小分子RNA（Small RNAs, sRNAs）是生物至关重要的调控因子。在植物中，有3类主要的小RNA：microRNAs (miRNAs), heterochromatic siRNAs (hc-siRNAs)和secondary small interfering RNAs（secondary siRNA）。这些植物小RNA的数量众多，在植物的生长发育过程有着重要的生物学作用。
近日，美国科研人员在Annual Review of Plant Biology发表“Plant Small RNAs: Their Biogenesis, Regulatory Roles, and Functions”，通过sRNAs生物发生和调控、调节靶标和活性以及在细胞间的转移和递送来解释sRNAs在调节植物生长、繁殖以及生物和非生物应激反应方面所起着的关键作用。
在分子水平上，sRNA通过多种机制调节染色质修饰、RNA丰度及其转录翻译。典型植物的sRNA包括miRNAs和siRNAs。但其生物形成的成因和功能颇具争议。sRNA的生物起源通常涉及20-24个核苷酸的产生，后续通过自互补RNA的折叠形成发夹状的RNA结构，进而与目标内源或外源RNA的序列互补实现基因调控或转座子沉默。
大多数植物miRNAs位于基因间的非编码位点，只有一小部分位于蛋白编码基因的内含子中。这些miRNAs通过依赖DNA的RNA聚合酶II转录形成前体miRNAs (primary miRNAs pri-miRNAs)，DCL1识别并剪切折叠后的pri-miRNAs，得到成熟的miRNAs。miRNAs通常被降解，而与AGO蛋白结合的miRNAs则被保留下来形成RNA诱导的沉默复合物 (RNA-induced silencing complex Risc)，dsRNA结合蛋白HYPONSTIGLEVES1 (HYL1) 和C2H2锌指蛋白SERRATE (SE) 与DCL1结合以形成核切割体（dicing bodies D-bodies），在miRNA的生物成因中起重要作用(如图1所示)。
还有许多其他因素也在调节pri-miRNA如SMA1和NOT2蛋白和TREX-2复合物直接与DCL1/HYL1/SE相互作用，促进pri-miRNA的加工。染色质重塑因子2（CHROMATIN REMODELING FACTOR2 CHR2）、Elongator和TREX-2复合物以及HASTY也与DCL1/SE相互作用以调节pri-miRNA。有些植物MIR基因含有内含子，因此拼接机制也在miRNA的处理中发挥作用。RNA甲基化，如N6-腺苷酸甲基化(N6-methyladenosine m6A)为基因调控的重要机制。mRNA腺苷甲基化酶 (mRNA adenosine methylase MTA) 在拟南芥中对pri-miRNA进行甲基化修饰，促进pri-miRNA的修饰进而影响D-bodies组装。pri-miRNA经处理后，sRNA 2’-O-甲基转移酶HUA ENHANCER1 (HEN1) 取代SE与DCL1和HYL1相互作用，并在3*miRNA双链末端催化2’-O-甲基化以稳定miRNA。丧失功能的hen1突变体则表现出几乎所有miRNA丰度下降。
hc-sirNA来源于异染色质基因组区域的转座子，在RNA定向DNA甲基化过程中，其长度和功能为24nt是植物中含量最多的siRNA，占拟南芥siRNA种群的90%以上。hc-siRNA的生物合成始于植物特异性DNA依赖RNA聚合酶Pol IV的转录，RNA依赖RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase RDR2)进行第二次RNA链合成，DCL3将dsRNA切成hc-siRNA双链并甲基化，单链装入AGO4、AGO6或AGO9，形成RISC (如图1所示).
图1
生物化学分析发现，Pol IV与RDR2发生物理相互作用，形成双RNA聚合酶复合物。最近的结构研究表明，Pol IV和RDR2的活性是紧密耦合的，Pol IV回转使RDR2能够合成第二链hc-siRNA前体 （aka Pol IV–RDR2 (P4R2) RNAs） (如图2a所示)。P4R2 RNA的加工不仅产生24nt hc-siRNA，而且产生23nt siRNA。DCL3对P4R2 RNA处理的一项生化研究表明是否产生24或23-nt siRNA，取决于P4R2 RNA的Pol IV链的第一个核苷酸和RDR2在Pol IV转录本中的起始位置(如图2b所示)。
图2
尽管miRNA介导的mRNA裂解片段通常会快速降解，但一小部分会进一步加工成二级siRNA，这些siRNA被称为phasiRNA。 phasiRNA的产生是植物中普遍存在的现象，一些phasiRNA的生物学影响已被证明。产生 phasiRNA的基因组位点——PHAS位点可根据每个位点的编码潜能分为蛋白质编码位点和非编码位点。另外反式作用的siRNA（tasiRNA）是一类特殊的21nt phasiRNA，它以非依赖TAS转录物的方式依赖DCL4的方式产生。在草本植物和其他被子植物中，在花药中富含生殖phasiRNA为21-nt和24-nt phasiRNA。在水稻和玉米中，这两个大小的phasiRNA分别优先在花药发育的前减数分裂阶段和减数分裂阶段积累 (如图3a所示)。在拟南芥中产生的24-nt siRNA在转座子和转座子的位点转移到减数分裂细胞介导DNA甲基化和蛋白质编码基因（如图3b所示）。水稻和玉米的减数分裂前，花药表皮产生21-nt phasiRNA，并被转移到生殖细胞中（如图3c所示）。玉米中的减数分裂24-nt phasiRNA在绒毡层中产生，并转移到其他花药细胞层，主要集中在绒毡层和粒细胞中，除了介导CHH甲基化作用外，它们的分子功能尚不清楚（如图3d所示）。
图3
sRNA发挥作用离不开AGO蛋白。在种子植物中，AGO蛋白质家族高度多样化，形成了三大系统遗传类群AGO1/AGO5/AGO10、AGO2/AGO3/AGO7和AGO4/AGO6/AGO8/AGO9。拟南芥的早期研究表明5’核苷酸是决定拟南芥核苷酸分选和装载的关键因素之一；AGO1优先与5‘U的sRNA关联；AGO2、AGO4、AGO6、AGO7和AGO9喜欢5’A；而AGO5喜欢5‘C ，但这些sRNA-AGO关联模式更像是趋势而不是规则，因为例外时有发生。在植物中，miRNAs主要通过降解目标转录本抑制基因表达，其次是抑制转录活动，在一些罕见的报道中，甚至直接进行DNA甲基化进而抑制基因表达。这些不同的作用方式在很大程度上是由miRNA和装载它们的AGO蛋白决定的。有研究表明miRNA的主要目标是TF编码的mRNA，通过调节TF基因，miRNA对植物发育和对非生物或生物压力反应的起关键调节作用。
RNA的转移同样具有重要的生物学意义。内源性miRNA和siRNA可以通过韧皮部移动 (长距离运输) 或等离子体模式 (细胞间运动) 调控基因沉默。利用嫁接实验进行系统沉默的早期研究发现，可移动的siRNA在植物中起到沉默信号的作用。可转运RNA（Transfer RNA fragments tRFs）是近年来新出现的一类sRNA调控。tRF常常是由非生物和生物压力引起的，如氧化应激、紫外线辐射、冷、热、低磷酸盐和病原体感染。关于tRF的功能仍有许多问题有待解决：在应激反应中，tRF直接调控哪些目标RNA，以及如何调控它们? 鉴于tRF和miRNA具有类似的监管作用，为什么要使用tRF？此外，许多研究揭示了miRNAs、siRNAs或tRF在植物和共生细菌之间或植物和病原体之间的存在跨种传递。因此，如何使植物向病原体传递RNAi是一个积极研究的方向即使用人工设计的siRNA介导病原体的基因沉默以保护作物。
过去20年对植物sRNA的研究取得了巨大的进展。早期的工作是高度描述性的，侧重于发现和整理miRNA和其他类sRNA。随后的研究分析了它们的生物发生途径。随着各种工具和资源的开发，这些分析已经从拟南芥扩展到各种作物和非模式物种，并为植物sRNA的演变及其生物发生途径提供了新的方案。未来有望发现更多的sRNA动态 (也许是单细胞水平)，提供更多有关sRNA生物合成的理论 (亚细胞层面)，并解码尚不清楚的sRNA的分子功能。而这些进展将随着测序、成像、跟踪、传感和在植物细胞和组织中传递sRNA的方法改进得以实现。
原文链接：
https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-arplant-070122-035226
转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号
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