大多数真核生物的细胞都可以产生几种不同类型的小干扰RNA。植物中关于多种RNA干扰途径可平行调控基因组的开创性工作,在近20年前发表在PLOS Biology上,为我们建立起了一个框架来理解这个过程。
在植物中,研究人员率先发现了RNA干扰这一可转变分子机制,后来证实这对动物也是必不可少的。RNA干扰的基本过程涉及一种小的非编码RNA,它与一种被称为Argonaute的蛋白家族中的成员协同作用,来调控一个目标mRNA,导致后者的沉默。小RNA的来源通常(但不总是)是一种称为Dicer的内切酶的活性。Dicer会切割双链RNA,释放出长度通常约为22核苷酸的短双链RNA,后者然后被输入Argonaute蛋白中用于基因沉默。RNA干扰的核心过程首先是在植物中被发现的,并被证实是一种抗病毒防御形式。双链RNA可以直接来源于RNA病毒;单链RNA病毒在复制周期中也会产生双链RNA。
后来,RNA干扰被证明可以用于调控内源性基因,并具有许多奇妙的特性。比如,细胞可以利用一种与RNA病毒类似的基因编码的RNA依赖性RNA聚合酶来放大RNA干扰反应。
RNA干扰还可以在组织间传播,来传递感染的威胁和用于内源性基因调控的沉默信号。
最引人注目的是,RNA干扰可以启动可以遗传多代的基因沉默:一种基因表达变化可以完全在DNA序列不变的情况下遗传多个世代。所有这些特征都是先在植物中被发现,后来被证实在动物中也是保守的。支持所有这些绚烂特性的一个关键属性是存在几种并行机制来处理和分隔RNA干扰的多种途径。实现这一点最概念直接的方式是通过具有专一性的同源基因。
早期就认识到植物中存在几种Dicer和RNA依赖性RNA聚合酶的同源基因;然而,一个2004年发表在PLOS Biology上的重大进展清晰地展示了这些同源基因确实是RNA干扰多样性的核心。 Xie等人分析了3个Dicer同源基因(DCL1、2和3)和3个RNA依赖性RNA聚合酶(RDR1、RDR2和RDR6)的突变体。这使他们能够阐明涉及小非编码RNA的3条独立途径的遗传需求。
首先,他们表明microRNA依赖DCL1但不需要任何RNA依赖性RNA聚合酶。其次,他们发现抗病毒RNA干扰途径依赖DCL2和RDR2,但不依赖RDR1。最后,他们显示内源性RNA干扰涉及DCL3。该模型的简化图示如图1所示。
尽管他们展示了这些途径之间有明显不同的遗传需求,但该论文也做出了一些对理解真核生物中的RNAi途径多样性非常重要的观察。
2004年,现今广泛使用的高通量测序方法还不可得。尽管如此,使用标准的克隆和测序技术,Xie等人能够看到单独突变具有广泛的效应,影响数百个内源性转录本的表达。这表明RNAi途径之间存在广泛的相互作用网络。此外,尽管他们确定了独特的遗传需求,但也清楚地表明这三条途径之间存在功能重叠。
例如,尽管抗病毒RNAi主要依赖DCL2,但dcl2突变体对某些病毒仍保持部分抗性,暗示DCL3可以部分补偿DCL2的缺失。
另一方面,尽管microRNA途径依赖DCL1,但dcl1突变体对某些microRNA仍保持野生型水平的表达。这表明在某些情况下,DCL3和DCL4可以处理DCL1途径中的前体。鉴于RNAi途径的这种相互依赖性,如何区分途径之间的界限就成为一个关键问题。Xie等人的研究为回答这个问题奠定了基础,即每个途径都依赖于一个“主要”的Dicer和RNA依赖性RNA聚合酶。尽管存在重叠,但这种依赖性提供了一个简单的模式来分类途径。
随后的工作利用这一框架,通过分析Dicer和Argonaute蛋白的专一性结合伙伴,以及它们处理的小RNA的特征,来进一步划分RNAi途径的多样性。Xie等人的这项开创性工作奠定了理解植物和动物中RNAi途径多样性的基础。它表明存在多条并行途径,每个途径都依赖于一个“主要”的核心蛋白。它还展示了这些途径之间存在复杂的相互作用网络。这些概念仍然指导着当今对eukaryotic RNAi的研究。
这项研究对RNAi途径的分类做出了重大贡献,但它也提出了许多新的问题。例如:
- 小RNA分子之间存在何种相互作用?
一个途径中的小RNA如何影响其他途径?
- 不同途径之间信息流通如何协调?
例如病毒感染如何引发内源性基因沉默?- 不同途径之间的功能重叠意味着什么?它们之间存在竞争吗?
- RNAi途径的进化历史是什么?
不同途径是如何出现并保留下来的?- 不同细胞类型中途径的相对重要性如何?
不同途径在不同发育阶段或应激条件下的表达模式如何
?
- 核心蛋白(如Dicer和Argonaute)的活性和专一性如何规定的?它们如何与特定的小RNA结合?
- RNAi途径如何与其他基因调控机制(如DNA甲基化)交互作用?
这些问题的许多尚未完全阐明,但Xie等人的工作无疑奠定了探索这些问题的基础。随后的研究充分利用了分子生物学和基因组学的新工具来深入揭示这些RNAi途径。
从长远来看,这项研究开启了一个全新的领域,即利用小RNA调控基因表达的多样性和复杂性。它使我们更好地理解了这种调控的强大功能,以及它如何帮助植物和动物适应其不断变化的环境。
参考信息：
https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002279
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