植物的微小 RNA

植物的微小 RNA (micro RNA of Plant)
國立臺灣大學植物科學研究所博士生 林孟淳

微小 RNA (micro RNA, miRNA) 是一類約為 20–24 鹼基長度的小型 RNA，依其與目標信使RNA (mRNA) 的序列互補，可能導致目標 信使 RNA 的降解，或妨礙蛋白質轉譯的進行，達到基因靜默 (gene silencing) 的效果．本篇將著重於植物微小 RNA 的介紹，並比較與動物微小 RNA 之間的異同。

在動物中最早於 1993 年，在對線蟲 lin-4 突變體的研究中發現（動物部分的介紹，可參考本網站 2013 年之文章《微小 RNA / 小分子 RNA》）。而植物的基因靜默機制，雖然在 90 年代末期就已觀察到，但在 2002 年後，才陸續開始有微小 RNA 被確認。微小 RNA 可調控許多植物的生理現象，包括葉片的發育，調節植物進入生殖生長的時期，以及對逆境的反應等。

在動植物中，微小 RNA 的生成，都源自 MIR 基因座轉錄出的非編碼 RNA（non-coding RNA，即不會被轉譯成蛋白質的 RNA）。而這些非編碼 RNA 會形成一種具有雙股的二級結構—莖環 (stem-loop)—的前驅物 (pri-miRNA)（圖一）。植物的微小 RNA 前驅物，往往較動物來得大，大約從 100 至 1000 個鹼基，都曾被報導過（動物的前驅物通常為數十個鹼基）。

圖一、阿拉伯芥的微小 RNA 合成途徑。（本文作者林孟淳繪製）

在經過 RNA 內切酶（動物中為 Dicer，植物中為 Dicer-Like 1, DCL1）剪切後，產生成熟的雙股微小 RNA duplex。植物的微小 RNA duplex 在形成後，若其 3’ 端沒有受到保護，往往會被加上多個脲嘧啶 (poly-uracil)，這個步驟會導致微小 RNA 被外切酶辨識並降解。在植物中，具有一個甲基轉化酶 HEN1，可將微小 RNA的 3′ 端甲基化，以防止脲嘧啶被接上，藉此穩定微小 RNA。近年來也發現在動物中有類似於 HEN1 的酵素，但在動物的微小 RNA 上，未觀察到甲基化的現象。甲基化後的微小 RNA duplex，其中一股為成熟的微小 RNA，可與 ARGONAUTE 1 (AGO1) 蛋白結合；另一股則稱為微小 RNA star，往往會被快速的降解，較少與 AGO1 蛋白結合。成熟微小 RNA 與 AGO1 複合體可以利用微小 RNA 與目標 信使 RNA 的序列互補，而與目標 信使 RNA 結合，在目標區域形成雙股的 RNA 結構，並與其他的 RNA 結合蛋白 (RNA binding protein) 結合，共同形成 RNA 誘導靜默複合體 (RNA-induced silencing complex, RISC)。RISC 形成之後，信使 RNA 會有兩種命運：一是被 RNA 內切酶 (endonuclease) 剪切並導致 信使 RNA 降解；或是由於 RISC 的結合，使核糖體無法順利轉譯 信使 RNA，從而導致轉譯的抑制（圖一）。

而微小 RNA 與目標 信使 RNA 之間鹼基對互補狀況，往往也影響其抑制基因表現的機制。一般來說，在互補區域的第 10–11 個鹼基對，以及鄰近的一個鹼基，若能夠互補（A=T、G≡C或G。U），則較易導致目標 信使 RNA 被內切酶剪切，導致其降解；若第 10–11 個鹼基對無法互補，則該結構無法被內切酶剪切，但 RISC 仍會存在於目標 信使 RNA 上，使得核糖體無法與 信使 RNA 結合並進行轉譯。在植物中，miRNA 所造成的抑制效果，主要是透過目標 信使 RNA 的降解；在動物中較常發生的機制則為抑制轉譯。而在轉譯的抑制上，動植物的微小 RNA，其作用方式也有差異。在動物中，只要在第 2–8 個鹼基對能夠和目標 信使 RNA 互補，就足以造成轉譯的抑制，而這個互補的第 2–8 個鹼基對，被稱為 seed region。然而植物的微小 RNA，即使在 seed region 完全互補的情形下，仍無法有效的抑制轉譯．必須要在 3′ 端的鹼基也有互補的狀況下，才能抑制轉譯。此外，動物的微小 RNA 通常會與目標 信使 RNA 的 3′ 端尾部—不會轉譯的區域 (3′ -untranslated region, 3′ – UTR)

互補，而植物則在基因的編碼序列 (coding sequence) 及不會轉譯的區域 (UTR) 皆有互補發生。

另外在植物中，除了基因靜默以外，還有一種有趣的現象，稱為目標基因模擬 (target mimicry)。阿拉伯芥中，存在著一類非編碼 RNA，其序列可與特定的微小 RNA互補，但在第 10-11 個鹼基附近會形成突起 (bulge)，使得結合上這些非編碼 RNA 的微小 RNA 無法去抑制其他目標基因的功能（圖二）；類似的機制在數年後於動物中被發現，並稱之為誘餌RNA (RNA decoy)。雖說動植物的微小 RNA，其作用都是造成基因靜默，但在合成的途徑及作用的原理上，仍存在著不少差異。

圖二、目標基因模擬 (Target mimicry) 示意圖。（本文作者林孟淳繪製）

參考文獻

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