植物中miR160miR167miR390家族及其靶基因研究进展

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第38卷㊀第3期2014年5月
南京林业大学学报(自然科学版)
JournalofNanjingForestryUniversity(NaturalSciencesEdition)
Vol.38,No.3May,2014
doi:10.3969/j.issn.1000-2006.2014.03.030
㊀收稿日期:2013-10-12㊀㊀㊀㊀修回日期:2014-02-02
㊀基金项目:国家自然科学基金项目(31100484);江苏省高校自然科学研究重大项目(13KJA220002);国家高技术研究发展计划(2013AA102703)
㊀第一作者:杨春霞,博士生㊂∗通信作者:黄敏仁,教授㊂E⁃mail:mrhuang@njfu.edu.cn㊂
㊀引文格式:杨春霞,胥猛,王明庥,等.植物中miR160/miR167/miR390家族及其靶基因研究进展[J].南京林业大学学报:自然科学
版,2014,38(3):155-159.
植物中miR160/miR167/miR390家族及其
靶基因研究进展
杨春霞1,2,胥㊀猛1,王明庥1,黄敏仁1∗
(1.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏㊀南京㊀210037;2.江西省林业科学院,江西㊀南昌㊀330013)摘要:microRNA(miRNA)是真核生物中广泛存在的一类长21 23个核苷酸的非编码RNA分子,通过与靶基因
mRNA的特异结合调节基因转录后表达,在调控细胞周期㊁生物体发育时序等方面起重要作用㊂miR160㊁miR167和miR3903个miRNAs家族均为靶向ARF(AuxinResponseFactor)基因家族,预示着它们在行使调控功能的过程中既有相似性又有特异性㊂笔者详细阐述了miR160/miR167/miR390在植物发育过程中的调控作用及与其靶基因之间的相互调控关系,发现miR160/miR167/miR390均在植物生长发育过程中发挥重要的作用,但miR160则侧重于调控胚胎和根的发育,miR167侧重于调控植物花和果实的发育,而miR390则对植物横向器官的发育具有调控作用,并且,miR160/miR167/miR390与其靶基因之间存在反馈调节作用㊂关键词:microRNA;靶基因;沉默复合体;植物生长发育中图分类号:Q522㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A
文章编号:1000-2006(2014)03-0155-05
AdvanceonmiR160/miR167/miR390familyanditstargetgenesinplants
YANGChunxia1,2,XUMeng1,WANGMingxiu1,HUANGMinren1∗
(1.CollegeofForestResourceandEnvironment,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;
2.JiangxiAcademyofForestry,Nanchang330013,China)
Abstract:MicroRNA(miRNA)isendogenousandnon⁃codingsmallRNAwith21-23nucleotides,anditwidelyexitsineukaryotes.MiRNAsrepressgeneexpressionatposttranscriptionallevelbyactingonnear⁃perfectcomplementaryse⁃quencesinmRNAcodingregiontoguidecleavageandtranslationalrepression,anditplaysanimportantroleinregula⁃tingcellcycleanddevelopmenttimingofbiology.ThreemiRNAfamiliesincludingmiR160,miR167andmiR390alltar⁃getingtoARF(Auxinresponsefactor)genefamilyhavebeenreviewed,andwhichindicatesthattheyfulfilthesimilaranddifferentialfunction.Forexample,miR160/miR167/miR390playsanimportantroleinplantdevelopment.ButmiR160focusesonregulatingembryoandrootdevelopment,miR167focusesontheregulationofflowersandfruitdevel⁃opment,andmiR390hasremarkableeffectonregulatingplantlateralorgandevelopment.Moreover,feedbackregulationexistsbetweenmiR160/miR167/miR390andtheirtargetgenes.
Keywords:microRNA;targetgene;RNA⁃inducedsilencingcomplex(RISC);developmentofplant
㊀㊀植物生长发育由一系列蛋白和植物激素决定,而这些蛋白的表达水平直接或间接受非编码RNAs(non⁃codingRNAs,ncRNAs)调控[1],近年来研究最热的ncRNAs是一类长度为20 24nt的小分子RNAs(smallRNA,sRNAs),通过介导转录基因沉默(TGS)或转录后基因沉默(PTGS)发挥重要
的调控作用[2]㊂sRNAs分为3类:miRNA(microR⁃
NA)㊁siRNA(shortinterferingRNA)和piRNA(piwi⁃inerferingRNA),植物中sRNAs主要指miRNAs和siRNAs㊂miRNAs和siRNAs在片段长度㊁作用机制等方面极为相似,但二者也存在很多不同点,如miRNA为内生,siRNA为外源;miRNA由发夹结构
南京林业大学学报(自然科学版)第38卷
的前体pri⁃miRNA加工生成,siRNA则由双链RNA(dsRNA)转变生成;siRNAs与靶基因完全互补配对结合,形成沉默复合体,miRNAs与靶基因之间允许有错配存在等[3]㊂纵观近几年研究成果,植物miRNAs越来越受到研究者的青睐,特别是发现植物miRNAs可以进入人体血液和组织器官[4]以后,对植物miRNAs研究显得尤为重要㊂
1㊀植物中的miRNAs
miRNAs普遍存在于植物中,模式植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)中发现有338个,大豆(Glycinemax)中有555个,油菜(Brassicanapus)中有92个,毛果杨(Populustrichocarpa)中发现有369个,随着科学技术的不断发展,在植物中会有越来越多的miRNAs被证实(http://www.mirbase.org/cgi-bin/browse.pl?org=ath)㊂miRNAs生物合成及作用机制在植物中已基本被证实,以拟南芥中的研究最为透彻(图1),miRNAs通过与其靶基因互补结合,形成RNA基因表达沉默复合体RISC(RNA⁃inducedsilencingcomplex),剪切靶基因或抑制翻译,实现转录后表达调控[5]㊂动物中miRNAs与其靶基因互补区主要在3ᶄ-UTR不同[6],植物中miRNAs与其靶基因的互补区多在ORF框,部分在3ᶄ-UTR区[7],很少在5ᶄ-UTR区[8]㊂但Lytle等[9]研究也发现,除3ᶄ-UTR外,5ᶄ-UTR及其他序列可能也是miRNAs识别的靶序列,这种生物现象主要是为了更快捷地实现翻译抑制作用㊂水稻中miR⁃NAs与靶基因的互补区61.7%位于ORF,22%位于3ᶄ-UTR,16.3%位于5ᶄ-UTR[10]㊂
miRNAs在植物中具有高度保守性㊁时序性和组织特异性,参与生长发育中一系列重要进程,包括调控叶形态发生和极性[11-12]㊁花的分化和发育[13]㊁根的形成和发育[14]及植物幼年期到生殖期转变[15]等㊂此外,miRNAs在植物对外界环境响应方面也发挥着重要的调控作用,如干旱胁迫[16]㊁根瘤发育[17]及病毒入侵[18]等㊂miRNAs发挥调控作用与其靶基因密切相关,因此,预测和验证miRNAs的靶基因是研究其调控功能的重要手段㊂但研究发现,miRNAs与其靶基因之间并非一一对应关系,一个miRNA可能对应多个靶基因,多个miRNAs也可能对应同一靶基因或同一家族内不同靶基因,如miR160㊁miR167及miR390家族的靶基因为ARF(Auxinresponsefactor)基因家族的不同基因,ARF基因家族编码一类响应生长素信号的转录因子ARF,参与调控植物生长发育过程㊂2㊀miR160家族及其靶基因
2.1㊀miR160家族
所谓miRNA家族指来源于不同位点的前体序列经过加工可以产生相同或相似的miRNA成熟序列,依据发现时间的先后顺序依次编号为a㊁b㊁c等㊂虽然不同miRNAs家族大小不同,但多数miR⁃
NAs家族在进化过程中比较保守,这种高度的保守性被认为与其功能的重要性有密切关系㊂同一miRNA家族在不同物种数目不同,miR160家族在拟南芥中有3个成员,分别为miR160a㊁miR160b和miR160c,在烟草(Nicotianatabacum)㊁水稻㊁玉米㊁大豆㊁毛果杨等物种中的数目分别有4㊁6㊁7㊁6㊁8成员(http://www.mirbase.org/cgi-bin/browse.pl?org=ath)㊂miR160家族具有组织特异性表达,miR160在烟草花蕾和维管束中表达,而在嫩叶和种子中检测不到表达信号[19]㊂
2.2㊀miR160家族的靶基因
Rhoades等[20]于2002年已在拟南芥中证实miR160家族的靶基因为ARF10㊁ARF16和ARF17㊂2005年,Mallory等[21]在拟南芥中过表达ARF17基因突变体(miR160⁃resistant),植物体内ARF17mRNA的表达水平明显提高,且改变了下游基因GH3类基因mRNA积累水平,进一步证实了ARF17是miR160的靶基因;同年,Wang等[22]在拟南芥中发现过表达miR160与arf10arf16双突变体相比出现了相似的表型,进一步验证了ARF10和ARF16是miR160的靶基因㊂除了拟南芥外,在杨树等多种植物中均已证实miR160家族的靶基因为ARF[23],这从侧面暗示miR160家族与植物生长发育密切相关㊂2.3㊀miR160及其靶基因的调控作用
㊀㊀miR160家族靶向ARF基因,参与生长素信号传导途径,在植物生长发育过程中发挥着重要的调控作用㊂首先,调控植物地上部分生长发育,拟南芥中miR160靶向ARF17参与了生长素信号传导途径,影响其胚胎和根发育㊁营养生长及生殖生长[21];拟南芥中miR160靶向ARF10,在种子萌发及萌发后发育的调控过程中起关键作用,过表达MIR160的转基因种子在萌发中降低了对ABA的敏感性,而过表达miR160靶基因同义突变体(mARF10),转基因拟南芥种子和植物均表现对ABA敏感性,另外表型也发生变异,如锯齿状叶㊁卷曲的茎㊁发育异常的花和果等[24]㊂在拟南芥中还发现,miR160a负调控靶基因ARF16和ARF17,影响拟南芥胚胎发育[25]㊂随着研究的深入,其他
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㊀第3期杨春霞,等:植物中miR160/miR167/miR390家族及其靶基因研究进展
植物中miR160与其靶基因之间的调控作用逐渐
被证实㊂番茄中miR160a靶向ARF10的同源基因slARF10,番茄miR160a对slARF10的抑制会影响植物的叶片的长出和早期果实的发育[26]㊂其次,miR160及其靶基因在植物根生长发育中也发挥着重要的调控作用㊂miR160通过剪切靶基因ARF16
和ARF10使其降解,调控根尖生长及向地性,在拟
南芥中过表达miR160c会导致根尖发育缺陷[24]㊂在单子叶植物水稻中也发现类似现象,转基因水稻中过表达miR160,根尖发育异常,说明miR160调控水稻根冠发育[27]㊂最后,miR160还参与植物生物胁迫过程,在感染烟草花叶病毒的大豆中,miR160的表达明显上调[28]㊂综上可知,miR160参与调控植物生长发育及生物胁迫等多个方面,其在不同植物中的潜在调控作用尚待进一步挖掘和验证㊂
3㊀miR167家族及其靶基因
3.1㊀miR167家族
miR167家族是较miR160家族更大的一个家族,根据最新的miRBase数据库统计,miR167家族在拟南芥㊁烟草㊁水稻㊁玉米㊁大豆㊁杨树等植物中的基因数量分别为4㊁5㊁10㊁10㊁10㊁8,miR167家族比较保守,根据其序列可以预测miR167家族在其他植物中的数量[29]㊂miR167表达具有组织特异性,在烟草的嫩叶㊁花蕾㊁维管束及未成熟的种子中均有较高表达,而在烟草花和营养器官的分生组织中表达量则较低㊂miR167与miR160相比,组织表达特异性存在一定差异,特别是在子房发育过程中差异更明显,miR167在胚珠和胎座维管束有高水平表达,而miR160只在胚珠高水平表达,在子房其他组织中则无表达信号[19],说明miR167和miR160在调控植物生长发育过程中既具相似性,又具特异性㊂
3.2㊀miR167家族的靶基因
miR167的靶基因为生长素响应因子ARF基因家族中的ARF6和ARF8[30]㊂ARF6和ARF8主要调控植物花和果等发育过程,ARF8负调控果实的形成[30],在拟南芥和番茄中ARF8突变均可导致单性结实[31],ARF8还可与bHLH转录因子相互作用,共同调控花瓣生长[32]㊂ARF8和ARF6也可共同作用,在拟南芥中调控茉莉酸合成和花器官发育[33]㊂3.3㊀miR167及其靶基因的调控作用
miR167的功能与其靶基因密切相关,故miR167的主要功能是调控花发育㊂拟南芥中,miR167靶向ARF6和ARF8调控拟南芥雄蕊和雌蕊成熟[33];过表达miR167可引起生育缺陷,且过表达miR167b的转基因植株表型与arf6/arf8双突变表型相似,表现为花丝变短,花药不能正常释放花粉,花粉没有发芽能力等[34];在拟南芥中将靶基因与miR167互补位点同义突变后转入植物,ARF6/ARF8表达量明显升高,miR167表达量没有变化,胚珠发育受阻,且花药发育异常,花粉不能正常释放,说明miR167在调控拟南芥胚珠和花药可育性方面具有重要的作用[35]㊂除了拟南芥外,在水稻中也发现miR167负调控ARF8,影响其花发育[36]㊂此外,miR167及其靶基因在调控植物果实发育㊁根延伸㊁抗病及植株株型等方面也具有重要的作用㊂
miR167与其靶基因ARF6和ARF8之间存在反馈调节作用,ARF6激活miR167表达,ARF8抑制miR167表达,它们之间的彼此激活或抑制作用调控着不定根的形成[37]㊂Meng等[38]在水稻中运用一种新型生长素抗性突变体(osax),发现miR167不仅靶向OsARF6和OsARF8,而且OsARF基因与miR167家族之间也存在反馈调节㊂
4㊀miR390家族及其靶基因
miR390家族是一个古老家族,在进化过程中高度保守,这与miR390家族在植物中的重要调控作用密不可分㊂miR390家族成员较少,在模式植物拟南芥中仅发现2个(miR390a和miR390b)㊁水稻中发现1个(miR390a)㊁玉米中发现2个(miR390a㊁b),木本植物毛果杨中发现4个(miR390a㊁b㊁c㊁d)㊂miR390家族的靶基因虽为ARF基因家族,但它却不是直接靶向ARF基因(这与其他miRNAs作用方式不同),而是通过切割靶基因TAS产生许多片段,这些片段在一系列RNA酶作用下,形成21nt双链RNA,即tasiRNAs,这些tasiRNAs在拟南芥中靶向ARF2㊁ARF3和ARF4,参与植物生长发育调控[39-40]㊂
miR390靶向TAS3基因,产生tasiRNA产物,抑制靶基因ARF2/ARF3/ARF4表达,从而引起植物一系列表型变化㊂miR390/tasiRNA/ARF在叶等器官的极性发育[41]及生长时期的转变[42]等方面具有重要的调控作用,特别对植物横向器官发育调控尤为明显㊂以侧根发育为例,miR390/TAS3/ARF2/ARF3/ARF4能定量控制侧根的生长,并且,ARF2/ARF3/ARF4是miR390表达所必需的,即ARF与miR390之间存在反馈调节[43]㊂Yoon等[44]研究小组也发现miR390/TAS3/ARF之间的
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南京林业大学学报(自然科学版)第38卷
反馈调节机制,miR390对外源植物激素比较敏感,
经激素处理后,miR390通过直接剪切靶基因TAS3,进而产生tasiRNA产物,靶向ARF4,在拟南芥侧根发育中发挥重要作用;同时还发现ARF4抑
制了miR390的表达,进而抑制了tasiRNA产物的
形成,形成了一个反馈调节网络来调控侧根生长㊂
然而,这种调控作用在植物中并不完全保守㊂在水
稻过表达Osta⁃siR2141植株中,虽然植株出现了表
型缺陷,如异常的顶端分生组织及营养阶段发育迟
缓等,但根表型却没有产生明显的变化[45]㊂因此,在不同植物中,miR390-TAS3-ARF调控途径在植
物生长发育过程中是否发挥着相似的调控作用尚
待进一步验证㊂
5㊀展㊀望
microRNAs是一类內源的非编码RNAs,在植物生长发育过程中发挥着重要的调控作用,如花器官发育㊁叶子形态发生㊁根形成及微管发育等㊂文中概述的miR160㊁miR167及miR3903个家族的靶基因均为ARF基因家族,它们通过与ARF基因互相作用从而调控植物生长发育过程,并且该调控途径与生长素信号传导密切相关㊂不同的miRNAs靶向同一个家族的基因,暗含着它们之间的功能既具重合性,又具特异性,如miR160和miR167均可调控不定根发育,miR167的靶基因ARF6和ARF8作为正调控因子参与不定根的形成,而miR160的靶基因ARF17则负调控不定根的形成[37]㊂同时,miR167具有调控植物花可育性的特异性[33],而miR160则特异性调控根冠发育[22],并且,miRNAs可与其靶基因之间存在反馈调节作用,如miR390与ARF4之间的反馈调节网络参与侧根形成[44]㊂随着研究的深入及技术不断发展,研究者不断发现miRNAs的潜在靶基因及其功能,Kinoshita等[46]在拟南芥中发现miR167新的靶基因IAR3(IAA⁃AlaResistant3),该基因编码一种酶蛋白,可水解无活性的植物生长素,释放有生物活性的植物生长素,在高渗透胁迫下调控拟南芥根构型变化㊂纵观以往的研究成果,植物中miRNAs的靶基因多数为转录因子,它们参与的调控网络远比人们想象中复杂,植物的某一性状不可能是单一基因甚至是单一调控网络作用的结果㊂因此,笔者仅从3个miRNAs家族及其靶基因很难阐明植物发育机理,还需去挖掘其他miRNAs,甚至其他调控因子来揭示植物发育过程㊂今后还有大量的工作需要去做,如研究的重点将偏向miRNAs新功能挖掘㊁miRNAs靶基因预测及验证㊁调控机制及与其他非编码RNAs(如longnon⁃codingRNAlncRNA和siRNA)之间相互作用等㊂
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(责任编辑㊀刘昌来)
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