miRNA在生物生长发育过程中起到的作用以及其作用机理

王昭元

摘要：miRNA基因是一类广泛存在于动植物体内的，长度在20bp左右的非编码RNA。这类基因可以通过剪切或抑制翻译的方式在转录后水平上调控下游目标基因的表达。miRNA虽然不能编码成蛋白，但其在生物的生长发育、逆境胁迫的响应等生物学过程中扮演重要的角色。本文通过对miRNA的形成机理、作用方式以及生物学功能这三个方面对其进行简要的阐述。

关键词：miRNA 生长发育 机理 调控

miRNA是近些年发现的能够在转录后水平上对下游基因的表达进行调控的非编码小RNA。目前的研究发现，miRNA在动植物的生长发育、响应逆境胁迫等生物过程中发挥重要的作用。最早的miRNA是在秀丽隐杆线虫中鉴定到的，将其命名为lin-4和 lin-7，随后研究人员在植物中也miRNA的存在。到目前为止，科研人员已经有数以万计的miRNA被鉴定到在不同的物种中，且随着对miRNA基因功能的深入研究，发现miRNA在动植物的生物学过程中扮演重要的角色[1-2]。

1、miRNA的生物合成过程

成熟的miRNA是初始转录物在一系列核酸酶经过剪切加工而形成的。虽然动植物中都存在miRNA，但其形成方式上存在很大的差异。在植物体内大多数miRNA基因在RNA聚合酶Ⅱ的作用下，形成初始转录物。转录形成的初始转录物经过折叠形成一段互补配对的茎环结构，并在双链结合蛋白HYL1和切割酶Dicer的作用下将初始转录物切割成长度大约在60-300bp左右的前体miRNA。含有茎环结构的前体miRNA再次经过Dice蛋白的剪切，形成长度在20bp左右的双链miRNA。双链miRNA分子在miRNA甲基酶的转移酶的作用下，在miRNA分子的3’末端进行甲基化修饰，这种修饰能够防止转移酶和聚合酶的活性。研究发现，成熟的miRNA都是以单链的形式来行驶功能的，其互补链一般情况下是不具备功能的，通常会被降解酶降解掉，但也有研究人员发现，其互补链同样具有miRNA的生物学功能。miRNA通过识别其下游靶基因的mRNA序列，并与AGO蛋白组成的沉默诱导复合物实现对靶基因mRNA序列的剪切或抑制翻译的调控作用[3]。

动物体内的miRNA都是以基因簇的形式存在的，因此众多的miRNA都是由同一个miRNA前体加工形成的。动物体内编码miRNA的基因也是在RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录形成5’端具有帽子结构以及3’端含有polyA尾巴的初始转录物。初始转录物经过折叠形成茎环结构，并在RNaseⅢ家族酶-Drosha的作用下被切割成长度在70-100bp的前体miRNA。前体miRNA在转运蛋白Exportin-5同源蛋白的作用下，被转运到细胞质中，再经过Dicer酶的切割作用形成双链miRNA，并在解链酶的作用下形成成熟的miRNA[4]。

2、miRNA的作用机理

经过加工形成的成熟miRNA在转录后水平上对其靶标基因的表达水平进行调控，其调控方式目前主要有两种，分别是通过形成沉默复合体对目标基因的mRNA序列进行切割，使其在降解酶的作用下被降解；或者通过识别目标基因序列，抑制核糖体对靶基因mRNA序列进行翻译。研究发现miRNA与靶基因mRNA序列的匹配程度对miRNA的调控机制起到决定作用。当miRNA与靶基因mRNA序列完全互补时，在与AGO蛋白等形成诱导沉默复合体，在复合体的作用下靶基因mRNA被切割。当两者序列互补程度较低时，miRNA通过抑制靶基因mRNA翻译成蛋白，从而达到降低其表达水平。大量的报道指出，由于植物体内的miRNA与靶基因mRNA互补程度较高，主要是通过剪切的方式进行调控。而动物体内miRNA与靶基因mRNA互补程度较低，其调控方式主要是抑制蛋白翻译[5]。

3、miRNA的生物学功能

miRNA作为一种重要调控因子，可以通过调控下游一个或多个目标基因的表达来参与生物学过程。到目前为止，越来越多的miRNA在动植物的生长发育、代谢、响应外界环境胁迫以及病原体侵染过程被相继发现，且这些过程中均发挥着重要的作用。

3.1、miRNA在生长发育过程中的发挥的作用

研究发现miRNA具有调节动植物生长的功能。大量的证据表明在植物根、茎、叶等组织的发育过程中均发现了miRNA参与其中。如在拟南芥中miR160通过调节其下游靶基因生长素响应因子基因ARF10、ARF16以及ARF17的表达，进而调节种子的萌发。此外，研究人员还发现过表达miR156的拟南芥植株，其叶片的数量增加，且开花的时间延迟，同时其顶端优势不明显。相似的报道在番茄中也被发现，当在番茄中过表达miR167a后，其下游的靶基因生长素响应因子ARF6和ARF8的表达量下降，从而导致番茄的花器官发育以及雌配子的育性出现异常。miRNA除了在植物的生长发育过程中发挥功能，在动物的生长过程中也具有重要的作用。Xu等通过对果蝇中miR-14的研究，发现miR-14被敲除后会导致细胞大量死亡，而过表达该基因会抑制细胞的死亡。Cheng等通过对哺育动物中参与细胞生长和凋亡的miRNA进行筛选，发现同一个miRNA在不同的细胞中对细胞的生长和凋亡的作用并不相同[8-11]。

3.2、miRNA在动植物响应逆境过程中发挥的功能

动植物在进化过程中会遇到各种不同的环境，为了适应各种不同的生长环境，动植物均进化出复杂的调控网络，而miRNA则在这个调控网络里面起着重要的作用。Lu等研究发现植物体内有多个保守的miRNA响应铜离子胁迫，如miR397、 miR398、 miR408和miR1444，且这些保守的miRNA基因的启动子区域都含有铜离子响应元件，转录因子SPL7通过与铜离子响应元件结合调控miRNA的表达进而调控植物体来响应铜离子逆境。目前在动物体内发现的大量miRNA在基因组上的定位都是与肿瘤相关，表明这些基因在肿瘤的形成过程中可能存在重要的作用。如Calin等研究发现大约65%的B-CLL患者细胞中的miR-15a与miR-16-1的表达量显著低于正常水平[12-13]。

参考文献

[1] 秦耀旭, 张关元, 刘司奇, et al. 植物重金属胁迫相关 miRNA 的研究进展[J]. 分子植物育种官方网站, 2019, 17(9).

[2] 王洁, 章嘉航, 孟秋峰, et al. 植物miRNA研究进展[J]. 宁波农业科技, 2019(3):25-28.

姓名：王昭元，性别：男，籍贯：山西，出生年月日：1998年02月16日，学历：本科，工作单位：海南师范大学生命科学学院，