植物中MicroRNA及其它非编码小RNA的保守性和进化历程
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林业科学研究Forest Research 2013(专刊):103~108 文章编号:1001.1498(2013)专 ̄J-OlO3-O6 植物中MicroRNA及其它非编码小RNA的 保守性和进化历程 张俊红 ,张守攻 ,童再康 ,李万峰 ,韩素英。,齐力旺 (1.中国林业科学研究院林业研究所,北京100091;2.浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地,浙江临安100091) 311300; 3.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京摘要:非编码小RNA是一类长度约为20~26个核苷酸的内源性RNA分子,在植物中普遍存在,在转录和转录后 过程基因表达。microRNA及其它非编码小RNA在植物个体生长发育和生理过程中起重要作用。microRNA 及其它非编码小RNA在陆地植物中保守,而且每个进化分支的出现皆伴随着新microRNA和其它非编码小RNA的 产生,这些现象都表明,非编码小RNA与陆地植物的系统发生密切相关。本文从microRNA及其它非编码小RNA 的保守性并结合其功能,探讨了非编码小RNA在植物进化中的重要功能。 关键词:非编码小RNA;microRNA;保守;进化 中图分类号:¥718.46 文献标识码:A Conservation and Evolution of miRNAS and Other Small RNAS in Terrestrial Plants ZHANG 一hong ,ZHANG Shou-gong ,TONG Zai—kang ,1,1 Wan-feng ,HAN Su.ing ,r Zi—wang (1.Research Institute of Forestry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China;2.The Nu ̄ufing Station for the State Key Laboratory ofSubtropical Silviculture,Zhejiang A cultural and Forestry University,Lin’an 311300,Zhejiang,China; 3.Research Institute of Forest Ecology,Environment and Protection,Chinese Academy of Foresty,Beirjing 100091,China) Abstract:Non-coding small RNAs(ncsRNAs)are endogenous RNA molecule,20—26 nucleotides in length, which have been found in diverse plants and function as transcriptional and post—transcriptional regulators of gene ex— pression.The microRNAs(miRNAs)and other ncsRNAs play essential roles in development and physiologic process of plants.The miRNAs and other ncsRNAs are conserved among terrestrial plants,and the innovation of miRNAs and other ncsRNAs appears to be associated with the advent of evolution lineages of terrestrial plantsindi. ,cating that ncsRNAs have huge impacts on plant phylogeny.This review summarizes the conservation of miRNAs and other ncsRNAs,and their functions in plants.The vital roles of ncsRNAs during the in the evolution of terrestri— al plants are also discussed. Key words:non—coding small RNA;miRNA;conservation;evolution 非编码小RNA是一类长度约为20~26 nt的 小RNA分子,普遍存在于植物,在转录和转录后过 程基因表达,是植物基因网络中的重要成 员。非编码小RNA通过碱基互补配对原则切割靶 基因、抑制翻译、介导DNA和组蛋白甲基化等实现 功能…,其中,miRNA作为非编码小RNA中重 收稿日期:2013-08-21 基金项目:国家“973”计划项目(2oo9CBl】910O);国家“863”计划项目(2011AA100203;2013AA102704);浙江农林大学科研发展基金 (2012FR078) 作者简介:张俊红(1984一),女,江西新余人,博士,讲师. 通讯作者. 林业科学研究 第26卷 要一类,参与植物器官的形态建成、激素应答途 径和逆境胁迫与营养代谢等方面,几乎涵盖了植物 生长发育的各个方面 J。 随着高通量测序技术的不断发展,数以万计的 非编码小RNA在植物中被发现。目前,对小立碗藓 (PhyscomitreUa patens)、拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.)Heynh.)、水稻(Oryza sativa L.)和杨树(Popu. 1us trichocarpa Tort.&Gray)等模式生物的非编码小 RNA进行了深入研究,另外对其它一些植物的非编 码小RNA研究工作也已开展 J。这些工作使人们 对植物中存在的非编码小RNA的多样性、保守性以 及进化方式有了更深层次的了解。miRNA及其它 非编码小RNA在植物中具有不同程度的保守性,这 些保守的非编码小RNA比非保守的小RNA在植物 发育过程中起着更重要和广泛的功能 』。由此 决定了保守非编码小RNA在植物进化过程中的重 要地位,而那些非保守(特异)小RNA起重要的辅助 功能,或为适应某些特殊环境而进化出来。本 文对陆地植物中存在的非编码小RNA的保守合成 途径、功能和进化机制以及miRNA在植物胚胎发生 过程中所起的重要作用等进行概括综述。 1 非编码小RNA产生途径与进化 1.1非编码小RNA种类及产生途径 在植物中,非编码小RNA主要包括miRNA和 小干扰RNA(siRNA)。siRNA可细分为几类,包括 反式siRNA(ta.siRNA、nat—siRNA)、外源siRNA (exo—siRNA)、顺式作用siRNA(ca—siRNA)和长siR. NA(IsiRNA) 。植物小RNA的产生和功能需依 赖Dicer 1ike基因(DCL)和ARGONAUTE蛋白基因 (AGO),部分siRNA的产生需RNA.dependent RNA 聚合酶基因(RDRs) -5];然而,这些不同小RNA合 成途径相互联系,彼此竞争,共同基因和保护基 因组免受外界危害 。 miRNA主要由DCL1加工产生,不依赖RDRs或 Pol IV ’ ;ta—siRNA由miRNA切割TAS基因转录 物后产生,依赖DCL4和RDR6 -9j;nat—siRNAs受胁 迫响应后,两转录物重叠区域加工而来,依赖DCL4、 DCL1、RDR6和Pol IV¨ “ ;exo.siRNA源自转基因、 病毒侵染后形成双链RNA或其它外源双链RNA 13];ca—siRNA大部分源自基因组重复序列或转 座子,产生时依赖DCL3、RDR2和Pol IV等基 因¨ ;lsiRNA由传统miRNA位点经DCL3和 RDR2作用产生 。 1.2陆地植物中非编码小RNA的进化 研究表明:长24 nt的ca—siRNA在陆地植物非 编码小RNA中多样性最高,占主导地位,如拟南芥 中至少有35 000条长24 nt的小RNA序列,约占 60%的小RNA转录组序列 17]。Morin等 181、Dol— gosheina等Ll 、Yakovlev等 认为:裸子植物,尤其 针叶树不能产生达检测水平的24 nt小RNA,在对 针叶树EST搜寻后未找到被子植物中负责产生24 nt RNA的DCL3 I 。。;然而,分化更早的苔藓存在 DCI3,且可产生大量24 nt小RNA,表明针叶树可能 丢失了产生此类小RNA的能力L1 。Dolgosheina 等假定21 nt小RNA可能代替24 nt小RNA帮助管 理针叶树超大基因组(6 500~37 000 Mb) 。 当然,也存在另一种可能,即环境或发育因子可能改 变DCL3和RDR2表达水平,从而影响24 nt小RNA 的产生。如Vazquez等 发现,许多长miRNA的丰 度(23~26 nt)受发育阶段,可能归因于DCL3 的差异表达。此外,24 nt小RNA在矮牵牛花蕾和 棉花胚珠中大量表达,而在根和叶片中表达量很 低 。因此,关于针叶树缺乏24 nt小RNA的结 论可能还有待商榷,因为相关的几个研究均以针叶 为材料;然而,有报道称分别在杉木(Cunninghamia lanceolata Lamb.Hook)和华北落叶松(Larix principis— rupprechtii Mayr)中找到了DCL3同源基因 I2 ;同 时,在落叶松中发现DCL3的表达水平在各发育阶 段存在显著差异 ]。另外,落叶松体细胞胚胎小 RNA文库的Solexa测序结果表明:以落叶松为代表 的针叶树可产生丰富的24 nt小RNA,且24 nt小 RNA冗余度最低,表明24 nt小RNA位点的多样 化u2 。因此,以针叶树为代表的裸子植物亦可产生 大量的24 nt小RNA,表明24 nt小RNA产生途径在 陆地植物中保守。另外,在落叶松、小立碗藓和江南 卷柏(Selaginella moellendo ̄fii Hieron.)中均发现了 由miR390切割 产生的ta.siRNA[21’ 。 2 miRNA在陆地植物中的保守性 2.1 陆地植物的保守miRNA miRNA参与植物器官的形态建成、激素应 答途径、逆境胁迫和营养代谢等一系列过程 。 最新miRBase(Version 20.0)登录的植物miRNA信 息包括:绿藻门(Viridip|antae)中的衣藻(Chlamydo一 1TtOn03 reinhardtii) ;胚生植物中的小立碗藓、江南 专刊 张俊红等:植物中MicroRNA及其它非编码小RNA的保守性和进化历程 卷柏 ;松柏植物门(Coniferophyta)中的火炬松 (Pinus taeda Linn.) 、挪威云杉(Picea abies Linn.) 、杉木 和高山松(Pinus densata Mast.) 及木兰门(Magnoliophyta)中53种双子叶 和12种单子叶植物 ;然而,单细胞衣藻中尚未发 现与陆地植物保守的miRNA,因此,推测单细胞水 生植物与陆地植物分别进化出各自一套miRNA,以 适应2种截然不同的生存环境。目前,公认20个 miRNA家族在陆地植物中保守,而有些miRNA仅在 某些进化分支的物种中存在,如miR403仅在双子叶 植物中保守,miR437、miR444和miR445仅在单子叶 植物中保守 ' ]。因此,分化更早的裸子植物或针 叶树是否也有着特异的miRNA已成为待解的疑问。 2.2裸子植物的特异miRNA 裸子植物和被子植物在石炭纪(约3亿年前)从 同一个祖先分化出_3 。最早裸子植物miRNA在火 炬松茎干木质部中被鉴定,26个miRNA分别来自4 个保守和7个特异miRNA家族 引。随后在挪威云 杉 j、杉木 、日本落叶松(Larix kaempferi (Lamb.)Carr.) 和高山松 鉴定出一系列miR— NA,其中,包括陆地植物中保守的2O个miRNA家 族。另外发现了miR946、miR947和miR950等12 个miRNA家族仅在火炬松、云杉、落叶松中保守,可 能为针叶树特异miRNA。这些miRNA家族的成员 数通常较多,尤其miR950和miR951家族,且这些 miRNA前体通常来自一个转录子,即2个miRNA串 联在一起。此类现象在被子植物中不常见,而在胎 生植物小立碗藓中也存在这现象,如3个miR160成 员、3个miR166成员和2个miR1030成员分别串联 在一个转录子 。这种miRNA串联现象是否与物 种的进化有关,有待于进一步查证。 裸子植物特异miRNA的表达丰度通常很高,如 miR950和miR951在落叶松小RNA文库中的丰度 最高 。miR951在火炬松中证实可切割非蛋白质 编码序列(与植物病害抵御蛋白同源)产生短肽或 次级siRNA,miR950也可能如此 。短肽是一类植 物信号分子,在生长发育中起重要作用,不能由生长 素或细胞素替代 -38]。关于miRNA调节短肽 信号转导进而体细胞胚胎发生还有待进一步研 究证实。次级siRNA可切割靶基因mRNA ,靶基 因多为快速扩张的基因家族_3 ,因此,针叶树进化 出一类可产生次级siRNA的miRNA,用于平衡那些 快速扩张的基因家族。特异miRNA在裸子植物的 生长发育中起作用,而被子植物中因无进化优 势而丢失,或在被子植物和裸子植物分化后,仅在针 叶树中进化。 3 非编码小RNA的功能及进化特征 3.1非编码小RNA的功能 在植物中,miRNA介导的基因沉默主要在转录 后水平,通过切割mRNA或介导翻译抑制‘2 , miRNA介导DNA甲基化仅见两例报道,由miRNA 与靶mRNA比例引发_4 -42]。siRNA参与转录和转 录后的基因沉默,即使起始沉默子移除或被抑制,沉 默效应仍维持。长21 nt的siRNA包括ta—siRNA、部 分nat.siRNA和exo.siRNA在发育进程和胁迫 抵制方面起重要作用 1 们-44]。部分exo—siRNA和 ca—siRNA的长度为24 nt,其合成依赖RDR2 ,这 些siRNA偏向进入AGO4,通过介导DNA甲基化和 组蛋白修饰,参与转录水平的基因,致力于保护 基因组完整性、植物发育和胁迫响应方面起重要作 用【15,46]。RDR2功能缺失后引发24 nt siRNA数量 降低,导致转录沉默转座子的重新激活_4 。此外, 近期研究表明:长23~26 nt的miRNA或lsiRNA进 入AGO4蛋白,介导靶基因位点的DNA甲 基化 23, 引。 3.2非编码小RNA的进化特征 植物古老miRNA的长度通常为21 nt,在陆地植 物中保守l2'圳,而在裸子植物落叶松和火炬松中发 现了许多针叶树特异miRNA,长度为22 ntl2 8.驯。 研究认为,MIR基因是由靶基因的反向复制进化而 来,漫长进化伴着的突变使茎环长度逐渐缩短,序列 匹配性逐渐降低 49]。miRNA前体的茎环长度与 DCLs的选择有关,产生不同长度的小RNAs,具体表 现为:最古老的MIR基因转录的较短发夹结构前 体,主要由DCL1加工产生长21 nt的miRNA;中间 IR—MIR基因转录的中等长度发夹结构前体,主要由 DCId加工产生长21 nt的miRNA;而原MIR(proto. MIR)基因转录的长发夹结构前体,主要由DCL2加 工产生长22 nt的miRNA 。因此,基于这个规律, 被子植物miRNA通常长21 nt,推测其主要由最古老 MIR基因和中间IR—MIR基因转录后,分别经DCL1 和DCL4加工产生;裸子植物中保守miRNA由最古 老MIR基因转录经DCL1加工产生,而针叶树特异 miRNA可能由原MIR基因编码,DCL2切割产生。 第1个裸子植物挪威云杉的基因组测序的完 林业科学研究 第26卷 成,为进一步揭示裸子植物非编码小RNA提供了契 机。挪威云杉基因组为19.6 G,为拟南芥基因组的 100倍,但云杉的基因数与拟南芥差不多_5 。进一 步分析表明:云杉的大型基因组主要来自转座子拷 贝的累积,云杉不具备有效清除转座子的机制;然 而,参与转座子沉默的24 nt小RNA显著低于其它 物种 。另一方面,迄今为止,最小的多细胞植物 基因组来自丝叶狸藻(Utrictdaria gibba),测序人员 发现,97%的丝叶狸藻基因组都是由基因构成,并且 一些小DNA片段控制着这些基因 。这些物种可 能存在一种内在机制,偏向删除大量非编码DNA; 而另一些物种则存在一种相反的内在机制,偏向插 入和复制DNA。这些偏向并非是由于一种行为方 式比另一种更有益,而是2种固有的方式均起作用, 所有的生物只是在不同程度上利用它们。生物体在 这一浮动计算尺上所占据的位置,部分取决于达尔 文自然选择压力能够对抗或增进这些内在偏倚的程 度 。这或许可用于解释狸藻类植物与富含垃圾 DNA的拟南芥、玉米、烟草,尤其是与裸子植物之间 的差异。 4 miRNA在胚胎发生过程中的 功能 Bowe等 研究发现,裸子植物与被子植物在 石炭纪(约3亿年前)从同1个祖先中分化出来,这 两界植物的种子和胚胎形成过程有着实质性的差 异,二者的胚胎发育形态和发育阶段也显著不同,暗 示着被子植物与裸子植物胚胎发育的特异分子生物 学机制 。由大部分mRNA在被子植物和裸子 植物中保守 6J的事实推断,二者的差异可能归因 于主基因的差异表达或不同活性u5 ;然而,部 分mRNA仅在裸子植物胚胎发育时期表达 ,且裸 子植物特别是针叶树有着庞大的基因组_2 ,因此, 裸子植物胚胎发育过程中可能存在着特异的基因调 控网络。 miRNA对于植物胚胎发生和顶端分生组织的 形成是必需的 ’6 3,miR172、miR164和miR166通过 靶AP2、CUCs、PHV和PHB直接或间接地控制 顶端分生组织的形成、分化和胚胎发生 -58]。miR— NA切割发育转录因子,表明许多植物miRNA 在细胞分化中的作用是从子细胞中清除关键转 录子 。如miR397、miR319和miR156在水稻分生 细胞分化前后存在差异表达 ;在柚子体细胞胚发 育中发现,miR156、miR168和miR171在诱导时期起 作用,miR159、miR164、miR390和miR397可能影响 球型胚的形成,而miR166、miR167和miR398参与 子叶胚的发生 。 研究表明:miRNA在植物胚胎发生中的作用与 在动物中相反,动物miRNA加快发育阶段转换,而 植物miRNA通过抑制分化促进转录因子的过早表 达,胚胎发育时序,如miR156SPLIO和 SPL11的表达丰度进而胚胎正常发育,即miR. NA通过抑制主调节子,如LEAFY COTYLEDON2、 FUSCA3和ASILI,从而抑制胚胎的过早成熟 “ ; 然而,miRNA在植物胚胎发育中的作用研究多集中 于被子植物,裸子植物尤其是针叶树中较少见报道。 Oh等 发现,火炬松雌配子体中miR166和胚胎中 AGO9在胚胎发育晚期表达出现最高峰。在日本落 叶松的研究表明,miRNA的表达次高峰在后期单胚 或早期子叶胚,表达最低值在中期子叶胚,而在后期 子叶胚丰度急剧上升至最高峰。后期单胚至早期子 叶胚的过渡期间,子叶的大小、数目和对称性等特性 均受到高度,与miRNA上调表达相吻合。中期 子叶胚阶段,贮存蛋白基因和晚期丰富蛋白基因高 度表达 ,miRNA的下调表达可能直接或间接 地保护mRNA不被切割,完成胚胎的后熟。后期子 叶胚阶段,胚胎已成熟即将进入休眠,参与成熟或后 期萌发的基因都需关闭,急剧上调表达的miRNA将 残留靶基因mRNA快速清除 。总之,被子植物和 裸子植物的胚胎发育形态和发育阶段显著不同,非 编码小RNA对其机制可能存在着差异,但对差 异的系统比较仍需进一步研究。 5 展望 在过去十几年的时间,人们对非编码小RNA的 研究已取得很多重要的进展和发现。非编码小 RNA在植物的生长发育和生理过程中发挥着重要 功能,但很多miRNA及其它非编码小RNA的功能 研究还仅限于少数物种,并且众多的miRNA功能及 模式还不清楚,需做遗传转化确认。在陆地植 物的进化史中,每个进化分支上都会出现新的miR— NA,这些新增的miRNA是怎样产生的,如何进行进 化?它们又是如何与新功能基因相适应?古老 miRNA与新进化miRNA的进化速率是否存在差别, 此类问题,都值得探讨,其中机制还需更多的实验和 理论研究进行阐述。 专刊 张俊红等:植物中MicroRNA及其它非编码小RNA的保守性和进化历程 1O7 参考文献: [1]Bartel D P.MicroRNAs:genomics,biogenesis,mechanism,and function[J],Cell,2004,116(2):281—297 [2]Jones.Rhoades M W,Bane1 D P,Bartel B.MicroRNAs and Their Regulatory Roles in Plants[J].Annu Rev Plant Biol,2006,57:19 ~53 [3]Ghildiyal M,Zamore P D.Small silencing RNAs:an expanding uni— verse[J].Nat Rev Genet,2009,10(2):94—108 [4]Hammond S M.Dicing and slicing:the core machinery of the RNA interference pathway[J].Febs Lett,2005,579(26):5822—5829 [5]Xie Z,Johansen L K,Gustafson A M,et a1.Genetic and functional diversiifcation of small RNA pathways in plnats[J].PLoS Biol, 2004,2(5):642—652 [6]Schauer S E,Jacobsen S E,Meinke D W,et a1.DICER—LIKE1: blind men and elephants in Arabidopsis development[J].Trends Plant Sci,2002,7(11):487—491 [7]Allen E,Xie Z X,Gustafson A M,et a1.mieroRNA—directed pha— sing during trnas—acting siRNA biogenesis in plants[J].Cell, 2005,121(2):207—221 [8]Felippes F F,Weigel D.Triggering the formation of tasiRNAs in Ar- abidopsis thaliana:the role ofmicmRNA miR173[J].Embo Rep, 2009,10(3):264—270 [9]Cuperus J T,Carbonell A,Fahlgren N,et a1.Unique functionality of 22-・nt miRNAs in triggering RDR6--dependent siRNA biogenesis from target transcripts in Arabidopsis[J].Nat Struct Mol Biol,2010,17 (8):997—1003 [10]Katiyar-Agarwal S,Morgan R,Dahlbeck D,et a1.A pathogen-in— ducible endogenous siRNA in plant immunity[J].Proc Natl Acad Sei U S A,2006,103(47):18002—18007 [11]Borsani 0,Zhu J,Verslues P E,et a1.Endogenous siRNAs deirved from a pair of naturla cis—antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis[J].Cell,2005,123(7):1279—1291 l 12]Deleris A,Gallego-Ba ̄olome J,Bao J,et a1.Hierarchical action and inhibition of plant Dicer—like proteins in antiviral defense[J]. 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