microRNA(或miRNA) 是一种长度介于 20～24个核苷酸的单链 RNA , 由III型 RNase Di cer从含有茎环结构的内源转录本中切割产生。作为一种负调控因子,miRNA作用于它们的靶标 mRNA ,能够在转录或翻译水平上对基因的表达起到调控作用。从1993年首个miRNA在线虫中的发现开始,到2002年第一个植物miRNA的发现,miRNA引发了世界各国科学家的极大兴趣与高度重视,其普遍性和重要性才逐渐被人们所认识。miRNA于2002年成为当年十大科技榜首之位。
截至目前(2008年9月26日),根据桑格研究所的miRNA数据库显示,有来自87个物种(包括动物、植物和病毒)的8619条miRNA被登录在miRBase数据库中(http://microrna.sanger.ac.uk)。尽管miRNA序列在动植物之间保守性并不强,但是在动物界和植物界之内,其进化上的保守性仍然是重要的界定特征。许多动物体内的miRNA被发现参与了相当多的生物过程当中,比如发育时间控制、细胞死亡、细胞增殖、造血作用、神经系统发育以及对环境刺激的反应。植物miRNA及其靶标mRNA之间的高度序列互补性增加了利用生物信息学方法进行预测目标mRNA的效率,并且很多都经实验验证。
关于miRNA的有关介绍
miRNA的发现
Victor Amvros和他的同事在1993年(Lee et al.,1993)发现了线虫(C.elegans)体内一种十分短小的RNA,来源于lin-4基因,它可以抑制lin-14基因的表达,从而抑制了线虫的幼虫发育。而这个基因并不编码蛋白质,而是编码RNA。2000年在线虫中发现的let-7再一次证明了这种小RNA的发育调控功能,之后世界各地的实验室也在各个物种中发现了类似的短小RNA,并且在2001年这些RNA才被正式定义为miRNAs。自此,miRNA由于其多样性和重要的调控作用吸引了世界各地科学家的目光。在植物中,直到2002年才由多个实验室在拟南芥中克隆了植物miRNA,miRNA的研究也在世界植物学家的推动下十分迅速地展开。
miRNA的发生
miRNA的生物发生需要多个步骤。首先,miRNA基因转录出一个数百个核苷酸长的pri-miRNA,这一步由核酸聚合酶II完成。然后,pri-miRNA被剪切成为一个茎环结构的中间产物,称之为pre-miRNA。这一步骤在动物中是由Drosha RNase III完成的,而在植物体内则是Dicer-like 1(DCL1)。在此之后,exportin-5将动物miRNA从核内转运到细胞质形成miRNA:miRNA*二聚体,之后再由Dicer切割形成成熟的miRNA。而植物则可能直接在细胞核内完成miRNA*miRNA*二聚体的形成,然后再由植物体内的exportin 5同源基因HASTY将二聚体转运到细胞质中。最后,都是由helicase解旋酶将成熟miRNA从二聚体中释放出来,然后与RISC结合以完成miRNA的调控功能。可见miRNA的发生是一个非常复杂的过程,有多个酶参与到这个过程当中,最后才能形成一个成熟的有功能的miRNA。
miRNA的作用机制
在RISC复合体中,miRNA与目标mRNA结合,通过完全配对或者近完全配对抑制其表达。这种基因的沉默机制在动物中被称为RNA干扰(RNAi),在植物中则称为转录后基因沉默(PTGS)。动物miRNA通常与目标基因的3’-UTR区域中的多个识别位点进行不完全配对,阻止核糖体在mRNA上的移动而抑制基因表达。植物具有类似的调控机制,不过植物miRNA更多地通过与靶标基因中唯一的结合位点进行完全配对来抑制其表达,而且其结合位点不一定在3’-UTR,而可能在基因的任何地方。
植物miRNA除了通过阻止核糖体在mRNA上的移动来抑制基因表达之外,还可以引导对目标mRNA的切割。这表明在植物中有着更为复杂的基因表达控制机制,需要更为深入的研究来调查这种切割的具体机制。因此,植物miRNA不仅可以通过抑制mRNA的翻译来抑制目标基因的表达,也可以直接切割目标mRNA。
植物miRNA的功能解析
叶片的形态发育
植物叶片具有一个沿着上下轴的不对称结构,这个结构由III型同源结构域亮氨酸拉链(HD-ZIP)转录因子的极性表达控制。PHB、PHV、REV,这三个基因是拟南芥中的重要HD-ZIP基因,它们中任何一个的突变都可以引起植物叶片对称性的改变,现在也发现它们都是miR165和miR166的目标基因,并受这两个miRNA的调控。Mallory等人在2004年发现PHB与miR165/166配对的区域突变之后会导致叶片发育缺陷。由于HD-ZIP基因和miR165/166在植物之间的进化相当保守,所以这一调节机制存在于不同的植物中。
花的发育
花的发育是开花植物各发育阶段中最重要的一个步骤,AP2作为花发育ABC模型中A族基因的一员,也被证明受miR172的调控。miR172的过表达抑制了AP2和AP2-like基因TOE1的表达,最终导致提前开花和花器官的发育紊乱,这一性状和AP2的突变体所表现出的性状类似。同样作为miR172目标基因的glossy15(gl15)是玉米中控制从营养生长到生殖生长的关键基因,通过过表达miR172,gl15的表达被降低从而推迟了植物的营养生长到生殖生长的转换。miR156也参与到花发育和阶段转换当中,它的目标基因是SPL(Squamosa promoter bindingprotein like),一类植物特有的转录因子。例如SPL3就参与到了开花的阶段转换之中。而miR156的过表达导致莲座叶的提前发育、顶端优势的急剧下降和开花延迟。
miRNA参与信号传导
近年来,多个实验室都独立证明了miRNA参与调节激素信号传导途径中的重要成分,进而调节激素平衡和相关的发育过程。植物激素在器官形成和各种环境刺激反应中扮演重要作用。比如生长素(auxin)控制着植物生长发育,尤其是细胞的分裂、伸长和分化。生长素通过影响ARF(生长素反应因子)来达到控制植物生长的目的。已知许多ASF是miRNA的目标基因。例如,ARF10、16、17是miR160的目标基因;ARF6、8是miR167的目标基因。除此之外,其他miRNAs(miR159、miR160、miR164、miR167)也参与调节各种植物激素的信号传导途径,如脱落酸(ABA)、赤霉酸(GA)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等。因此,信号传导研究领域中,miRNA的研究日益增多和不断地完善。
miRNA参与环境胁迫响应
植物进化出了复杂的机制来应对各种环境胁迫,miRNA也作为这些机制之一发挥了重要的作用。通过对表达序列标签(EST)的研究发现,25.8%的含有miRNA的EST与被胁迫诱导的组织有关。虽然这只是一个粗略的假设,但又有研究证明miR395在硫缺乏的条件下会被大量表达;干旱、低温和高盐可以诱导miR402的高表达;miR319也可以被低温和其他胁迫诱导;miR399为低磷素营养所诱导。在白杨的研究中还发现大量miRNA以发育/胁迫防御基因为靶标基因,而且还有的可以被机械胁迫所诱导,表明其可能作为关键的防御系统的一部分。
脱落酸和赤霉酸也参与到不同的环境胁迫的应答之中,近来研究发现ABA或者GA的处理可能调节miR159的表达,然后控制花器官的发育。
这些表明miRNA参与到植物对多种生物和非生物胁迫的反应之中。环境胁迫可以诱导某些miRNA过量表达或者降低表达,以此调节下游基因的表达从而对环境胁迫做出响应。
展望
虽然已经在多个物种中发现并鉴定了数千个miRNA,但是根据科学家们的估算,这还远远不是基因组中所有的miRNA,仍有许多保守性较低的miRNA暂时没有办法用计算机辅助计算的方法得以确定,它们的低表达量也使传统的EST束手无策,因此还需要有新的方法进行更为深入的miRNA探索工作。
对于miRNA靶标基因的研究也远远落后于miRNA本身的研究,许多miRNA的靶标基因都还没有找到或者实验验证。只有找出miRNA的靶基因才能了解miRNA介导的调控机制是怎样影响植物的生长和发育的,方能更好地利用miRNA来达到提高植物对胁迫的抗性并提高作物的产量。
最后,miRNA还有可能为我们提供一个反义RNA和RNAi之外一个新的基因沉默的工具,通过设计人造的miRNA沉默特定的基因,以帮助我们研究它们的功能。