全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2009年第 5期
植物非编码 RNA的研究进展
宋江华 1, 2 曹家树 2
( 1 安徽农业大学园艺学院,合肥 230036; 2 浙江大学蔬菜研究所,杭州 310029)
摘 要: 非编码 RNA( noncoding RNA, ncRNA)是一类广泛存在于多种生物体中,缺乏明确的开放阅读框,不编码蛋白
质的 RNA分子。目前已从部分植物中分离到一些 ncRNA,它们直接以 RNA分子的形式在植物体内发挥重要的调节功能,影
响细胞分化和个体发育、基因转录调控、mRNA稳定性、RNA加工与修饰、信号传导、以及环境适应调节等。植物 ncRNA的研
究为深入了解植物的生长发育及系统进化提供了重要信息。
关键词: 非编码 RNA 种类 作用机制 功能
The Progress of Noncoding RNA in Plants
Song J ianghua
1, 2 Cao J iashu2
(
1
College of H orticulture, Anhui Agricultural University, H efei 230036;
2
The Institute of Vegetable
Science, Zhejiang University, H angzhou 310029)
Abstrac:t Noncod ing RNA ( ncRNA) genes as a kind o f RNA that lack of c lear ly identifiable open read ing fram e ( ORF ) to
translate functiona l prote ins d irec tly, ex ist w ide ly in m any liv ing o rganism s Recently ncRNA genes have been iso lated from som e
p lants, and play s a great var ie ty of ro les in in terfer ing ce ll differentia tion and plan t developm ent, g ene transcriptiona l regu lation, m es
senger RNA (mRNA) stability, RNA processing and mod ification, signa l transduction, and even env irenm ent stress modu la tion The
study o f ncRNA w ou ld prov ide im portant in fo rm ation for understanding thoroughly plant g row th, deve lopm ent and system evo lution
Key words: Noncod ing RNA Category Operational mechan ism Function
收稿日期: 20081111
基金项目:国家自然科学基金项目 ( 30800750) ,安徽农业大学校长青年科学基金项目
作者简介:宋江华 ( 1980) ,女,博士,讲师,研究方向:植物基因组及其分子调控; Em ai:l jianghua_80@ 126 com
真核生物基因包含明显的开放阅读框 ( open read
ing frame, ORF),能直接翻译成具有生物功能的蛋白
质。但是,不是所有的 RNA分子都可以翻译成多
肽,一些 RNA分子本身就具有催化活性, 在细胞中
具有稳定的类似于 mRNA的转录物, 没有明确的
ORF,直接在 RNA水平行使功能。这些 RNA广泛
存在于多种生物中,被称作非编码 RNA ( noncod ing
RNA, ncRNA )
[ 1]。
ncRNA分子大小上差别很大,调节机制也各不
相同, 在生物体内行使广泛的调节功能,涉及到基因
表达调控的转录水平和转录后水平, 包括介导染色
质修饰、调控转录因子活性、影响 mRNA的稳定性
及 mRNA的加工与翻译、调控蛋白功能和定位
等 [ 2, 3]。因此更多新的 ncRNA的发现及其调控功能
的阐明已成为目前生命科学研究的热点之一。
1 ncRNA的种类划分
目前发现的 ncRNA分布十分广泛,大多存在于
微生物、动物和人类中, 近年来, 在植物中也发现了
越来越多的 ncRNA, 在生物的生长、发育、分化、及
抗病等过程中发挥重要的作用。
已报道的 ncRNA大致有 10种, 包括催化 RNA
( catalyze RNA, cRNA)也称为核酶,是 RNA拟酶和
其它 RNA自我催化分子; 类 mRNA的 RNA是一类
3端有 po ly ( A ), 无典型的 ORF, 不编码蛋白质的
RNA分子,是与细胞的生长、分化和器官发育密切
相关的调节子;指导 RNA ( gu ide RNA, gRNA )是指
导 mRNA编辑的小 RNA分子,多用来指导在 mRNA
转录产物中加入尿嘧啶 ( U)的过程;转移信使 RNA
( transfermessengerRNA, tmRNA )功能上既是转运
RNA ( transferRNA, tRNA ),又是信使 RNA ( messen
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2009年第 5期
ger RNA, mRNA ),翻译时既可以转运氨基酸, 又可
当作模板;端粒酶 RNA ( telomerase RNA, TR ), 充当
真核染色体端粒复制的模板; 信号识别颗粒 RNA
( SRP RNA )是信号识别颗粒 ( signal recognit ion par
t icle, SRP)的组成部分, 与细胞内蛋白质的运转有
关;细胞核小分子 RNA ( sma ll nuclearRNA, snRNA)
是 mRNA前体剪接体的必要组分;核仁小分子 RNA
( sma ll nuc leolar RNA, snoRNA )参与核糖体 RNA
( ribosomal RNA, rRNA)的加工, 并指导 rRNA上特
异位点的甲基化或假尿嘧啶化; 微 RNA( m icroRNA,
m iRNA )长度约 22 n,t在基因表达、细胞周期以及个
体发育过程调控领域起着重要作用;小型干扰 RNA
( sma ll interfering RNA, siRNA )是一种与 m iRNA大
小相似的双链 RNA分子, 在 RNA干涉途径中介导
序列专一 mRNA的降解 [ 4, 5]。
根据核苷酸数量的多少可以将 ncRNA划分为 21
~ 25 nt的微 RNA( m iRNA ),调控果蝇和哺乳动物的
发育; 100~ 200 nt的小 RNA ( smallRNA, sRNA ), 主
要在细菌中起调控作用;大于 10 000 nt的 RNA,在高
等真核生物中参与基因的沉默 [ 6]。
根据 ncRNA的功能可将其分为基因调节因子、
非生物胁迫信号因子和生物胁迫信号因子 3大类。
作为基因调节因子的 ncRNA大多存在于动物和微
生物中。植物中的 ncRNA大多属于生物胁迫信号
因子, 例如,黄瓜中分离的 CR20,全长 1 108 n,t具有
po ly( A )尾巴,包含多个短的 ORF, 离体翻译不形成
蛋白质,是受细胞分裂素阻遏表达的一类基因 [ 7 ]。
这种划分 ncRNA的方法较简单,以有限的功能数据
为基础。
根据其表达特征, ncRNA大致可分为 看家
RNA与 调控 RNA 两类。 看家 RNA 在生物体
中一般是组成型表达的, 并对维持细胞的生存及基
本功能起作用, 包括 tRNA、rRNA、snRNA、snoRNA、
tmRNA和 TR等。 调控 RNA又分为转录调控子、
RNA分布调控子、转录后调控因子、蛋白功能调节
因子等,它们一般在生物体的组织发育或细胞分化
的特定阶段表达,或者是对外界环境产生应激反应
的特异表达,随后调控一系列的生物过程 [ 8]。
2 ncRNA的功能及其作用机制
ncRNA在多种生物反应过程中发挥着重要作
用,而且不同种类的 ncRNA在生物体中发挥的功能
也不尽相同, 主要包括调节生长发育、影响转录调
控、染色体结构、mRNA的稳定性与翻译、RNA加工
与修饰以及应对环境胁迫等 [ 9]。
21 调节植物生长发育
ncRNA调节植物不同组织器官的发育过程, 包
括根的发生与发育 [ 10]、维管束发育 [ 11 ]、叶片形成与
极性 [ 12]、花器官分化与发育 [ 13 ] ,以及植物阶段发育
转变等 [ 14]。这些 ncRNA大多通过调节与细胞命运
密切相关的转录因子的表达水平, 最终影响植物发
育。花器官发育是开花植物最重要的发育过程之
一, APETALA2( AP2)是在维持开花时间与花的形
态中起重要作用的转录因子。 Chen[ 13] 研究发现
m iR172的过量表达会抑制 AP 2的翻译, 从而影响
AP 2的正常表达,造成拟南芥植株早花,花器官的形
态也被破坏。
22 参与调节 mRNA的稳定性及翻译
目前在植物中已发现一些调节生长发育的
m iRNA,它们的产生需要 RNA核酸酶的作用, 这些
核酸酶能特异性识别 m iRNA前体, 将其剪切成为
22 nt左右的小片段,然后与靶 mRNA在各种不同位
置发生特异序列互补配对, 通过阻塞核糖体结合位
点从而抑制翻译,或者通过阻止抑制态 mRNA结构
的形成来激活翻译。同时,植物 m iRNA在转录后水
平对基因表达的调控, 不仅是通过抑制 mRNA翻译
实现的, 而且与 mRNA的剪切有关 [ 15]。m iRNA序
列、结构和表达方式的多样性,说明其可能作为 mR
NA编码蛋白质的调节子, 对基因表达、细胞周期调
控乃至个体发育产生影响。
23 参与 RNA加工和修饰
RNA加工和修饰涉及 mRNA前体的剪接、RNA
编辑和 rRNA、tRNA的修饰和加工,这些都是基因转
录和转录后调控的关键步骤 [ 16]。 snRNA是 mRNA
前体剪接体的必要组分, mRNA的剪接只有在形成
剪接体后才能进行,因此 snRNA对 mRNA前体的剪
接起重要作用。在剪接过程中各种 snRNA之间, 以
及 snRNA与底物 mRNA间的碱基配对,可引起结构
的变化以利于剪接的进行, 使反应基团处于合适的
位置。 gRNA通过与 mRNA配对, 指导 RNA中尿嘧
啶碱基的插入或缺失,对 RNA编辑起重要作用。核
6
2009年第 5期 宋江华等 :植物非编码 RNA的研究进展
酶 ( ribozyme)和 snoRNA参与 rRNA和 tRNA的修饰
和加工, snoRNA参与 rRNA前体 ( prerRNA )的加
工,通过与修饰位点附近的序列配对来指导对 rRNA
的修饰,完成 rRNA上特异位点的甲基化或假尿嘧
啶化。如玉米的 SnoR21通过与某些位点附近的
序列特异结合,指导真核生物 rRNA前体的甲基化、
假尿苷酸化和剪切等 [ 17 ]。
24 影响染色体的结构
目前,关于 ncRNA影响染色体结构的研究主要
集中在人类和动物医学中, 在植物中研究较少。人
类 X ist RNA位于失活的 X染色体上由 X ist基因转
录产生,并同 X染色体一起移动, 由此改变染色体
的结构与活性, 相应的基因转录也被抑制 [ 4]。端粒
酶 RNA ( TR )是另外一种真核生物特有的 ncRNA,
在真核生物中起着保护染色体末端 DNA在细胞分
裂时不受损伤的作用, 它实际上是一种能够催化延
长端粒末端的核糖核蛋白,由 RNA和蛋白质组成。
端粒酶能够以自身携带的 RNA为模板,逆转录合成
端粒 DNA并添加于染色体末端, 维持端粒长度的
稳定 [ 18]。
25 参与信号传导,适应环境胁迫
激素对于生物特定器官的形成发育以及应对各
种环境胁迫具有十分重要的作用 [ 19 ]。m iRNA可以
通过调节植物激素信号传导路径中的关键因子,进
一步调节激素在植物体内的动态平衡, 从而影响相
关发育过程 [ 20]。Zhang等 [ 21]对经过脱落酸 ( ABA )、
赤霉素 ( GA)、茉莉酸 ( JA )和水杨酸 ( SA )等植物激
素诱导的拟南芥组织中获得的大量 EST序列进行
了分析, 发现几种常规环境中植株没有的 m iRNA,
包括 m iR159, m iR160, m iR164 和 m iR167。ABA和
GA是与植物应对环境胁迫密切相关的两种植物激
素。最近两个研究组已分别发现, ABA与 GA处理
植株, 通过调控 m iR159的表达,进而影响花器官发
育 [ 22, 23 ]。另有研究表明, 干旱、低温、盐渍等胁迫会
诱导植株中 miR402, m iR319以及 miR395的过量表
达 [ 24]。植物通过复杂的机制来应对克服各种环境
胁迫对植物体造成的影响,推测其中的 m iRNA可能
作为植物自身重要的防御系统,在外界环境胁迫诱
导下产生、合成或抑制,对植物克服环境压, 维持正
常的结构及功能发挥关键作用。
3 植物中已发现的重要 ncRNA
植物中 ncRNA的研究起步较晚, 目前只有为数
不多的 ncRNA被报道。CR20是利用差异筛选法从
黄瓜中克隆到的受激动素胁迫抑制表达的 ncRNA。
从其核苷酸序列推测氨基酸序列, 未发现长的
ORF。用 6BA处理 2~ 4 h后, CR20的表达量迅速
降低,且在幼叶中的表达量远远低于在成熟叶片及
衰老叶片中的表达。而细胞分裂素在植物幼嫩叶片
中含量较高,随着叶片的衰老,细胞分裂素的含量逐
渐降低。因此, CR20的表达模式与细胞分裂素的变
化规律似乎存在某种对应关系。T eramo to等 [ 25]推
测 CR20是一种细胞分裂素抑制基因, 作为细胞分
裂素合成途径中的一个信号分子, 调节植物的生理
代谢。后来, 以 CR20为探针筛选拟南芥 cDNA文
库, 得到基因 A tCR20 1, 分析表明该基因也不存在
明显的 ORF, 与 CR20同源性较低, 但两基因序列都
具有一个 180 nt的高度保守区, 可以形成稳定的二
级结构 [ 7, 26]。
ENOD40是最初在豆科植物中发现的一个根瘤
特异性表达的 ncRNA。序列分析表明该基因没有
明显的 ORF, 不具有编码蛋白的能力, 可能直接在
RNA水平发挥作用。研究发现该基因通过结瘤素
因子 ( nodu lin)激活表达,推测其可能在植物对激素
的感应过程中起作用 [ 27]。随后从水稻、烟草及苜蓿
中也分离到了 ENOD40的同源基因, 该基因在水稻
的茎组织中特异表达,对水稻的器官分化和维管束
组织发育发挥关键作用 [ 28~ 30]。目前发现的所有
ENOD40在核苷酸水平上都具有比较高的保守性,
而豆科植物间的保守性则更高, 这一现象也验证了
ENOD40在 RNA水平上起作用的推论。
M t4 /TPSI1基因家族是一类受磷饥饿诱导的基
因。M t4来源于苜蓿,在拟南芥和大豆中也筛选到了
类似的基因, TPSI1家族成员被发现存在于番茄、苜
蓿、拟南芥、烟草、大豆和水稻中 [ 31~ 33]。M t4 /TPS11
基因包含一个短的 ORF,在核苷酸水平上部分特异序
列较保守,推测它们以 RNA的形式而不是以蛋白质
的形式发挥作用。该基因家族的启动子区域都存在
一个保守的顺式作用元件CACGTG /T , 与大肠杆菌
和酵母中存在的磷饥饿诱导基因 pho4的保守序列相
似,可能起到增强转录的作用。TPSI1启动子区域存
7
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2009年第 5期
在一个回文序列 ATGCCAT , 与拟南芥中编码磷转
运蛋白的基因 A tPT2和 A tPT 5中存在的序列一致, 因
此推测该基因家族可能在植物对磷的表达调控中起
作用 [ 33, 34]。
Tay lor等 [ 35]在培养烟草悬浮细胞时发现存在
一种不稳定的转录产物 GUT15, 其 mRNA半衰期很
短,甚至不足 1 h。植物本身具有识别这种不稳定转
录产物的能力,因而可以将其迅速分解。研究表明,
这类非稳定的转录产物往往编码一些在细胞生长和
分化过程中起重要调节作用的蛋白质, 而这种蛋白
质只在生命过程的瞬间发挥作用。虽然 GUT15的
cDNA全长为 1 670 bp,但根据核苷酸序列推断氨基
酸序列,其最长的 ORF仅编码 78个氨基酸。因此
GUT15也属于 ncRNA的范畴,关于其在植物代谢中
的功能尚未报道。
Dai等 [ 36]从玉米成熟花粉 cDNA文库中克隆到
ZM401, 其全长 1 149 bp,含有多个起始和终止密码
子,缺乏明显的 ORF,不具有编码蛋白质的能力,属
于 ncRNA。此外, 该基因在花粉小孢子四分体时
期、单核期、双核期及成熟花粉中表达, 且表达量依
次递增,说明该基因属于花粉发育过程中的晚期基
因,影响花粉的成熟。
在前期研究中,通过比较白菜核不育 mmc突变体
及其野生型的花粉基因表达差异,分离克隆了白菜花
粉特异基因B cMF11 (GenBank登录号为 DQ925484),发
现该基因具有 ncRNA的序列特征,在白菜花粉发育的
各个阶段持续表达,推测 B cMF11是白菜中一个新的花
粉特异的 ncRNA基因 [ 37]。有关其调控白菜花粉发育
的作用机理目前正在深入研究。
4 展望
长期以来, 研究者们对真核生物基因组的关注
主要集中在蛋白质编码基因上,以为蛋白质不仅参
与生物体组织器官的组成, 也可作为酶来催化调节
生物体的各种代谢活动, 还能与特异的 DNA或
RNA序列结合,调节基因表达, 维持生命活动有条
不紊地进行。近年来, 生物基因组测序工作的迅速
发展揭示出真核生物的遗传物质只有极小一部分编
码蛋白质,而超过 97%的转录产物是功能多样的一
类新奇的基因 ncRNA[ 38]。美国 Sc ience杂志
2002年将 ncRNA的相关研究评选为该年度全球科
学十大进展之一 [ 16]。
然而,由于人们深受中心法则的影响, ncRNA
的作用往往被忽视。从进化角度看,由于 RNA既可
以作模板, 又有催化活性, 所以推测生命起源于
RNA, 而 ncRNA则可能是原始 RNA世界的分子化
石 [ 39]。在 RNA和蛋白质的相互作用中, RNA并非
总是处于被动地位,它也可以调节蛋白质的结构及
功能。越来越多的证据表明, 许多 ncRNA基因具有
明确的生理功能, 但却不编码任何蛋白质, 仅以
RNA形式发挥作用, 因此 ncRNA的数量和多样性
似乎与物种的复杂性密切相关, 其普遍性及重要性
远远超出人们以前的想象, 在生物体许多生命活动
中起重要作用,同时呈现出时空表达差异。
随着分子生物学研究的不断深入, 从基因组全
序列中探索非编码序列在基因时空表达调控中所扮
演的角色成为可能 [ 40] , 更多种类的 RNA及其功能
将被诠释, ncRNA作为生命现象的另一类密码, 终
将被破译。这对于成功破解基因组的各种遗传信
息, 深入了解生物的生命代谢、生长发育及系统进
化, 具有十分积极的意义。
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