全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)07-0682-06
收稿日期：2010-06-04
*通讯作者：E-mail: qiyijun@nibs.ac.cn
植物小分子 RN A 研究进展
武　亮，戚益军*
(北京生命科学研究所，北京102206)
摘　要：植物体内存在多种不同类型的小分子 RNA(small RN A，sRNA)，在调节植物生长发育、抑
制转座子活性和抵御逆境等过程中发挥着重要的作用。近年来，人们在 s R N A 的产生机制、效应复合
物的形成和对靶基因的调控方式及其生物学功能等方面的研究取得了很大进展。该文对这些进展作简要
介绍。
关键词：R N A 干扰；m i R N A；s i R N A；D i c e r；A G O
中图分类号：Q52; Q946.2 文献标识码：A
Plant small RNAs
WU Liang, QI Yi-jun*
(National Institute of Biological Sciences, Beijing 102206, China)
Abstract: Small RNAs (sRNAs) have emerged as key components in the gene regulatory networks of eukaryotes.
Several classes of sRNAs have been discovered in plants. These sRNAs play important roles in developmental
regulation, inactivation of transposons, and responses to biotic and abiotic stresses. Here, we briefly review the
recent progress in understanding the mechanisms of sRNA biogenesis, sorting of sRNAs into effector complexes,
modes of sRNA action on their targets and their biological functions.
Key words: RNA interference; miRNA; siRNA; Dicer; AGO
RNA干扰(RNA interference，RNAi)是近年来发
现的一种高度保守的基因表达调控机制。RNAi 通
过sRNA 的介导，在转录(transcriptional gene
silencing，TGS)和转录后水平(post-transcriptional
gene silencing，PTGS) 调控靶基因的表达。
在植物中，根据其产生来源、结合效应蛋白
和生物学功能的不同，sRNA 可以分为两类：micro-
RNA (miRNA)和short interfering RNA (siRNA)[1]。
miRNA是真核生物中广泛存在的长度为20~24 nt的
非编码sRNA，由Dicer-like蛋白(DCL)剪切具有茎
环结构的前体形成，主要在转录后水平调控目标靶
基因的表达; siRNA由Dicer酶切割双链RNA(double-
stranded RNA，dsRNA)产生，可以通过切割RNA
方式在转录后水平起作用，也可以通过介导DNA甲
基化在转录水平起作用[2]。siRNA 可以进一步分为
四种，即heterochromatic siRNA (hc-siRNA)、trans-
acting siRNA (ta-siRNA)、natural antisense tran-
script-derived siRNA (nat-siRNA) 和long siRNA
(lsiRNA)[3]。
1　miRNA
植物 mi R 基因主要来自于基因组上的基因间
区，截至目前，拟南芥中已经发现超过100个家族
的miRNA[1]。包含发卡结构的miRNA 前体(primary
miRNA, pri-miRNA)由RNA聚合酶Pol II转录而来，
在细胞核内经过 D C L 1 的两步连续切割，形成
miRNA/miRNA* duplex (miRNA* 是指与miRNA 互补
形成二聚体的链)。这个切割过程DCL1需要与双链
RNA结合蛋白HYL1 (hyponastic leaves 1)和C2H2锌
指蛋白SE (Serrate)相互作用形成复合物，来提高
DCL1 的剪切效率和准确性[4-6]。miRNA duplex 由
683第7期 武　亮，等：植物小分子 R N A 研究进展
S-腺苷甲硫氨酸依赖的甲基转移酶 HEN1 (hua en-
hancer 1)通过甲基化3末端核苷酸羟基的方式稳定
结构，防止由尿苷化引起的 RNA 降解；hen1 突变
体与dcl1突变体表型相似，均表现出严重的生长发
育缺陷，表明HEN1 对于miRNA 的甲基化保护作用
非常重要[7]。HASTY 可能参与了 miRNA/miRNA*
duplex从细胞核内到细胞核外的运输，但其具体的
运输过程还不清楚；拟南芥 hasty 突变体的细胞核
和细胞质中的miRNA 积累量都下降，说明可能还存
在着不依赖于HASTY 的其他运输方式[8]。在细胞质
中miRNA/miRNA* duplex 中的miRNA 与 Argonaute
(AGO)蛋白结合形成沉默复合体(RNA-induced silenc-
ing complexes，RISCs)来执行功能，而miRNA* 则
被降解。最近研究表明，植物sRNA 5 末端碱基是
其选择进入AGO蛋白的决定因素，拟南芥共编码10
种 AGO 蛋白，其中 AGO1 主要结合 5 末端是 U 的
miRNA，大部分植物miRNA 的 5 末端核苷酸是 U，
所以选择进入AGO1，这对于miRNA 行使功能是必
需的，更换人工miRNA的 5末端核苷酸碱基会使之
失去沉默作用[ 9 ]。核酸外切酶可以特异降解单链
miRNA，sRNA 降解核酸酶复合物(small RNA de-
grading nuclease，SDN)参与了此过程[10]。
植物 miRN A 与靶基因 mRNA 互补性很高，且
与有切割活性的 AGOI 形成 RIGS 复合体，所以植
物miRNA 主要通过切割mRNA 方式在转录后水平调
控靶基因的表达[11]，植物miRNA的这种作用方式使
生物信息学方法容易预测miRNA 的靶基因，而且通
过 5 cDNA末端快速克隆(5 rapid-amplification of
cDNA ends，5RACE)的技术可以验证miRNA 对靶
mRNA 的精确切割位点。最近通过构建植物降解组
(degradome)文库并进行大规模测序，已经对拟南芥
和水稻 miRNA 的靶基因进行了全基因组水平的验
证[3,12,13]。点突变体ago1-27中 AGO1 虽然具有切割
活性，但仍表现出发育异常表型，说明 miRNA 不
仅通过切割起作用，而且可能通过其他方式调控靶
基因表达。最近研究发现，植物中抑制蛋白质翻译
也是 miR N A 调控基因表达的普遍方式，AGO 1 与
AGO10 都参与了这种调控方式。切割mRNA 和抑制
蛋白质翻译同时进行可能是miRNA 调控靶基因更为
经济有效的方式，这取决于植物在不同组织或不同
发育阶段是否存在抑制蛋白质翻译需要的其他因子
[14]。最近研究表明，水稻中还存在一类由DCL3 切
割产生的长度为 24 nt 的 miRNA(long miRNA，
lmiRNA)，它们可以依据其产生机制和5末端核苷
酸特异选择进入AGO4 蛋白，从而通过DNA 甲基化
方式在转录水平调控靶基因的表达，这揭示了
miRNA 对靶标基因的一种新的调控方式[15]。
通过甲基化 DN A、切割 mR N A 和抑制蛋白翻
译等方式，植物miRNA 在转录水平和转录后水平调
控目标靶基因，且这些目标靶基因编码包括参与重
要发育过程的转录因子和参与其他各种生理过程的
关键蛋白质，说明miRNA 在植物生长发育和响应各
种逆境胁迫过程中发挥着重要作用[16,17]。
ARF 是生长素信号转导途径中一类重要的正负
调控转录因子，植物中共有 27 个 ARF 基因，其中
1/3以上可以被miRNA 所调控。miR160 在植物各组
织都表达较高，它的靶基因是 ARF10、ARF16 和
ARF17。表达突变miR160 切割位点的ARF17 转基
因植株，可以产生锯齿状卷曲叶片、开花时间提
前、育性下降等发育异常表型，说明miR160 调控
ARF17 的表达对于植物体内维持生长素的平衡具有
重要作用；此外，miR160 可以通过调控ARF10 和
ARF16 的表达影响植物根发育的向地性、根细胞的
形成、生长和分化；miR160 调控三个基因的平衡
对于植物萌发和萌发后对生长素的敏感性也是至关
重要的[1 8 ]。C U C 基因家族中的三个成员 C U C 1、
CUC2、CUC3，其中的前两个是miR164 的靶基因，
过量表达miR164 的转基因植物顶端分生组织、萼
片、雄蕊均发育不正常，与cuc1 cuc2 双突变体表
型相似；miR164 还可通过调控NAC1 基因的表达影
响植物侧根的发育[19,20]。miR167 的靶基因是ARF6
和 ARF8，表达突变miR167 切割位点的ARF8 转基
因植株出现花粉量增多、雌雄不育等发育异常症
状，过量表达miR167a的转基因植物与arf6 arf8双
突变体相似，说明 miR167 可以通过调控 ARF6 和
ARF8 基因的表达影响生长素信号 DR5 的活性[21]。
miR159 的靶基因是MYB 转录因子，它可以严格控
制植物花药中 M Y B 3 3 和 M Y B 6 5 的表达，改变
miR159 靶位点的MYB33 转基因植物生长周期出现
紊乱[22] 。miR165/166 通过切割亮氨酸拉链转录因
子(homeodomain leucine-zipper transcription factors，
H D - Z I P )基因家族的 P H B、P H V、R E V 基因的
m R N A，使 P H B、P H V、R E V 基因严格在近轴面
表达来保持植物叶片的形态[23]。最近有报道表明，
miR156与miR172共同控制了植物从营养生长到生殖
生长的转变过程[24,25]。
各种生物胁迫或非生物胁迫是制约植物生长的
关键因素之一，多种 miRNA 在植物受到病害、盐
684 生命科学 第22卷
害等胁迫时被诱导表达，表明miRNA 参与了植物的
抗逆反应。miR393 通过对生长素受体TIR1、AFB2
和 AFB3 的负调控增强植物的抗病能力[17]。植物在
受到病原菌侵害后，miR398b 和 miR773 被诱导表
达，过量表达这两个miRNA可以提高植物的抗病性[26]。
miR398 的靶基因是过氧化物岐化酶基因 CSD1 和
CSD2，植物在低铜条件下，诱导miR398 表达量上
升，致使 CSD1 和 CSD2 的蛋白表达下降，以保证
植物对铜离子的有效利用；植物在重金属胁迫条件
下会造成氧化胁迫，通过抑制miR398 使 CSD 表达
量增加，消除体内产生的活性氧，植物抗氧化能力
增强[27]。此外，miR399 响应低磷胁迫[28]，miR395
响应低硫胁迫，miR169 响应干旱胁迫[29]，这表明
在逆境条件下，植物通过对miRNA 的正负调控来调
控靶基因的表达，增强植物的抗逆性。
植物miRNA 代谢途径还存在着自我调控机制，
例如miR162、miR168 和 miR403 的靶基因分别是
DCL1、AGO1 和 AGO2，它们对靶基因的切割作用
在植物体内已经得到了实验验证。人工改变miR162
的表达模式可以造成许多其他miRNA 的异位表达，
过量表达miR168的转基因拟南芥与 ago1 突变体表
型相似，说明植物体内通过自我调控机制维持
DCL1 和 AGO1 的平衡是非常重要的[30,31]。
由于植物体内miRNA 可以通过切割靶mRNA 或
抑制靶蛋白的翻译来调控基因表达，这使利用
miRNA 前体骨架结构表达人工miRNA 来沉默靶基因
成为可能[32]。这种人工miRNA技术已经成为反向遗
传学研究基因功能的有效工具，将来还可能成为改
良作物农艺性状和抗逆性的重要手段。利用miR159
作为骨架，针对病毒蛋白设计人工miRNA 并转化拟
南芥，结果发现转基因植物对病毒具有良好的抗
性，即使经过多代繁殖抗病性也不会丧失；针对两
种病毒内源蛋白设计的人工miRNA 转基因植物，对
两种病毒均有良好的抗病作用，表明利用人工
miRNA 技术改良作物是可行的[33,34]。
2　hc-siRNA
除miRNA 之外，hc-siRNA 是植物中另一类大
量存在的sRNA。hc-siRNA 长度为24 nt，主要来
自于基因组上的异染色质区、反向重复序列区、转
座子区和着丝粒重复序列区[35]。DNA甲基化和组蛋
白甲基化是生物进行表观修饰的重要标志，植物中
的hc-siRNA 是介导DNA 甲基化(CNG、CHH)和组
蛋白甲基化(H3K9)的重要因素，它们不仅可以抑制
转座子或反转座子活性，而且可以影响基因组重复
序列区附近某些基因的表达[36]。
hc-siRNA 的产生依赖于RNA 聚合酶Pol IV、
DCL3、RNA 依赖的RNA 聚合酶2(RNA-dependent
RNA polymerase 2，RDR2)等蛋白。来自于转座子
区和DNA 重复序列区的单链RNA 经过植物特异的一
类RNA聚合酶Pol IV 转录后经RDR2扩增变为双链
RNA，DCL3 切割这些双链RNA 形成 hc-siRNA，染
色质重塑因子蛋白CLASSY1 可能也参与了此过程，
hc-siRNA 产生后进入AGO4蛋白[37,38]。另一类植物
特异的 RN A 聚合酶 Po l V 具有基因间非编码区
(intergenic non-coding，IGN)RNA的转录活性，IGN
的转录可以招募 AGO4，使结合了 hc-siRNA 的
AGO4 与具有GW/WG 结构域的Pol V 和 KTF1 蛋白
相互作用形成复合物，该复合物使甲基转移酶
DRM2 (domains rearranged methylytransferase 2)结合
到产生hc-siRNA的DNA位置上进行甲基化修饰，此
过程称为RNA介导的DNA甲基化(RNA-directed DNA
methylation，RdDM)[39,41]。Zhang等[42]发现，基因
组上某些位置IGN 的转录也依赖于RNA 聚合酶Pol
II，说明Pol II也参与了hc-siRNA介导的DNA甲基
化途径。尽管已经报道了大量 R d D M 通路的蛋白
质，但这些蛋白质如何相互作用和协调来影响DNA
甲基化的具体机制还不十分清楚[43]。
3　ta-siRNA
ta-siRNA是一类植物特有的siRNA，其最显著
的特征是它的产生依赖于 miRNA 的切割作用[44]。
TAS前体由Pol II转录而来，包含miRNA的切割位
点，TAS前体经过miRNA 切割后的RNA产物经SGS3
蛋白稳定后，由RDR6 合成双链RNA, 再经过DCL4
切割后形成连续的sRNA，其中某些sRNA 可以进入
RISCs来切割靶mRNA[45] 。由于ta-siRNA前体需要
miRNA 首先切割，所以它也依赖于 DCL1、HYL1、
HEN1 等 miRNA 通路蛋白。
拟南芥中具有多个能产生ta-siRNA 的基因位
点，其中包括TAS1、TAS2、TAS3 和 TAS4。miR173
与 AGO1 相互作用形成复合物，它们结合在TAS1和
TAS2基因转录本的5末端切割mRNA来引起这两个
基因位点产生ta-siRNA[46]; TAS3 前体上有两个
miR390 结合位点，miR390 特异进入AGO7 来起作
用，结合在TAS3前体3末端的miR390-AGO7 直接
切割靶TAS3 mRNA，结合在5末端的miR390-AGO7
虽然不能切割mRNA，但这种结合作用对于TAS3 基
685第7期 武　亮，等：植物小分子 R N A 研究进展
因位点产生ta-siRNA却是必需的[47] 。此外，拟南
芥中存在大量 miRNA，却只有极少数 miRNA 可以
引起ta-siRNA 的产生，其机理有径于进一步研究。
生物信息学预测和 5RACE 实验证明，ta-
siRNA 的靶基因有生长素响应转录因子ARF 基因、
三角状多肽重复 PPR 基因和 MYB 转录因子。到现
在为止， TAS3基因位点产生的部分ta-siRNA通过调
控ARF2/3/4基因影响植物激素反应的机制已经被人
们所认识，miR390 和 TAS3 受生长素响应，拟南芥
突变体rdr6、sgs3、dcl4和ago7的叶片出现狭长表
型，说明拟南芥ta-siRNA通过控制叶片的发育来影
响植株从幼年期到成年期的转变[48]。有趣的是，水
稻dcl4突变体穗花序发育存在缺陷[49]，玉米sgs3和
ago7突变体出现叶片极性发育异常和植株严重矮化
等表型[50,51]，说明与双子叶植物相比，ta-siRNA在
单子叶植物中可能发挥着更大作用。
4　nat-siRNA
基因组DNA正反义链上两个基因同时转录时可
以形成双链 RNA，这种双链 RNA 由 DCL1 或 DCL2
切割后可形成初级siRNA，初级siRNA 根据互补配
对切割其中一个基因的 mRNA，产物可以由 RDR6
在 SGS3 的辅助下再次扩增形成双链RNA 并由DCL1
剪切产生次级siRNA，进入AGO 蛋白后可以持续沉
默产生它的基因，形成一种调控循环，在此过程中
形成的siRNA称为nat-siRNA。与ta-siRNA的产生
不同，次级nat-siRNA的产生还依赖于Pol IV[52]。
nat-siRNA对于植物响应各种生物胁迫或非生物
胁迫非常重要，P5CDH 是植物分解脯氨酸的重要蛋
白，拟南芥 P5CDH 基因组成型表达，在高盐胁迫
下，拟南芥诱导反义链上的 S R O 5 基因转录，与
P5CDH 产生双链RNA，最后形成nat-siRNA 来切割
P5 C D H 基因的 mR N A，从而积累脯氨酸，提高植
物对胁迫的耐受性[53]。植物在受到细菌Pst DC3000
的侵染条件下，GTP 结合蛋白基因 ATGB2 与 PPR
蛋白基因 P P R L 的正反义链同时转录产生双链
RNA，被DCL1 切割后形成 nat-siRNAATGB2，从
而切割靶基因 PPRLmRNA。PPRL 是植物菌害超敏
感反应的负调控因子，所以受到细菌侵害而诱导产
生的nat-siRNA可以提高植物的抗病性[54]。拟南芥
kokopelli (kpl)突变体结实率降低，最新研究表明，
KPL 基因和一个编码泛素连接酶 E3 的基因 ARI14
(ARIADNE 14)双向转录，可以形成精细胞特异的
nat-siRNA，在kpl突变体和nat-siRNA形成突变体
中ARI14 表达量上升，过量表达ARI14 的转基因植
株表型与kpl 突变体相似，也表现为育性下降，说
明nat-siRNA对于植物控制双受精过程中精细胞的形
成非常重要[55]。植物基因组上存在大量可以正反义
链同时进行基因转录的位置，从而可以形成 nat-
siRNA，说明nat-siRNA 可能发挥更为广泛的作用。
5　lsiRNA
lsiRNA是植物中存在的一类长度为30~40 nt的
siRNA，与nat-siRNA 相似，lsiRNA 前体来自正反
义链上的转录本[ 5 6 ]。迄今为止，植物中发现的
lsiRNA是受到细菌性侵害或在特殊的生长条件下产
生的，且依赖于 DC L 1、D C L 4、H Y L 1、R D R 6、
SG S 3、H ST、HE N 1、P ol I V 和 AG O 7。拟南芥
A t R A P 基因缺失突变体抗病力增强，过量表达
A t R A P 的转基因植株增加病菌繁殖速度，说明
AtRAP是植物病理免疫的负调控因子，AtlsiRNA1在
细菌pst(avrRpt2)诱导后产生，通过对靶基因AtRAP
的5去帽作用，使外切核酸酶XRN4由5端至3端
降解AtRAP 的 mRNA，从而提高植物的抗病性，其
他lsiRNA的产生和效应机制还有待于进一步研究[56]。
综上所述，植物体内存在着多种类型的sRNA，
各种sRNA 产生和效应途径纷繁复杂，它们在植物
生长发育、抵御外界胁迫和保持基因组稳定性过程
中发挥着重要作用。到现在为止，人们对于植物
miRNA 等 sRNA 的研究，仅仅通过过量表达 sRNA
或基因敲除产生sRNA 必需的关键蛋白等途径来实
现，因而对 sRNA 在植物自然生长条件下的作用还
没有完全认识，关于多种 sRNA 共同调节植物生长
发育形成的调控网络报道也非常少。除 s R N A 之
外，植物中还具有其他类型的非编码 RNA，例如，
拟南芥抑制开花基因FLC (flowering locus c)反义链
上长片段非编码RNA的转录，可以通过影响FLC基
因的表达来控制植物的开花，说明长片段非编码
RNA 的存在对于植物的生长发育也十分重要[57]。
[参　考　文　献]
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