Planting the seeds for a forest of RNAi pathways

大多数真核生物物种的细胞都会制造几种不同类型的小干扰 RNA。近 20 年前，发表在《PLOS Biology》上的植物研究成果为了解多种 RNA 干扰途径如何并行调节基因组建立了一个框架。

植物 "不会跑 "是许多论文开头重复的陈词滥调。另一方面，植物研究人员的行动确实非常迅速，当他们把分子生物学推向令人兴奋的新领域时，常常把动物生物学家远远甩在后面。值得注意的是，尽管两类生物在进化上有着非同寻常的距离，多细胞性的进化也完全不同，但在植物中取得的许多发现后来却在概念上与动物相似，甚至是同源的。

RNA 干扰（或 RNAi）就是一个显著的例子，植物 "捷足先登"，发现了一种对动物也至关重要的变革性分子机制。RNAi 的基本过程涉及一种小的非编码 RNA，这种 RNA 与一种被称为 Argonautes 的蛋白质家族的成员共同调节目标 mRNA，导致其沉默。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 切割双链 RNA，释放出长度通常在 22 个核苷酸左右的短双链 RNA，然后将其送入 Argonaute 蛋白进行沉默。

图 1.不同Dicer蛋白在植物RNAi通路中的作用

RNAi 的核心过程最早是在植物中发现的，并被定性为一种抗病毒防御形式。双链 RNA 可能直接来自 RNA 病毒；单链 RNA 病毒在其复制周期中会产生双链 RNA。后来，RNAi 被证明可以调节内源基因，并具有许多奇妙的特性。其中一个特性是，细胞能够利用基因组编码的 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（类似于 RNA 病毒用于复制的聚合酶）放大 RNAi 反应。RNAi 还能在组织间传播，传递感染威胁和内源基因调控的沉默信号。最引人注目的是，RNAi 可以启动可跨代遗传的沉默：跨代表观遗传，即基因表达的改变可以在 DNA 碱基序列完全不变的情况下遗传多代。所有这些特征都是在植物中发现的，后来证明在动物中也得到了保留。

支撑所有这些特征的关键特性之一是存在几种并行机制来处理和分割 RNAi 的多种途径。从概念上讲，最直接的方式就是通过具有专门特异性的旁系亲属来实现。很早以前，人们就认识到植物含有多个 Dicer 和 RNA 依赖性 RNA 聚合酶的旁系亲属；然而，2004 年发表在《PLOS Biology》上的一项重大进展才清楚地证明，这些旁系亲属确实是 RNAi 多样性的核心。Xie 及其同事分析了四个 Dicer 准同族体中的三个（DCL1、2 和 3）和三个 RNA 依赖性 RNA 聚合酶（RDR1、RDR2 和 RDR6）的突变体。这使他们能够确定涉及小非编码 RNA 的三个独立途径的遗传要求。首先，他们发现，microRNA（一类基因组编码的小型非编码 RNA，与 Argonautes 结合，参与调控规范蛋白编码基因）依赖于 DCL1，但不需要任何 RNA 依赖性 RNA 聚合酶。其次，他们发现 RNAi 的抗病毒途径依赖 DCL2 和 RDR2，但不依赖 RDR1。最后，他们发现内源性 RNAi 涉及 DCL3。

除了显示这些途径有不同的遗传要求外，论文还提出了一些重要观点，这些观点对于理解真核生物中 RNAi 途径的多样性具有先见之明。2004 年，高通量测序方法尚未普及。尽管如此，Xie 及其同事利用标准的克隆和测序技术，检测了与 DCL3 途径相对应的 1000 多种不同的内源性小非编码 RNA。他们发现，这些 RNA 的平均长度为 24 个核苷酸，而抗病毒小非编码 RNA 的平均长度为 22 个核苷酸。因此，不同类型的小非编码 RNA 具有不同的生物发生机制和不同的序列特性，这已被证明是 RNAi 和相关小 RNA 途径的一个极其普遍的特征。此外，通过分析还可以发现，DCL3 衍生的内源性小非编码 RNA 在序列上与转座元件非常相似。事实上，他们还确定，在缺乏这些内源小非编码 RNA 的突变体中，沉默转座元件的关键基因 CHH 和 CHG 位点上的胞嘧啶 DNA 甲基化消失了，这暗示了小非编码 RNA 可能有助于转座元件沉默的潜在转录机制，表明小非编码 RNA 可能具有细胞核和细胞质功能。

还有许多空白有待填补。我们现在知道，RDR1、RDR2 和 RDR6 在一定程度上都有助于病毒防御。Xie 及其同事没有研究第四个 Dicer，即 DCL4，结果发现它能产生 21 核苷酸的 siRNA [9]。此外，还有一些由 DCL2 产生的 22 个核苷酸长的内源性小非编码 RNA，与抗病毒途径类似，但以内源性基因为靶标。在其他生物中，并不总能看到将二聚体明确划分为不同途径的情况。例如，在线虫秀丽隐杆线虫中，一种二聚体酶可进行抗病毒 RNAi、内源 RNAi 和 microRNA 的生物生成，并由辅助因子和不同的下游 Argonaute 蛋白来划分这些途径。事实上，一些 RNAi 途径共享某些成分已被证明是调节其活性的重要途径。尽管如此，对小 RNA 的大小、其基因成分以及它们是否是 microRNA、内源性 siRNA 和外源性 siRNA 进行分类，已被证明是了解这些迷人的分子途径的一个非常有效的总体框架。

从我个人的角度来看，我对小非编码 RNA 通路的进化方面的兴趣可以追溯到谢国忠及其同事的开创性实验。虽然他们是在一个物种中研究 RNAi，但在同一个细胞中往往存在多种途径共存的现象，这就强调了 RNAi 的进化可塑性。旁系亲属的专业化意味着，一条共同的祖先 RNAi 通路（可能涉及一个 Dicer、一个 RNA 依赖性 RNA 聚合酶和一个 Argonaute）可以迅速进化，动物中会出现转座子控制 piRNA 等新通路，而在不同种系中，蛋白质编码基因调控等新功能也会独立进化。这种可塑性还包括基因缺失，如动物中依赖 RNA 的 RNA 聚合酶的频繁缺失（尽管它是祖先的），以及 RNAi 途径弥补线虫中 piRNA 频繁缺失的能力。当然，我们仍然不知道的是，与其他高度保守的基因调控途径相比，为什么一些小型非编码 RNA 途径，特别是 piRNA 和使用 RNA 依赖性 RNA 聚合酶的 RNAi 途径，似乎进化得如此之快。也许这需要另一篇开拓性的《PLOS Biology》论文来揭开谜底！

原文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002279