全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (4): 483–489, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00483
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收稿日期: 2013-12-23; 接受日期: 2014-05-21
基金项目: 国家自然科学基金(No.31300566, No.31330017)和浙江农林大学科研发展基金(No.2012FR078)
* 通讯作者。E-mail: lwqi@caf.ac.cn; zktong@zjfc.edu.cn
植物成熟microRNA转录后修饰与降解的研究进展
张俊红1, 张守攻2, 齐力旺2*, 童再康1*
1浙江农林大学亚热带森林培育国家重点实验室培育基地, 临安 311300
2中国林业科学研究院林业研究所细胞生物学实验室, 北京 100091
摘要 microRNA(miRNA)是一类长度为20–24 nt的内源小RNA, 广泛存在于各种植物体内, 参与调控植物器官的形态建
成、激素应答、逆境胁迫和营养代谢等一系列过程。虽然miRNA生物合成和功能研究已取得了很大进展, 但关于植物成熟
miRNA的转录后修饰和降解的研究却报道较少。一方面miRNA如同其它RNA存在半衰期, 其降解对于调控细胞内miRNA
含量起重要作用, 从而调控植物的生长发育或胁迫响应等过程; 另一方面, 成熟miRNA存在转录后修饰, 可影响miRNA的
稳定性, 最终影响其活性。该文着重从植物成熟miRNA的转录后修饰和降解等方面进行了综述。
关键词 microRNA, 转录后修饰, 降解, 生物合成
张俊红, 张守攻, 齐力旺, 童再康 (2014). 植物成熟microRNA转录后修饰与降解的研究进展. 植物学报 49, 483–489.
microRNA(miRNA)是一类长20–24 nt的内源非
编码小RNA, 它通过碱基互补配对原则切割靶基因
mRNA、抑制翻译和介导DNA甲基化等实现调控
(Bartel, 2004; 张俊红等, 2012)植物器官的形态建
成、激素应答、逆境胁迫和营养代谢等一系列过程
(Jones-Rhoades et al., 2006)。1993年, 在秀丽线虫
(Caenorbabditis elegans)中发现了第1个miRNA (lin-
4)(Lee et al., 1993)。在植物中, 首个miRNA于2002年
在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中被鉴定(Reinhart
et al., 2002)。在过去的十几年里, 人们陆续在藻类、
苔藓、蕨类(Floyd and Bowman, 2004; Axtell and
Bartel, 2005)、裸子植物 (Yakovlev et al., 2010;
Zhang et al., 2012)和被子植物(黄儒等, 2014)中鉴定
了许多miRNA。目前, Sanger miRNA数据库中(miR-
Base 20.0)登录了72种植物的miRNA信息 (Kozo-
mara and Griffiths-Jones, 2011), 还有一部分mi-
RNA已在论文中公开发表 , 但尚未登录到miR-Ba-
se。因此, 植物miRNA的鉴定和功能研究已取得了很
大进展 , 但关于成熟miRNA的活性调控 , 包括
miRNA的转录后修饰及其对稳定性的影响等报道
较少。
miRNA如同其它RNA存在半衰期, miRNA降解
对于调控细胞内miRNA的含量起重要作用, 从而调
控植物的生长发育或响应胁迫应答等过程。然而, 成
熟miRNA不被外切体(exosome)降解, 可能有着特异
降解机制(Chekanova et al., 2007)。植物miRNA:
miRNA*双介体的3′端被HUA ENHANCER1(HEN1)
甲基化修饰, 甲基化使miRNA延缓或免于被降解, 动
物miRNA则不经过此环节。为什么动物miRNA不需
要这种保护？植物miRNA的这种特异修饰是否影响
其降解机制已成为亟待解决的问题。因此, 本文主要
概述植物miRNA的生物合成、转录后修饰和降解等研
究进展, 并着重阐述植物miRNA的转录后修饰及其
对miRNA稳定性的影响。
1 miRNA的生物合成
成熟miRNA由MIRNA(MIR)基因转录后经过一系列
加工而来, 具体为: (1) MIR基因经RNA聚合酶II与
Mediator复合物转录成初级miRNA前体(pri-miRNA),
pri-miRNA转录物包含5′端帽子结构和3′端polyA结
构, 长度在数百至数千个碱基之间(Cai et al., 2004;
Lee et al., 2004; Parizotto et al., 2004; Kim et al.,
2011); (2) DICER-LIKE1(DCL1, 动物Dicer同源物)、
HYPONASTIC LEAVES1(HYL1, 含dsRNA结合域
的蛋白)(Vazquez et al., 2004)、SERRATE (SE, 一
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484 植物学报 49(4) 2014
种锌指蛋白)、At-Negative on TATA less2 (NOT2)
(Wang et al., 2013)和TOUGH(Ren et al., 2012)共同
参与了pri-miRNA到pre-miRNA的加工过程(Kurihara
et al., 2006; Lobbes et al., 2006; Yang et al., 2006);
(3) DCL1把pre-miRNA切割成miRNA:miRNA*双介
体, 由HEN1将双介体的3端碱基分别甲基化(此步仅
存在于植物中); (4) HASTY(动物Exportin5同源物)负
责miRNA:miRNA*双介体输出至细胞质中(Park et
al., 2005)。一般情况下, miRNA:miRNA*双介体在解
旋酶的作用下 , 5端为U碱基的miRNA链组装进入
ARGONAUTE1 (AGO1)等组成的RISC沉默复合体
(RNA-induced silencing complex), 而miRNA*被降
解(Baumberger and Baulcombe, 2005)。然而, 近来
研究发现, miRNA*不仅为miRNA的伴随链, 可能还
有另外的生物学功能(Kim et al., 2008; Okamura et
al., 2008)。此外 , Motomura等(2012)的研究表明 ,
Decapping 1(DCP1)、DCP2和VARICOSE在miRNA
的调控途径中发挥重要作用。
2 miRNA的转录后修饰
2.1 miRNA的腺苷酸化修饰
Lu等(2009)在杨树(Populus trichocarpa)中发现成熟
miRNA的3端添加1–7个“A”碱基, 即可形成 iso-
miR-A, 且isomiR-A发生率在不同组织器官中存在显
著差异。这表明miRNA 3端腺苷酸化修饰存在时空差
异, 可能具有某种生物学意义。最近在日本落叶松
(Larix leptolepis)中发现许多成熟miRNA存在腺苷酸
化修饰现象(Zhang et al., 2013), 且具有发育阶段特
异性。例如实生苗中isomiR-A比率高于体细胞胚胎。
在果蝇(Drosophila melanogaster)中, isomiR-A在发
育早期的丰度最高, 成虫阶段则消失或未达检测水
平, 表明miRNA3′端腺苷酸化修饰与果蝇的发育有关
(Fernandez-Valverde et al., 2010)。mRNA、tRNA、
snRNA和pri-miRNA在被exosome切割前, 先被Poly
(A)Polymerase(PAP)介导的多腺苷酸化 , 其3端添
加多个“ A”碱基 , 而成熟miRNA不是其底物
(Chekanova et al., 2007)。目前, 仅鉴定出1个酶参与
miRNA腺苷酸化修饰 , 即Polynucleotidyl transfe-
rase (GLD-2, 亦称PAPD4)参与人(Homo spiens) miR-
122的腺苷酸化修饰(Katoh et al., 2009)。
2.2 miRNA的尿苷酸化修饰
miRNA的尿苷酸化修饰最早发现于hen1突变体中,
其miRNA 3端添加了1–5个“U”碱基(Li et al., 2005)。
Fernandez-Valverde等(2010)研究发现, 这种修饰广
泛存在于动植物, 且受生长发育的调控。在果蝇中,
isomiR-U主要在成虫阶段被检测到, 约占总miRNA
表达量的2%, 占总isomiR-X的27%, 即isomiR-U比
率低于isomiR-A。而在日本落叶松中, 大部分(77%以
上)miRNA的 isomiR-U比率高于 isomiR-A或 isomiR-
C, 表明miRNA的尿苷酸化修饰在植物中频繁发生
(Zhang et al., 2013)。
在动物中, 已鉴定了一些酶可能参与miRNA3′端
的尿苷酸化修饰。例如, 小家鼠(Mus musculus) Zinc-
finger的CCHC结构域蛋白11(Zcchc-11)参与miR-
26a的尿苷酸化修饰, 同时发现PAPD5具有部分尿苷
酸化修饰功效(Burroughs et al., 2010)。目前已证实
在植物衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)中Terminal
nucleotidyltransferase(MUT68)承担小RNA3′端尿苷
酸化修饰功能, 加速RRP6外切复合体对其降解。这
个过程可能是一种质量控制机制, 负责清除那些无功
能或被损坏的小RNA分子(Ibrahim et al., 2010)。
2.3 miRNA的胞苷酸化修饰
动物miRNA3′端不仅可发生腺苷酸化和尿苷酸化修
饰, 还可发生胞苷酸化修饰(Burroughs et al., 2010;
Fernandez-Valverde et al., 2010)。miRNA3′端胞苷
酸化修饰比率显著低(一般低5%)于腺苷酸化或尿苷
酸化(Burroughs et al., 2010)。在植物中, 首次在日本
落叶松中发现了miRNA3′端胞苷酸化修饰现象, 同时
在拟南芥、水稻(Oryza sativa)和小立碗藓(Physco-
mitrella patens)的小RNA数据库中检测到miRNA3′
端胞苷酸化修饰产物, 表明miRNA3′端胞苷酸化修饰
在陆地植物中比较保守。然而, 与动物miRNA3′端胞
苷酸化修饰不同, 日本落叶松中的胞苷酸化修饰比率
较高, 约45%的miRNA可发生3′端胞苷酸化修饰。这
可能部分归因于落叶松无参考基因组, 不能分辨同一
个miRNA家族的不同成员, 即不能排除部分其它成
员剪切偏移产生的miRNA3′端胞苷酸化修饰产物
(Zhang et al., 2013)。
isomiR-C发生率与发育阶段或组织器官有关。在
日本落叶松中isomiR-C与其miRNA表达水平不相关,
张俊红等: 植物成熟microRNA转录后修饰与降解的研究进展 485
表明某些特异miRNA3′端更易发生胞苷酸化修饰, 与
miRNA的表达量无关(Zhang et al., 2013)。例如,
isomiR-C在果蝇发育早期的丰度最高 (Fernandez-
Valverde et al., 2010), isomiR-C在日本落叶松体细
胞胚胎中的比率显著高于实生苗(Zhang et al., 2013)。
另外, 发现某些isomiR-C仅发生在某些特定发育阶
段。例如, 日本落叶松miR397a的3′端胞苷酸化修饰
仅在体细胞胚胎中发生 , 而在实生苗中仅检测到
miR397a-A和miR397a-U; llemiR-7在体细胞胚中也
表现出偏向胞苷酸化修饰, 暗示某些miRNA的3′端胞
苷酸化修饰在胚胎发生过程中起潜在调控作用。此外,
实生苗miR950b-5p的 isomiR-C比率高于其它3种
isomiR-Xs, 这可能具有某种生物学意义(Zhang et al.,
2013)。
另外, 观察到miRNA 3′端发生了“双碱基添加修
饰” , 且存在修饰偏向性。例如“ isomiR-AU”和
“isomiR-UU”比率在落叶松体细胞胚胎和实生苗中
均较高, 而“isomiR-UA”在实生苗中比率较高。此
外, 落叶松中也存在其它修饰形式, 如多个腺苷酸
化、多个尿苷酸化或两者的组合, 暗示日本落叶松
miRNA经历了几次独立和反复的核苷酸化修饰事件
(Zhang et al., 2013)。与其它小RNA的转录后修饰不
同, 如U6 RNA和5S rRNA的腺苷酸化和尿苷酸化修
饰存在竞争, 即单个的腺苷酸化修饰可阻止进一步的
尿苷酸化修饰(Chen et al., 2000)。
3 miRNA的降解
3.1 miRNA的降解现象
所有RNA都有半衰期, RNA的降解对于调控细胞内
RNA含量起重要作用, miRNA也不例外。miRNA被认
为是相对稳定的, 其半衰期较长, 但不同miRNA间存
在显著差异。例如, 成熟miR122的半衰期较长, 可在
体内稳定存活1天(Gatfield et al., 2009); 每个miR-
223分子可调控至少2个靶基因转录物(Baccarini et
al., 2011); miR382的半衰期则非常短(Bail et al.,
2010)。
目前尚未见关于植物miRNA半衰期的研究报道。
Ramachandran等(2008)认为包括miRNA在内的小
RNA更替对于植物的生长发育至关重要, miRNA含量
的动态变化伴随着植物的生长和分化(Kai and Pas-
quinelli, 2010)。Lu等(2009)的研究表明, 杨树miRNA
可从3′–5′或5′–3′方向被外切酶降解, 且从3′–5′的降
解频率高于5′–3′。在日本落叶松中检测到许多miRNA
降解的中间产物 , 表明落叶松miRNA可从3′–5′或
5′–3′方向降解 , 且3′–5′方向的降解频率高于5′–3′
(Zhang et al., 2013)。
3.2 miRNA的降解机制
外切体通过介导RNA3′–5′降解, 在RNA代谢途径中
起重要作用(Estevez et al., 2003; Chekanova et al.,
2007)。Exosome的作用底物包括mRNA、tRNA、
pri-miRNA、siRNA前体和长非编码RNA等各种RNA。
Exosome介导的降解主要包括2步: (1) 在RNA3′端
加“A”, 即多腺苷酸化; (2) 被exosome剪切。对于
pri-miRNA, 大部分 (72%)多腺苷酸化发生在成熟
miRNA序列的正上游, 表明切割常发生在pri-miRNA
中成熟miRNA序列的边缘, 可能促进miRNA的加工
(Chekanova et al., 2007)。然而, 成熟miRNA水平不
受exosome缺失影响, 表明成熟miRNA可能存在另
一种降解机制(Chekanova et al., 2007)。
Kai和Pasquinelli(2010)研究表明 , 有许多因素
影响着miRNA的降解, 主要包括顺式修饰和反式作
用蛋白。在植物中, 小RNA降解核酸酶(small RNA
degrading nuclease, SDN1)特异性结合单链miRNA,
介导成熟miRNA的降解, 且对miRNA3′端甲基化修
饰敏感。拟南芥中同时敲除3个SDN基因后, miRNA
水平显著升高, 并伴随着多方面的发育缺陷(Rama-
chandran and Chen, 2008)。然而, 未被甲基化修饰
的miRNA, 其3′端发生尿苷酸化修饰, 可在一定程度
上抵抗外切核酸酶的降解作用(Li et al., 2005)。但
SDN1不能降解3′端已尿苷酸化修饰的miRNA, 推测
可能有其它外切核酸酶参与尿苷酸化修饰的miRNA
降解(Ramachandran and Chen, 2008)。
在动物中, 成熟miRNA可被核酸酶XRN组成的
3–5外切酶复合体降解, 主要作用于miRNA的非种
子区域, 即miRNA3端的7个碱基, 这些位点的突变
可增加其稳定性。例如人miR382主要被XRN1降解,
但未检测到XRN2的功能(Bail et al., 2010)。线虫
miRNA的降解则由5′–3′外切酶XRN2介导。miRNA被
装载入AGO蛋白复合体后, 可免受XRN2降解。AGO
蛋白复合体可提高成熟miRNA的水平, 且不依赖于
486 植物学报 49(4) 2014
RNase活性 (Diederichs and Haber, 2007)。虽然
AGO:miRNA复合物具高度耐盐性, 但幼虫裂解物可
促进miRNA从复合物中释放出来 , 之后被XRN2降
解。然而, 加入miRNA的靶基因mRNA后, miRNA的
释放和降解均被抑制 (Chatterjee and Grosshans,
2009)。这表明miRNA降解受AGO蛋白和靶基因丰度
等调控, 从而在发育转换过程中快速改变miRNA表
达谱。此外, miRNA降解也受miRNA-靶基因间的互补
性影响。例如靶基因mRNA与miRNA的高度互补促使
miRNA3′端加尾和3′–5′的降解, 即使miRNA暴露在核
苷酸转移酶和3′–5′外切酶中(Ameres et al., 2010)。
总之, 成熟miRNA的稳定性由顺式修饰、反式作
用蛋白复合物和暴露的核酸酶环境控制(Chatterjee
and Grosshans, 2009; Ameres et al., 2010; Arvey et
al., 2010)。有些miRNA进化出特异元件, 通过影响
AGO装载效率、被修饰酶识别效率和对核酸酶的抵抗
性等, 最终影响miRNA的寿命(Kai and Pasquinelli,
2010)。
3.3 miRNA3′端转录后修饰对miRNA稳定性的影响
miRNA3′端转录后修饰是一种miRNA活性调控机制,
影响动植物miRNA的稳定性 (Ramachandran and
Chen, 2008; Jones et al., 2009; Lu et al., 2009;
Meng et al., 2011; Wyman et al., 2011)。已有的研究
一致认为, miRNA3′端腺苷酸化修饰可提高miRNA的
稳定性, 而尿苷酸化修饰可加速miRNA降解(Katoh
et al., 2009; Lu et al., 2009; Ibrahim et al., 2010;
Baccarini et al., 2011)。例如, 肝脏特异miR122在细
胞质多聚腺苷酸化酶GLD-2的作用下 , 待miR122:
miR122*二介体解旋后, miR122的3端发生腺苷酸化
修饰, 使其更加稳定(Katoh et al., 2009)。Lu等(2009)
在杨树中发现miRNA3′端腺苷酸化修饰可降低
miRNA的降解速度, 使miRNA趋于更稳定。在日本落
叶松中也得出了类似的结论, 即miRNA3′端腺苷酸化
修饰可提高miRNA的稳定性, 延缓降解(Zhang et al.,
2013)。然而, 有些学者持不同观点 , 如Ameres等
(2010)在果蝇和人中发现腺苷酸化修饰可促进mi-
RNA降解; 由PAPD4介导的腺苷酸化修饰不会影响
miRNA的稳定性(Burroughs et al., 2010)。因此, 关
于miRNA3′端腺苷酸化修饰对其稳定性的影响尚需
进一步研究。
许多学者认为动物miRNA3′端尿苷酸化修饰可
促进miRNA降解(Ameres et al., 2010; Meng et al.,
2011)。然而 , Li等 (2005)发现未被甲基化修饰的
miRNA, 可在3′端发生尿苷酸化修饰, 减缓其被外切
酶降解 , 即尿苷酸化修饰对未被甲基化修饰的mi-
RNA而言, 是一种保护修饰。亦有学者认为miRNA 3′
端胞苷酸化修饰具有其它的生物学功能。因此, 关于
尿苷酸化修饰对miRNA稳定性的影响尚未达成一致
意见, 且其作用机理尚不清楚。总之, miRNA3端转录
后修饰对miRNA稳定性的影响结果和机制非常复杂,
可能涉及发育阶段或其它调控因素, 需针对不同问题
进行具体分析。
4 结论与展望
植物miRNA是一类重要的调控小分子, 它参与调控
植物器官的形态建成、激素应答、逆境胁迫和营养代
谢等一系列过程。关于miRNA生物合成和作用机制等
的研究已取得了很大进展, 但就成熟miRNA的转录
后修饰与降解, 及两者的相互影响等方面则未见系统
报道。因此, 本文首先概述了植物miRNA的生物合成,
之后具体阐述了成熟miRNA3端腺苷酸化、尿苷酸化
和胞苷酸化等转录后修饰, 并综述了成熟miRNA的
降解机制及影响miRNA稳定性的各种因素, 最终探
讨了miRNA3端的转录后修饰对miRNA稳定性的影
响。然而, 某些特异miRNA的所处位置、何时积累及
积累量受到极其复杂机制的调控, 尚有待于进一步阐
明。细胞自我吞噬是miRNA活性和稳态维持所必需
的, 类异戊二烯的合成对于植物miRNA的活性和功
能是必需的, 同时它也影响AGO1蛋白的膜结合, 此
外可能还有其它因素影响miRNA的活性和功能, 尚
需进一步研究。成熟miRNA产生时剪切位置的偏移,
可影响作用的靶基因种类。另外, 成熟miRNA通过与
末端核酸转移酶和外切酶竞争可引发miRNA缩减与
加尾修饰 , 从而影响miRNA作用的有效性。此外 ,
miRNA的另一个重要生物学功能是介导靶基因翻译
抑制(在植物中非常普遍)与介导靶基因剪切共存, 近
年来发现此生物学功能发生在内质网上。目前, 尚未
能确定如何测定植物miRNA的真正调控活性, 其间
涉及的多个影响因素正逐步被探明。揭示miRNA的积
累及其调控活性的机制将有助于评价某个特殊细胞
张俊红等: 植物成熟microRNA转录后修饰与降解的研究进展 487
环境下的miRNA的调控功能及其活性。
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Research Advances in Post-transcriptional Modification and
Degradation of Mature MicroRNAs in Plants
Junhong Zhang1, Shougong Zhang2, Liwang Qi2*, Zaikang Tong1*
1Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang Agriculture and Forestry University,
Lin’an 311300, China; 2Laboratory of Cell Biology, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing
100091, China
Abstract MicroRNAs (miRNAs) are a class of endogenous small RNA molecules, 20–24 nt, found in diverse plants.
MiRNAs function as transcriptional and post-transcriptional regulators of gene expression. They play essential roles in
developmental and physiological processes of plants, including organ morphogenesis, responses to hormones and en-
vironmental stresses, and nutrition metabolism. Although progresses have been made in the biosynthesis and functional
identification of miRNAs in plants, post-transcriptional modification or degradation of miRNAs in plants remains elusive.
On one hand, miRNAs will be degraded, which is crucial to control the miRNA content in cells, thus regulating the growth,
development and stress response in plants. On the other hand, the post-transcriptional modification of mature miRNAs
might be associated with miRNA stability. Several studies have demonstrated that adenylation increases miRNA stability,
while uridylation boosts degradation. This review will focus on research progress in post-transcriptional modification and
degradation of mature miRNAs in plants, hopefully to provide useful information for miRNA destiny in plants.
Key words microRNA, post-transcriptional modification, degradation, biosynthesis
Zhang JH, Zhang SG, Qi LW, Tong ZK (2014). Research advances in post-transcriptional modification and degradation
of mature microRNAs in plants. Chin Bull Bot 49, 483–489.
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* Authors for correspondence. E-mail: lwqi@caf.ac.cn; zktong@zjfc.edu.cn
(责任编辑: 孙冬花)