Nature Plants | 小RNA的神奇之旅

近日，Nature Plants杂志发表了苏黎世联邦理工学院Olivier Voinnet实验室的研究论文，题目为Movement and differential consumption of short interfering RNA duplexes underlie mobile RNA interference。

在大多数生物体中，小RNA通过抑制基因表达，在基因调控中发挥着关键作用。它们通过靶向和对接基因转录本（也是RNA）的互补序列来实现这一目的，从而阻止细胞器使用它们来制造蛋白质。这种机制被称为RNA干扰(RNAi)，它在生物学中至关重要。值得注意的是，RNAi现象不一定局限于单个细胞，它还可以在远离原发细胞的其他组织和器官中表现出来。研究人员主要是在植物中观察到的，但在"低等"动物中也能观察到，如线虫。

排除了蛋白质和DNA

不过，有一个关键问题至今仍未得到解答：哪种信使物质能穿越细胞和组织？苏黎世联邦理工学院RNA生物学教授Olivier Voinnet指出：多年前，一旦发现RNAi可以在植物中传播，我们就可以排除蛋白质。RNAi需要信使与基因转录本的互补序列对接才能被沉默。单靠蛋白质是没有这种能力的。离开细胞核的DNA也不太可能。最可能的候选人一直是RNA分子。到目前为止，一直不清楚的是RNA的精确类型和形式--长的、短的、单链或双链的，与蛋白质结合或不结合。

双链片段传得很远很广

但现在，苏黎世联邦理工学院的研究人员在一项新的研究中揭示了这个过程。他们是第一个明确证明植物中的这些远距离信使是短的双链RNA分子。这些由一对(或双链)只有21到24个核苷酸组成，称为小干扰RNA，简称siRNA。siRNA通常以庞大而复杂的种群形式从感染细胞的病毒基因组中出现。但细胞自身的基因也可以作为这些分子的蓝本。因此，细胞不仅可以利用RNAi来沉默入侵的病毒，还可以沉默自己的基因。由于RNAi可以移动，植物具有惊人的能力，可以远距离调控基因的表达。这对于它们不断适应新的生长，实现所谓的"表型可塑性 "可能尤为重要。

相同的信号解释了SSRNAi的长距离和细胞到细胞的移动

由内源性倒置重复引发的RNAi的长距离和细胞间运动

移动还是不移动

在该研究中，研究人员排除了其他类型的核酸或由RNA和蛋白质组成的复合物在植物细胞中移动的可能性。可以明确地表明，双链siRNA是诱导植物远距离细胞和组织中RNAi的必要和充分条件。研究人员不仅确定了难以捉摸的长距离信使，他们还在研究中展示了siRNA是如何移动和执行其功能的。他们发现，只要一个siRNA分子以自由双链的形式存在，它就可以移动，因为它不能与匹配的RNA转录物结合。要想结合，它首先要"上载"到特定的Argonaute（AGO）效应蛋白上。只有与正确的AGO蛋白结合后，siRNA才能使目标转录本沉默；这个过程最终会破坏片段本身。研究中使用的模式植物有10种不同的AGO蛋白，其中有几种能识别具有特定标志的匹配siRNA片段；这些标志在由病毒或植物自身基因产生的大群移动siRNA中并不均匀。

TuYV引发的RNAi的细胞间运动

AGO蛋白决定siRNA的移动模式

不同的AGO蛋白出现在不同的细胞和组织中。研究人员发现，作为上载过程的一部分，匹配的AGO蛋白会消耗来源细胞中的一部分siRNA，但非负载的部分可以退出细胞。根据移动siRNA所穿越的细胞内是否存在某些AGO蛋白，这些分子，同样会被消耗或不被消耗。例如，如果手头有大量的AGO蛋白，它们就会捕获大量的具有各种标志的siRNA，基本上就会停止移动。另一方面，如果一个细胞几乎不包含任何AGO，那么大多数siRNA将离开并走过更远的距离。最后，如果一个细胞中只含有大量的一种特定的AGO，那么只有那些具有匹配标志的siRNA会被消耗掉，而其他的siRNA会移动。换句话说，siRNA在通过植物组织时，会被选择性地过滤和消耗。到目前为止，植物RNAi界一直认为RNAi是沿着线性梯度移动的。然而，这并没有考虑到AGO蛋白在移动过程中会选择性地消耗一些siRNA，而不是所有siRNA。新的研究指出，这种消耗过程其实完全不是线性的。

运动过程中siRNA的消耗，通过同时的5′-核苷酸和AGO负载来诊断

无数的移动模式

穿越细胞中的AGO蛋白的数量和多样性加上siRNA固有的标志，共同发挥着一种分子筛的作用，其形式可能会沿着siRNA路径因细胞类型而异。根据这种筛子的空间配置，可以产生各种各样的siRNA移动模式。更有趣的是，一些AGO可以被压力或发育信号所诱导，从而使筛子的空间形状可以在任何时候改变和发展。因此，无数的移动模式赋予了移动RNAi系统几乎无限的灵活性和通用性，可以跨距离塑造基因表达。现在他们已经了解了这一过程，研究团队正在尝试在植物中设计人工筛子，以此来高精度地控制特定siRNA何时何地可以移动，这种方法可以在农业中得到应用。

 基于自由siRNA移动与AGO介导的消耗相结合的多功能非自主RNAi模型

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”

喜欢就转发、收藏，点“在看”