植物和动物miRNAs的进化起源

  摘要： 

  小RNA（miRNA）是一类独特的短内源性RNA，主要在转录后水平参与基因调节，对于植物和动物等真核生物的正常发育和生理至关重要。以前人们认为miRNA在不同的物种中独立进化，但是最近的证据表明这些物种最后的共同祖先可能已经使用miRNA用于转录后调节。本综述介绍了miRNA途径在各种真核生物中的共性和差异，并讨论了它们可能的进化起源以及它们和机体复杂性、多细胞结构的联系。  

  小RNA（miRNAs）由发夹转录物产生的短的（约21-24个核苷酸（nt）），内源性的单链RNA，可调节基因表达。miRNA通过与靶标mRNA互补结合，抑制基因表达，从而介导翻译抑制、降解或裂解。它和短的干扰RNA（siRNA）、与PIWI相互作用的RNA（piRNA）同属于功能性小RNA。虽然siRNA和miRNA有某些共同特征，并且都由核糖核酸酶Dicer产生，但它们负责不同的细胞任务，并且可以通过独特的特征彼此区分（图1）。  

  小RNA最早是二十多年前在果蝇中发现，miRNA在多种生物过程中起作用并且对于动物和植物的正常发育是必需的。在动物进化过程中，miRNA数量的显着上升且参与调节发育，可能促进动物复杂性进化。植物和动物中miRNA家族之间缺乏序列同源性，且miRNA的生物发生和作用模式有差异，因而人们认为miRNA在不同的物种中独立进化。然而，最近关于植物和动物miRNA的研究意外地提出了旧的问题：所有动物的共同祖先是否具有miRNA？植物和动物的miRNA是否有共同的起源？miRNA有多少次进化？

  miRNA和siRNA之间的差异。  

  a，miRNA和siRNA前体和双链体的图示。miRNA通常由在茎区携带错配的短发夹产生，而siRNA是由茎区完全互补的长发夹产生。miRNA前体通常产生单个双链体，而siRNA前体会产生多个双链体。  

  b，pre-miRNA序列的小RNA轮廓。具有显性引导链（成熟miRNA）和可忽略过客链（miRNA *）的同源产物。  

  c，siRNA前体序列的小RNA轮廓。这个siRNA基因座最初被注释为miRNA，但随后确定为siRNA，因为它可以产生多个小RNAs。

  1、 不同物种之间的miRNA序列同源性。  

  miRNA的早期系统发生比较，表明两侧对称动物中有超过35个保守的miRNA家族，并且保守模式似乎与系统发育相关。于是大家认为miRNA一旦发生就很少丢失。因此，在动物和植物miRNA之间没有检测到序列相似性，它们被认为是独立进化的。在陆生植物和绿藻之间没有检测到共有的miRNA，表明这两个植物界的主要组中miRNA途径有共同起源（图2）。然而，一个新的研究，注释苔类的小RNA，显示有三个miRNA与绿藻高度相似。因此，需要从每个门取许多物种，才能较好研究miRNA的序列保守程度。此外，测序深度较浅以及忽略某些发育阶段和环境条件，可能会掩盖生物体的完整miRNA，并因此可能掩盖同源性。

  目前普遍的看法是动物和植物的miRNA途径逐渐进化。这意味着miRNA通路独立地进化至少9次（在两侧对称动物和腔肠动物中，图2）。推测：植物和非对称动物的序列周转率较高，在当代谱系之间没有共享的miRNA序列。植物miRNA基因形成和丢失比率较高，因此只有少数表达的miRNA在远缘植物谱系中保守。阿拉伯芥和深山南芥小RNA的比较显示，33％的miRNA家族在两个物种之间不保守，可能在它们变异后的?1000万年（Myr）期间获得或丢失。绿藻中miRNA的序列周转率也较高，在大约2亿年前分离的两个绿藻（衣藻和团藻）中只保留了一个miRNA。

  主要真核生物的系统发生树，显示miRNA系统性存在。已知具有miRNA的组以粗体显示。红色数字从上到下是miRNA系统逐渐演变的最大次数。

  2、 miRNA在真核生物中的进化。  

  对称动物与植物相比保留了许多保守的miRNA家族。在非对称植物中，扁盘动物和栉水母不具有miRNA，而在海绵中至今也只有八个miRNA被识别。  

  最近对海葵几个发育阶段的小RNA的研究中，发现了87个miRNAs。其中，miR-9422包括拟南芥miR-156a的种子序列。海葵和拟南芥miRNA之间的序列同一性的机会非常小，因此序列相似性不太可能随机发生。miR-9422可能是动物和植物之间保守的miRNA，推测miRNA遗传自两组的共同祖先。

  3、 miRNA的起源能否鉴定通路的起源？ 

  miRNA作为初级发夹（pri-miRNA）合成，并通过切割发夹茎、发夹环，加工成pre-miRNA。接下来，将它们装载到Argonaute（AGO）蛋白上，选择一条RNA链用于互补靶mRNA抑制或裂解。 

  在动物中，第一步由RNA结合蛋白Pasha（脊椎动物中是DGCR8）和RNAse III Drosha组成的特异性微处理器复合物进行，而切割的第二步由RNAse III Dicer进行。在植物中，Dicer同源物——DICER-LIKE 1（DCL1）负责miRNA成熟所需的两种加工事件。  

  在植物中，DCL1的两个加工步骤发生在细胞核中，在动物中由Drosha进行的第一步骤发生在细胞核中，Dicer的第二切割发生在细胞质中。  

  在植物和动物中，Dicer需要蛋白质伴侣，以准确切割pre-miRNA。植物中，DCL1由RNA结合蛋白Serrate（SE）和HYPONASTIC LEAVES1（HYL1）辅助，两者对miRNA生物发生和发展至关重要。SE同源物——Ars2，在动物中作为Dicer的辅助蛋白。 

  植物和动物中的miR / miR *双链体是相似的：它们?22nt长，两条链之间具有不完全的互补性，具有2-nt的3'突出端。 

  动物与植物miRNA基因的位置不同。大约30％的动物miRNA基因位于内含子中。而目前在植物中仅知道三个内含子miRNA。  

  在植物和动物中，小RNA与靶RNA的互补结合诱导小RNA的降解。通过甲基转移酶Hua增强子1（HEN1）进行的3'末端的2'-O-甲基化，保护动物的生殖细胞中的siRNA和piRNA不被降解。在植物中，HEN1负责siRNA和miRNA的甲基化，而对称动物miRNA不进行这种修饰。还发现HEN1在海葵的整个身体中表达，不仅在生殖细胞中表达。此外，高碘酸盐处理证明海葵大部分的miRNA是甲基化的，类似于植物。可以推测，动物和植物的共同祖先具有甲基化的miRNA，可能是由于miRNA和它们的靶之间的高互补性丧失而丢失。 

  描述植物和动物miRNA生物起源的途径。 

  类似功能的同源物（如动物的Ars2和植物的Serrate）以相同的颜色表示。

  4、 植物和动物之间miRNA作用模式不同。 

  在植物和动物中，siRNA和miRNA需要一类AGO蛋白来实现基因调节的功能。AGO蛋白质在古细菌、细菌到真核生物中都是保守的。植物miRNA靶标结合需要miRNA与其靶标之间几乎完全互补，导致对少数靶标产生较大影响。而对称动物中，每个miRNA潜在地调节大量靶标，因为miRNA-mRNA识别仅需要位于miRNA的2-8位的7个核苷酸的种子序列。与植物不同，绝大多数动物AGO不诱导miRNA靶切割。而动物RISC通过阻断翻译起始或延伸、或去腺苷化，诱导靶标的翻译抑制。  

  陆生植物和对称动物中miRNA网络拓扑的示意比较。实线代表miRNA通过种子序列匹配（对称动物）或几乎完全互补（陆生植物）抑制靶标。虚线表示靶标和miRNA的相互影响。

  5、 miRNA和复杂生物的进化。  

  在动物和植物中，miRNA的基因调节使生物体具有更复杂的基因调节网络。有人提出，miRNA的相对数目与生物体形态复杂性相关。例如，海葵和人类分别拥有约80和约500-1,000个miRNA。人类miRNA的高丰度表明，尽管它们的基因组和蛋白质编码基因的高相似性，人类比相对简单的海葵演化出更复杂的体形和细胞类型多样性。

  结论：  

  本综述提出了植物和动物中miRNA的共同起源。鉴于miRNA序列的快速更新和植物动物中miRNA的显着丧失，可能植物和动物的最后共同祖先确实具有miRNA系统（图5）。 

  一些真菌缺乏经典的RNAi组件、扁盘动物门缺乏Pasha（DGCR8），表明miRNA系统可能有某些蛋白质丢失机制（图5）。 

  植物和动物中miRNA进化的可能情况，最后的共同祖先有miRNA系统。  

  蛋白质、性状的外观和损失描述在相关分支上。

  参考文献：  

  The evolutionary origin of plant and animal microRNAs.  

  NATURE ECOLOGY & EVOLUTION-2017