撰文 | LCH
责编 | 逸云
microRNA 是真核生物中广泛分布的一类小分子核糖核酸，长度一般为21到23个核苷酸，主要功能表现为调控其他基因的表达 【1】 。一般认为，miRNA由DNA转录后经pri-miRNA加工产生，pri-miRNA可长达几百个核苷酸 【2】 。最近研究发现，pri-miRNA 可以编码小型调控蛋白，通过增强相关pri-miRNA的转录水平调节基因表达和重要农艺性状 【3】 。然而，pri-miRNA功能的调控机制很多细节还不清楚。
近日，Nature Plants在线发表了题为Primary transcript of miR858 encodes regulatory peptide and controls flavonoid biosynthesis and development in Arabidopsis的研究论文 ， 揭示了miR858初级产物编码肽priPEP858a调控类黄酮生物合成及生长素信号途径进而影响植物发育的重要功能。
该研究首先从拟南芥pre-miR858a上游预测到可能编码蛋白的开放阅读框，并通过GUS诱导组织化学染色实验证实其中一段可以在植物中被激活表达 （图1） 。随后发现，miPEP858a蛋白可能影响植物发育，生长培养基上添加外源表达蛋白的实验结果证实了这一猜测。通过表达量分析，发现miPEP858a在调控miR858a自身表达的同时，也参与了MYB转录因子和类黄酮合成途径相关基因的表达调控。研究还通过外施荧光标记的miPEP858a，发现植物可以通过根部获取这些外源蛋白；组织化学GUS染色实验证实了miPEP858a通过调控其自身启动子提高miR858a基因的转录水平。
图1. Identification of miPeP858a
该研究进一步探究了miPEP858a过表达及突变后对植物的影响。AtmiPEP858a过表达后的植株根部生长增强，并且miR858a基因表达上调，相应靶标基因转录水平下调，同时总花青素和类黄酮类激素含量降低，木质素含量上升及维管束及维管束间纤维变长，这些结果证实了miPEP858a提高miR858a的表达降低靶标基因的表达进而调控相应表型的发生。利用CRISPR/Cas9 技术分别对miPEP858a编码区、成熟miRNA、pre-miRNA进行编辑，突变体在生长培养基上表现根部生长受阻，miR858a的表达也急剧下降；将突变体转移到土中培养，植株表现抽苔延迟、茎秆孱弱、莲座直径变小等发育缺陷症状 （图2） ；表达量分析发现，突变体植株中miR858a的靶标即类黄酮合成相关基因均表现上调；同时伴随着黄酮类和花青素含量的上升和木质素含量的下降。过表达和突变材料的功能分析均证实了miPEP858a的重要生理功能，值得注意的是，外施合成的miPEP858a可以弥补突变体植株的缺陷，反映了该蛋白潜在的应用价值。
图2. CRISPR–Cas9-derived knockout mutants show altered phenotypes
最后，研究人员考虑到类黄酮激素拮抗生长素的关系 【4】 ，进一步在过表达和突变体植株分析发现，生长素转运和合成相关基因在miPEP858a缺陷植株中下调表达，在过表达植株中表达增强，同时突变相应生长素转运蛋白表现出与miPEP858a突变体类似的表型。表明miPEP858a可能通过调控类黄酮的水平影响生长素转运进而调控植物生长和发育。
图3. Proposed model for the phenylpropanoid pathway via miR858a and its upstream regulator, miPeP858a
综上所述，该研究揭示了小RNA编码肽priPEP858a的重要功能。priPEP858a通过调控自身表达水平，并调控类黄酮合成进而影响生长素水平，从而影响植物生长发育 （图3） 。研究结果拓宽了我们对小RNA功能的认识。
参考文献
【1】 Catalanotto, C., Cogoni, C. & Zardo, G. MicroRNA in control of gene expression: an overview of nuclear functions. Int. J. Mol. Sci. 17, 1712 (2016)
【2】 Bartel, D. P. MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 116, 281–297 (2004)
【3】 Lauressergues, D. et al. Primary transcripts of microRNAs encode regulatory peptides. Nature 520, 90–93 (2015)
【4】 Peer, W. A. & Murphy, A. S. Flavonoids and auxin transport: modulators or regulators? Trends Plant Sci. 12, 556–563 (2007)
https://doi.org/10.1038/s41477-020-00769-x