the heat-sensitive interaction nodes that couple spliceosome assembly to NS organization and splicing robustness under stress conditions.

논문소개전체 설명

진핵생물의 유전자는 먼저 pre-mRNA 형태로 전사되며, 이 안에는 단백질 정보를 담은 exon과 제거되어야 하는 intron이 함께 존재합니다. 따라서 intron을 정확히 제거하고 exon을 이어 붙이는 splicing은 유전자 발현의 정확성을 결정하는 필수 과정으로 spliceosome이라고 하는 단백질-RNA 복합체가 담당합니다. 우리가 연구한 유전자인  STA1과 DOT2는 각각 PRP6와 SNU66의 상동유전자로, 모두 spliceosome의 구성인자입니다.  이 연구에서 우리는 식물이 정상적으로 생장하고 고온 스트레스에 적절히 대응하기 위해서는 pre-mRNA splicing 과정이 안정적으로 유지되어야 하며, 그 핵심에 STA1과 DOT2 단백질의 상호작용이 있음을 밝혔습니다. 특히, STA1과 DOT2 결합은 단순히 두 단백질 사이의 물리적 결합에 그치지 않고, 핵 안에서 nuclear speckle 형성, intron 제거, 그리고 식물의 생장 및 고온 스트레스 내성을 연결하는 중요한 조절 지점임을 보였습니다.

STA1에 결함이 있는 sta1-1 돌연변이체는 작고, 고온 스트레스에 약하며, 많은 유전자에서 intron이 제대로 제거되지 않습니다. sta1-1억제 돌연변이체(suppressor) 스크리닝을 통해 S307 라인을 확보했고, 이 라인에서 sta1-1의 생장 결함과 splicing 결함이 상당 부분 회복되는 것을 확인했습니다. Mapping 및 유전체 염기서열 분석 결과 이러한 회복 효과는 DOT2 유전자에 생긴 dot2S 돌연변이 때문임을 밝혔습니다. 즉, DOT2의 특정 변화가 sta1-1에 의해 약화된 splicing 기능을 보완할 수 있다는 점을 확인한 것입니다.

흥미로운 점은 dot2S가 sta1-1 돌연변이체 내의 약해진 STA1과 DOT2의 결합을 다시 강화한다는 점입니다. 즉, sta1-1에서는 STA1–DOT2 상호작용이 약해지고, 그 결과 nuclear speckle 형성이 불안정해지며, 전사체 전반에서 intron retention이 증가했습니다. 반면 S307에서는 dot2S에 의해 두 단백질의 결합이 회복되었고, nuclear speckle 형성과 splicing도 함께 정상화되었습니다. 이를 통해 우리는 splicing 결함이spliceosome 구성 단백질 간 상호작용과 nuclear speckle 형성의 변화에서 비롯될 수 있음을 밝혔습니다.

또한 우리는 고온 조건에서 STA1–DOT2 상호작용이 약화되고 STA1이 DOT2와 함께 nuclear speckle로 위치되는 과정도 저해되는 것을 관찰했습니다. 흥미롭게도 고온 조건에서 STA1은 nuclear speckle marker와 잘 겹치지 않는 별도의 condensate를 형성했으며, 이는 STA1에 존재하는 Intrinsically Disordered Region (IDR)에 의해 촉진되는 자기 결합 기반의 비기능적 STA1 aggregates로 해석됩니다. 즉, 고온 스트레스나 sta1-1 변이에 의해 STA1–DOT2 연결이 약해지면, STA1이 functional nuclear speckle로 유도되기보다 IDR-mediated self-aggregation을 통해 비기능적 aggregates로 전환되는 것으로 보입니다. 반대로 DOT2와의 안정적인 상호작용은 STA1을 nuclear speckle로 유도함으로써 이러한 aggregate 형성을 일부 상쇄하고, splicing 활성을 일부 유지하는 역할을 할 것으로 생각됩니다.  

요약하면, STA1–DOT2 상호작용은 STA1을 비기능적 aggregates가 아닌 기능적 nuclear speckle로 유도하여 splicing robustness와 유전자 발현 체계의 안정성을 유지하는 데 중요하다는 것을 이 연구를 통해서 밝혔습니다. 우리 연구는 또한 nuclear speckle이 단순히 splicing 인자를 보관하는 창고가 아니라, spliceosome 조립 상태를 반영하며 실제 splicing 활동에 능동적으로 관여하는 기능적 공간이라는 관점을 뒷받침합니다.

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