全 文 ：热带亚热带植物学报 2006，l4(5)：444—450
Jo“， ofTropical and Subtropical Botany
植物 miRNA的功能及其作用机制
张松莲 ，一，曾富华 ， ，喻宁华 ，一，饶力群2
(1．湛江师范学院应用生命科学研究所，广东湛汀 524048；2．湖南农业大学生物科学与技术学院，长沙410128)
摘要：miRNAs是真核生物中的一类 5’端带磷酸基团、3’端带羟基、长度在 22 nt左右的内源性非编码调控 RNAs。
miRNAs在控制植物的发育、开花时序、新陈代谢、应激反应等方面起着重要的作用。已知植物 miRNAs在转录后水平
上抑制基因表达，主要是通过导致 mRNA的裂解，对抑制目标转录物的翻译起作用。另外其也能在转录水平上通过决
定目标染色体位点的甲基化而起作用。对植物 miRNAs的功能及作用机制的研究现状做一综述。
关键词：综述；miRNA；siRNA；RISC；Dicer；目标mRNA裂解；翻译抑制
中图分类号 ：Q946．222 文献标识码 ：A 文章编号 ：1005—3395(2006)05—0444—07
Advances in Studies on the Function
and M echanism of Plant M icroIi OI RNA
ZHANG Song一1 ian 2， ZENG Fu—hua 2 ， YU Ning—hua 2， RA0 Li—qun
(1．Applied Institute ofrife Science，Zhanjiang Normal Colege，Zhanjiang 524048，China；
2．rife Science&Technology Colege，Hunan Agriculturol University，Changsha 410128，China)
Abstact： miRNAs are approximately 22一nucleotide endogenesis noncoding regulated RNAs in eukaryotes that
have phosphate group at 5’end and hydroxy group at 3’end，which attract extensive attention in recent years．
Scientists are now on the threshold of a beter understanding how miRNAs works． miRNAs plays an important
role in controlling plant development，florescence time，metabolism，response to stress，etc．Plant miRNAs are
known to repress gene expression post—transcriptiOnally， mainly by gu iding mRNA cleavage but also by
atenuating the translation oftarget transcripts．In addition，it has been shown that plant miRNAs can also act at the
transcriptional level by directing the methylation of target chromosomal loci．This paper reviews recent researches
on the function and mechaism ofplant microRNA．
Key words：Review；miRNA：siRNA：RISC；Dicer：Targeting mRNAs for cleavage；Translational repression
在细胞表达的RNA中，除了我们所熟悉的3
类 RNA外，还有大量的不编码蛋白质的非编码
RNA分子 (noncoding RNA，ncRNA)，调控真核细
胞中的许多功能，影响基因表达、细胞周期调控和
个体发育等多种行为，这使科学家对细胞及其进化
的看法进行重新反思。小 RNA是 2l一28 nt的调控
RNA分子，主要包括微 RNA(micro RNA，miRNA)
和小干涉 RNA(short interfering RNA，siRNA)两类，
其中的 miRNA成为继 siRNA之后新的研究热点
之一，名列 2002年和 2003年美国 《科学》杂志评
出的年度十大科学成就。
miRNA是 microRNA(微 RNA)的简称，它是
小的调节植物和动物生长、发育的RNAs，是由非蛋
白编码基因转录物形成的茎环结构加工而来的长
度在 22 nt左右的小 RNA分子，影响目标 mRNAs
的翻译和稳定性。lO年前，Lee等【 】首先发现线虫
收稿日期：2005一ll一22 接受日期：2006-03—06
基金项目：广东省高校 自然科学研究项目(Z03062)；广东省自然科学基金 (5011730)资助
$通迅作者 Coresponding author
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第 5期 张松莲等：植物 miRNA的功能及其作用机制
(Caenorhabditis elegans)的异时性 (heterochronic)
基因lin．4并非编码蛋白质，它的转录产物中有一
个长度为 22 nt的 RNA。这种转录产物在幼虫的 L1
后期表达，与 lin．14的 mRNA 的 3’端非翻译区
(UTR)序列互补，从而短暂下调 Z n一14蛋白质的表
达水平，使线虫由 Ll期向L2期转化。随后另一促
进幼虫向成虫发育的基因 一7也被发现【2】，其转录
产物为 2l nt的 RNA分子，负调节控制线虫发育时
序的基因。关于黄酮醇和花青素的生物合成的研
究，导致植物体内同源基因共抑制的发现【3】。这是在
研究矮牵牛花体内查耳酮合酶和二氢黄酮醇 4一还
原酶基因过量表达的实验中得出的一个意外结果。
在其它的假说中，提出由RNA链参与的 DNA甲基
化和转录产物的干扰是观察到的转录后基因沉默
的可能机制。这一发现使得在线虫体内能用注射双
链 RNAs这样高度专一、有效的方式，在转录后水
平上干 涉任 何 已知基 因 的活 性 。RNA干 涉
(RNAi)成为在许多生物体内进行基因敲除的首选
技术之-[51。本文对 miRNA的功能和作用机制的研
究进展作一综述，以期为miRNA的运用提供参考。
1 植物 miRNA的功能
miRNAs在真核生物内作为基因表达的负调节
子起作用。已知植物 miRNAs能在转录后水平上抑
制基因表达，主要靠引导mRNA裂解和抑制目标转
录物的翻译。此外，发现植物 miRNAs也能决定目
标染色体位点的甲基化，在转录水平上起作用 。
1．1由 miRNAs控制的转录后水平的调节
植 物 miRNAs负 调 节 内源 性 目标 基 因 ，
miRNAs识别及裂解这些基因的转录物是依赖于其
与目标基因的转录物部分或完全互补【7l。正如所预
料的，影响 miRNAs生物合成的突变，例如 hytl，
henl和 hst．能导致 miRNAs靶定的基 因表达上
调[81。在植物体内，每一个目标 mRNA通常包括一
个位于编码区的单链 miRNA的互补位点。相反地，
动物 miRNAs通常是与目标 mRNAs的 3’UTR区
域的多个结合位点部分互补【9】。
1．1．1引导 mRNA裂解
在细胞分化期间，许多植物 miRNAs在专一的
子细胞世系中是靠调节关键基因转录物的降解而
起作用。例如，在分化期间，决定低分化的基因可能
需要被关闭，这一点能通过抑制转录而实现。然而，
一 个基因只在它的 mRNA停止合成蛋白质时才能
完全关闭。因此，为了更快地使一个基因停止表达，
正在分化的细胞常常 配置 种 miRNA，它能特异
地裂解那类 mRNA。这种现象支持这一模式，即打
断 与 PHB (PHABULOSA) 的 mRNA 互 补 的
miRNA位点的突变会导致 mRNA更广泛的分布，
似乎它不会从表达有 miRNA的细胞中消失【10】。
有 研 究 发 现 ， PHABULOSA (PHB)和
PHAVOLUTA (PHV)与 miR165／166互补 的一 个
位点发生明显的突变时，就会影响 miRNA，从而使
这些 mRNAs裂解。Mallory等⋯】证实，打断 miRNA
与 mRNA的配对而不改变 PHB蛋白序列，会引起
phb—d突变体发育缺陷。在跗基节内，打断 miRNA
互补位点的中心区域附近的miRNA配对，可减缓
末端错配的发育缺陷。这些差异与体外 miRNA引
导的 mRNA裂解效率的差异是 一致的，错配查找揭
示了miRNA的中心部位和 3’端的错配比5’端区
域的错配更易被忽略。尽管通过组成型 35S启动子
诱导表达 wT(野生型 )PHB(一种蛋 白)(35S：
PHB)的少数几株植物上有一到两片辐射状叶片，
但是大部分植物叶片不向轴，没有表达有野生型蛋
白PHB的整个个体象phb—d(突变体)植物 (图 1
A)。相反地，57．1％35S：phb—ld T1植物呈现出明显
的离轴至向轴的变化 (图 1B)⋯】。 在同一密码子
中的一个无义突变，35S：PHB G202G(GGT变为
GGA)，植株表现出和 35S：PHB G202D(GGT变为
GAT)转基因相同的表型 (图 1C和 D)。因此，
phb—d突变表型的基础是miRNA结合位点遭到破
坏 [12]。
已发现几种 miRNAs在植物发育中起着一定
的作用，但是没有发现植物的表现型与 miRNA的
减少或缺失有关。Guo等【l3】预期拟南芥 rabidopsis
thaliaha)miR164靶定5个 ir／,at3编码的mRNA，包括
nael，nael可转换植物激素信号而出现外侧根。有
研 究表 明 ，miR164可 引导 内源 和转 基 因 nacl
mRNA的裂解，产生特异的3’．片断。当nacl突变
后不能与 miR164的碱基配对时，mRNA的裂解就
不发生。与野生型植物相比，拟南芥 miR164a和
miR164b突变植物表达了更少的 miR164和更多的
NAC1 mRNA，因而产生更多的侧根。结果表明
miR164控制的植物激素的感应提供了一种适应性
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第 l4卷
同 1 ⋯miRt85,166 } 10 梵^业 jf起姻叫“采 丝I f Maltory等 )
Fig 1 L eafph翱 01冲 es e+used bymmationsinthemiRI65 l 66~ontp]ememao+itc{AfterMalorl ctn ’、lI
：^卅 {。 蟹行 j 35S：PHB棺蜘35S：PHB plantwithwT development：B：35S：phb-，，f艟l榭 L抽川l 儿 翳 幔．
【l _毂械少． n 鞋扮 35S： 一Id plants havemdialized reducedleaveswith adaxial chtmcteristlcs：c：35S：PIⅡ{
G202G I物Il{ 境群l们0】也的i ‘盘并35S：PHBG2<)2Gplants caused bv elq,?irOrll~ent；D：转JiU1．％l绚Transgeni~plants
LfiAl米裂解 ，· -，mRNA．r惆植物激素信号 几个
,fJ】关的tlac 因(包括 rw』 -2和 H 』)转录物的
裂解足由 miR164嗣节的A41 r， uc2和 n ，的
转录物在野 自物旧m．R164纳合位点被裂解 抗
miRl64的c ucl、c[1g 2突娈体的转录物仃勺韶洋引起
肛、营养器官和花的发育异常+正表旧miR164 控
制分裂组织的夫小及 、鬻养器官和花的形成模式
年f1分化方面起作Hj
由RNAi(RNA interference)+jlt任的摹 响 需
要含有PAZ结构域的蛋： l ARGONAUTE(AGO)
的作用 l 在植物体内，AGO1 jllj 的发育缺陷伴
随发生，衷l蝈rniRNA在器 心极 方面起着某种作
用。miRNAs渊 的潜在 曰 是唰湄区域 亮氨酸
t班 基 ＼ PHA BtH osA tl HB !私 PH,tv{)LU
(PtV) 这些基 叶原堆胚鲰I胞c}I以一种檄陆的
方式表达 Catherine等i i认为有 娄 miRNA班定
PHB,"PHV mRNA的裂解，它由21个核苷暧组成，
这类miRNA ‘先 胚胎的分裂组织聚集，然后分
布到发育fl的叶片的远轴Ii：域，miRNAs的分布能
被 AGO1的突变扣乩，表明AGO1影I响miRNAs的
调节作用。此外，AGO1的同源区域，亮氨酸拉链的
基 和其等位攮凶系列之I 的相互作用表明．
miRNAs在决定叶H的极’ 方面起作用。
结台人量的突变分析表_1月，拟南莽的 5个
HD．ZIPⅡJ琏因在很大程度 渊节发育的熏要方
面．包括维筲系统的形J芟模式，删生器官的远轴 ．近
轴极性午¨分裂纽{=}{功能的稳定羽I维持” ，4种半显
性 、按{ 功 能的等 位基 因 ，即 PHB、
REFOI T,I fREV) l，1vC￡ VA Z44{ICV4)(也称
A THB．t5和 CORONA(CN．,I))， j=l艘坏了它
们 与 miR165取l miRl66位 f HD．ZIP IlI蛋 白的
START区域的丌补位点，就会彩响 述功能的发
挥I 。
l I．2抑制翻译
枉植物Iit抑制EI标mRNA翻译的作用厅式很
少。但足，令人I 的是往埘 种{1 物miRNA的研
究- 技现 miRl72枰花呐发育-Ii l 通过翻译抑制
调节APETALA2，而不 仑APETALA2 ORF区(开做
性阅读 架)在miRNA和它的 逝n．补位血之
是 否近 乎完全酉己x,tl 。
发现 miRNA172与大多数艄物 miPuNAs存在
不 同，但 动物的I}：l_f似 ，址 ¨前艄物体 内唯 一
发现疆 过抑 制它的 J二『杯物怕 翻译来起作用J){)
miRNA !】
1．2 由 miRNAs控制的转录水平的调节
用对甲基化敏感的限制悱酶帛I酸性亚硫酸盐
删序时，Bao等 I技现拟南抖(H rabidopsis th tana)
13iR166 f}勺两个很典， 的tl标物．即 PH／tBULOSA
(PHB1和 ^VOLL； (PH ) 凶，它们任大多数
野， 型细胞内破【 基化。然Hi ， 破坏 l~aiR1 66结合
位 点的 PHB和 朋 的 显 突变自Il胞 -¨]1PHB和
PHi 没肯被甲基化 为了研究肇 的 P基化与
miRNAs之问的芙系，Bao等 求 不州生态型的
野 型年fl突变 锋位基闭站台建瓿PHB和 PHi杂
合体植物+这螳等位基因侄序列的多念惟上是有区
别的 硅然，野生型等位丛 ：这 朵☆体rlI是有
蓐别地做甲基化的．表现⋯ lf1_新I_l{J作 模式．即
此模 I{ miRNAs{ l1]‘能 它们 的 合泣点相
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第 5期 张松莲等：植物 miRNA的功能及其作 机制
互作用来促进 c 中染色体位点的甲基化。因为
和 PHB的miRNA结合位点跨越两个外显子
(图2)，miR166仪仪能与结合的 朋 和 PHB转
录物相互作用，表明在初生的转录物从模板染色体
产生之前，这些基 产乍了外在修饰或被诱导。
m}R i {e＼
潮 哪盔 t⋯⋯．．aglI墨
Exon ＼ ／ Exon
Intron
图2 PHB基因的 miRNA结合位点(日I白Jover．Gil c)
Fig．2 miRNA binding site ofPHB(After Jover—Gil c
2 miRNA的作用机制
miRNAs靶定 mRNA能引起基因在转录水平
上 的沉 默 ，它在 植物 体 内是 通 过称 为 PTGS
(post—transciptional gene silencing)的复合物而起作
用 。与 miRNAs结 合 的 mRNA 的命运 取决 于
miRNAs与它的目标物mRNA之间的互补程度。如
果碱基配对完全互补，目标物 mRNA在接近于起控
制作用的miRNAs的 5’端配对的碱基的位点 l0与
ll之间裂解。如果互补程度较低，但是有 miRNA
互补位点的合适的构象，则能导致翻译抑制 。在两
者中，互补性的最高程度 (近于完全配对)是在接
近于miR_NA的2—7碱基位点，在此区域内的碱基
配对似乎对 目标识别是重要的。对于翻译抑制来
说，miRNAs与单链 mRNA的多个结合位点诱导一
种协同作用。但是翻译抑制的机制还是不清楚，因
为目标 mRNA的多核糖体分布图表明核糖体仍然
在 mRNA上运行，好象他们仍在正常地被翻译 。
2．1导致 mRNA裂解的机制
当 miRNA没有与目标物的 5’一末端完全配对
时，mRNA的裂解仍可发生，因此，切割位点可能取
决于 miRNA的末端部分，而不是 miRNA与目标物
的碱基是否完全配对。在 mRNA裂解后，miRNA仍
然是完整的，仍能识别和破坏另外的mRNAs 。
在多种真核生物内，裂解目标 RNA分子需要
RISC(RNA—induced silencing complex1复合物 的核
酸 内切 酶活 性 ，而 它 是 由互 补 的 miRNAs或
siRNAs控制 的【26_。 典型 的 RISC 复合 物包 括
ARGONAUTE(AGO)或 PPD蛋白家族的一个成
员，这种蛋白 (有时称为 ‘slicer’)复合物具有核酸
内切酶活性l 27】。AGO蛋自包括高度保守的PAZ和
PIWI区域 ]。 PAZ【叉域结合单链 RNAs ]。 PIWI
区域调节与Dicer蛋白的相互作用和提供核酸内切
酶活性【30]。不管 miRNA有多长，日标物的裂解，均
发生在 miRNA的 5’末端的第 10或 l1个核苷酸位
点 ，这 需 要 miRNA 的 5’末 端 与 mRNA 碱 基 配
对 。
对植物 miRNAs使 mRNA裂解后产物的降解
机制还没有完全弄清楚。Shen等_32峙旨出各种生物体
内的miP~NA决定的 mRNA裂解后的产物各不相
同，但在它们的 3’末端都有一段寡聚U(1—24个核
苷酸)，在转录后水平上添加到裂解位点的下游。3’
端的寡聚 u的添加，如在拟南芥内表现的那样，与
裂解产物的去帽子作用和 5’端缩短有关，表明了这
是 miRNA使mRNA降解机制中关键的一步。
mRNA的裂解是通过RNA内一系列关于专一
性序列的作用信号来调节的。AREs(富含Au的元
件)分布在一系列短寿的 mRNAs中。如原癌基因
(prooncogenes)的 3’一UTR端，在各种各样的顺式
作用中是最明显的。ARE使 mRNA降解的作用被
认为是通过与特异的 ARE结合活性因子来调节
的。几种 ARE结合蛋白已被鉴定，且它们参与调节
ARE．RNA(包含 ARE的 mRNA)的降解，这 已通
过实验观察得到证实【3]。对 HuR(人类 miRNA)的
研究证实㈣，TTP／Tisl l(结合蛋 白，tristetraprolin)
和BRFI／Tisl 1B蛋 白质有促进 ARE—RNA降解，或
者增加它们的稳定性的作用。然而，有关 ARE参与
调节(ARE —mediated1的 mRNA稳定性的机制虽已
有许多研究，也取得了一些成果，但仍然是模糊的。
为了更好地理解 ARE参与调节的mRNA稳定
性的机制，我们用 RNAi来筛选 S2 Cels内一系列
基因的ARE—RNA降解的必需条件。有研究报道 ，
dicer和 argonaute是 miRNA／RNAi系统的关键成
分，在果蝇 (Drosophila)细胞内，ARE调节 mRNA
裂解时它们是需要的。在海伦(Helen)细胞内更进一
步证实了ARE—RNA的降解需要dicer。随后的分析
发现一种 miRNA即 miR16，有着 uAAuAUU序
列，与 ARE互补。进一步的证据【 6]证明 ARE调节的
mRNA裂解依赖于 miR16的出现。分析来 自不同物
种的成百上千的 miRNAs的序列，发现 miR16包含
能与 TNF—a mRNA的ARE 配对的8个碱基，而没
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热带亚热带植物学报 第 l4卷
有与 TNF．a mRNA别的区域随机配对。miR16的结
构 是 5’UAGCAGCACGUAAAUAUUGGCG3’。发
现与 miR16互补 的 2’．0．甲基化的寡聚核苷酸
(anti．miR16)能抑制 ARE—RNA的降解，而别的抗
miR则对 ARE ．RNA的降解没有影响。因此认为，
ARE I A的降解需要 miR16。在 ARE —RNA的
降解方面 miR16和 TTP是相互依赖的，TTP没有
直接与 miR16结合，而是与 RISC成分相互作用，
或协助 miR16靶定 ARE，从而使ARE．RNA发生降
解 。
2．2抑制翻译的机制
mRNA退出翻译状态，进而转变成一种 mRNP
状态，mRNP聚积成加工体 (P bodies)。Jeff等旧鉴
定出去帽子激活子 Dhhlp和 Patlp可作为翻译抑制
子和 P body形成的元件 (facilitator)。缺乏 Dhhlp
和 Patlp时，mRNA的去帽子和 P body形成不能顺
利进行，从而使 mRNA的翻译抑制受到阻止。相反
地，Dhhlp和 Patlp过量表达则引起翻译抑制 ，P
bodV的形成会阻碍细胞生长，Dhhlp和它的人类同
源性蛋白PCK／p54可抑制体外翻译，Dhhlp在体内
可抑制翻译的起始，这些结果表明了翻译抑制的一
种广泛的作用机制，即对 目标 mRNA去甲基而在翻
译控制中起作用。Jef等提出的这种机制可与翻译
达到竞争性平衡，改变这种平衡是翻译控制的一个
重要方面。
miRNAs是在 RISC内起作用，即使miRNA被
限制在 RISC复合体内，有些 miRNAs还可能在更
多的方面起作用，而不仅仅是转录后抑制，但有些
则可能靶定 DNA，从而使转录沉默。Argonaute蛋白
和 siRNAs与植物 DNA的甲基化和沉默【38】、真菌中
异染色质的形成及纤毛虫中DNA的重排有关。这
表明细胞核内存在 RISC样的复合体。miRNAs加
工可能是在细胞核内完成的，如果miRNAs没有使
DNA沉默，研究怎样避免miRNAs进入核内RISC，
尤其在植物中是有意义的。
2．3目标物的识别
寻找哺乳动物 miRNAs的目标物时，最主要的
是抓住与miRNA的七聚物形成的末端 2—8位点完
全配对的特征[39】，在植物中也一样。有意思的是，大
多数已知的植物 miRNAs的目标物是转录因子，尤
其是那些涉及到发育调节或细胞分化的因子。动物
miRNAs的目标物可能比植物的更加多样化。单链
miRNAs能结合 许多不同的 mRNA 目标物 ，相 反
地，几种不同的 miRNAs能共同控制一单链 mRNA
目标物，因此，miRNAs和它们的目标物能组成相当
复杂的调节网络[9]。
为什么 目标物与 miRNA的 5’末端的互补这
么重要呢?不管基冈调节的机制如何，其中一种可
能性是 RISC仅仅瞄准这个核心区域与 mRNA配
对。一种腺苷酸形成的双螺旋几何形状中，这 7个
核苷酸预排的结果将优先加强与配对的mRNA片
段的亲和力。Argonaute PAZ区域结合双链和单链
RNA的能力将使它成为代表核心和稳定核心配对
的一个合适的候选者[9]。
3展望
真核细胞中存在数目庞大的miRNAs可能是
基因调控途径中丰富而重要的组分，发挥着调节作
用。miRNAs的发现是生命科学的一大突破，它拓展
和丰富了以往人们对小分子 RNA的认识，促使生
物学家重新反思对细胞进化的理解和认知 。
miRNA与 RNA沉默有关，理解 RNA沉默机
制可阐明人类疾病。成熟的生化方法和对 RNA沉
默的作用及机制的其它剖析方法的发展，将对 RNA
沉默机制提供更多的视点。
模式生物内miRNA基因的遗传分析目前在研
究嵌合体(胚胎)的片段，最终将可阐明miRNA控制
动物发育 和牛理 的机制 。通 过计算机来 预测
miRNA与目标物的相互作用，必须与遗传学相结
合，才能鉴定 miRNA调节的途径。关于 miRNAs还
有许多问题，如影响miRNA在 UTR位点的易接近
和效率是什么?什么标志使动物 miRNA进行抑制
翻译或者导致 mRNA裂解?在 miRNA基因功能上
的协作及冗 余的本质和意义 是什么 ?不 同的
miRNAs结合在相同的目标物上如何起作用?关于
miRNA功 能的一个 关键 问题是 ，什么控制 了
miRNA的表达?在 miRNAs功能上的冗余或叠加
关系的分析对于特异的 miRNAs的抑制来说应当
靠遗传学和非遗传学方法的发展来解决。
细胞中是否还存在更多的对基因表达起调控
作用而仍未被我们发现的非编码 RNA；那些已经被
发现的RNA在细胞中是否还起着一些不为人知的
作用 呢 ?究竟在 多大 程度 上 ，miRNAs途 径和
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第 5期 张松莲等： 物miRNA的功能及 作J1 J机制
siRNAs途径使用 行进化的同源 ；这两条途径
是否在细胞不同部位行使功能 ?何种闪索介 导
miRNA复合体的核 一质转运，这 都有待r进一步
研究和探索。
因此，随着基因组学研究的深入，全向研究非
编码 RNA在不同细胞以及细胞的小同时期的功能
已经成为后基因组时代的必需和必然 ，这螳研究成
果也必将促进人类和整个生物界研究领域的进 ‘
步发展。
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