植物miR159 靶向MYB 基因家族的调控作用及其跨界调控哺乳动物生理功能的研究进展

段红娟，孟桂智，刘宝宝，贾晶莹，马燕芬，马 云，蔡小艳

（宁夏大学农学院/宁夏反刍动物分子细胞育种重点实验室，宁夏 银川 750021）

微小RNA（microRNA，miRNA）是一类内源性单链短序列（21～24 nt）小分子非编码RNA［1］。 从2002 年在拟南芥中分离出第一批植物miRNA 以及首个植物miRNA——miR171 被鉴定之后，对植物miRNA 的研究开始迅速增加［2］。 有关miRNA的研究从线虫、果蝇延伸到人类、植物以及生物与非生物胁迫等与生命活动密切相关的各个方面［3］。关于植物miRNA 在叶、茎、根生长发育［4-6］、信号转导［7］、发育时间［8］以及对不同环境压力应答［9］等方面的调控作用已有较多研究。 miRNA 在调控哺乳动物发育和代谢方面，如细胞增殖、分化、凋亡等也起到了重要的作用［10］。 miRNA 在动植物中发挥作用的方式主要是通过抑制基因翻译或降解靶向mRNA，在转录水平上负向调节基因表达［11］。

miR159 是一类比较古老的miRNA，是已经被证实的8 个高度保守的miRNA 之一［12-13］，普遍以21 个核苷酸 （nt） 大小存在于陆生植物中［14］。miR159 家 族 包 括miR159a、miR159b、miR159c、miR159d 及miR159e， 其中miR159a 和miR159b为该家族的2 个主要成员， 占miR159 表达量的90%以上，而miR159c 仅有微量表达［15］。 有学者研究miRBase 数据库已收录物种的miR159 家族成员发现，有36 个物种（均为植物）存在miR159 家族成员，提示miR159 是植物特有的家族，并对植物生长发育、生物和非生物胁迫起着重要作用［16-17］。

MYB （v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog） 类转录因子家族是指含有MYB 结构域（包含一系列高度保守氨基酸残基和间隔序列，由51～52 个氨基酸组成的肽段）的一类转录因子， 是真核生物中分布最广泛的转录因子家族之一［18-19］。 MYB 转录因子家族根据N 端子结构的数量 不 同 分 为 4 类：1R -MYB、R2R3 -MYB、R1R2R3-MYB 和4R-MYB， 其中R2R3-MYB 在植物中分布最广泛， 该类转录因子在植物生长发育过程及抗逆反应中发挥重要作用［18，20］。

1 miR159-MYB 调控植物生理过程

miR159 广泛存在于大多数陆生植物中，植物miR159 家族对应的靶基因主要为MYB-like 和MYB［21］，不同植物miR159 靶向MYB 基因及其功能见表1。 MYB33 和MYB65 基因作为miR159 的主要靶点可以被miR159 强沉默，而这种强沉默可能与二者都被预测在miR159 结合位点附近包含的一个独特的RNA 二级结构有关［37］。在一些高等植物中，如拟南芥（Arabidopsis thaliana，ath）［38］、大豆 （Glycine max，gma）［39］、 蝴 蝶 兰（Phalaenopsis aphrodite，pap）［40］、番茄（Solanumlycopersicum，sly）［41］、木棉（Gossypium barbadense，gb）［42］和桃子（Prunus persica，ppe）［43］，以及一些单子叶植物中，如小麦（Triticum aestivum，tae）［44］、水稻（Oryza sativa，osa）［45］和大麦 （Hordeum vulgare，hvu）［46］都验证了MYB同源物是miR159 的靶点。

表1 不同植物miR159 靶向MYB 基因及其功能

1.1 miR159-MYB 调控植物营养生长

在植物营养生长中发挥重要作用的MYB 类转录因子家族成员主要包括MYB33、MYB65、GAMYB 等， 其中MYB33 和MYB65 对植物的生长发育有严重的不利影响， 包括生长发育迟缓和叶片卷曲。 ath-miR159 在拟南芥中的主要作用是广泛抑制MYB33 和MYB65 的表达， 从而调控植物的正常生长发育［47］。 在拟南芥根中，MYB65 可促进细胞增殖［22］。 田菁茎瘤固氮根瘤菌侵染小麦后，tae-miR159 的浓度首先维持在正常水平，作用24 h 后达到峰值，之后浓度降低，最后维持在较低的水平，表明miR159 可能参与调控小麦与田菁茎瘤固氮根瘤菌的相互作用过程， 促进小麦的营养生长进程［48］。 研究发现，miR159 对日本落叶松MYB33 的转录后调控参与了胚胎发生或非胚胎发生潜能的维持和体细胞胚胎的成熟， 这为体细胞胚胎发生的调控机制提供了新思路［25］。 GAMYB是受GA 诱导的MYB 类转录因子。GAMYB 是GA信号转导途径中的一个重要促进因子， 在植物的生长发育中发挥重要作用。 miR159 的主要功能是介导GAMYB 的强沉默，以实现植物正常生长［47］。有研究认为，fa-miR159a 和fa-miR159b 在草莓发育过程中与fa-GAMYB 相互作用， 以协同方式部分响应GA 内源性水平的变化［26］。

1.2 miR159-MYB 正向调控植物逆境胁迫响应

在植物逆境胁迫响应中发挥重要作用的MYB 类转录因子家族成员主要包括MYB33、GAMYB 等。 Xia 等［49］研 究 发 现， 在 菊 花 中miR159a、miR-160a 和miR-393a 的差异表达与菊花对蚜虫侵扰的响应有关。 miR159 在水稻中还参与盐胁迫反应。彭延等［50］研究发现，在盐胁迫处理下随着胁迫时间的延长， 水稻根部的osa-miR159浓度呈先下降后上升的趋势。李波娣［16］研究表明，大豆gma-miR159 基因家族可能在响应磷信号、ABA 胁迫和NaCl 胁迫方面起作用，miR159e 在调节大豆的磷吸收和再利用方面起作用。 有学者提出在小麦中TamiR159 与TaGAMYB1 的相互作用可能通过GAMYB 淀粉酶途径参与热应激反应以降 解 淀 粉［28］。 Xu 等［51］证 明 大 豆MYB33 基 因 是gma-miR159e 的靶基因。 蒋有琦［27］以ath-miR159缺失突变体以及miR159 过表达植物为材料，通过ABA 敏感性试验和干旱胁迫试验， 对miR159 调控植物抗旱的分子机制进行研究， 结果表明miR159 通过靶基因MYB33 调控ABI5 的表达参与ABA 信号通路，从而响应干旱胁迫。

1.3 miR159-MYB 调控植物开花

植物开花诱导受内源因素和外源因素共同影响，主要涉及光周期途径、春化作用、自主途径和GA 途径［23］。 在拟南芥中转录因子MYB33 可以激活LFY 表达促进开花［52］。 改变大岩桐miR159 的表达水平可以调控其靶基因GAMYB 的表达从而改变开花时间，葡萄miR159 靶基因VvGAMYB 可以通过GA 途径参与开花过程［29-30］， 在番茄中SlMYB33-RNAi 导致开花延迟［31］。

1.4 miR159-MYB 调控植物花药发育

花药是雄蕊的重要组成部分，位于花丝顶端，膨大呈囊状。 花药及花粉能否正常发育关系到植物是否可育，因此，花药和花粉对植物生命过程有着至关重要的作用［23］。 ath-miR159 家族已被大多数学者作为研究植物miRNA 介导基因调控机理的模型［3］。 有研究在拟南芥中验证了8 个MYB 基因受到miR159 的调控，其中7 个属于GAMYB 家族［24］。 在拟南芥中，2 个主要的miR159 家族成员miR159a 和miR159b 对2 个GAMYB-like 基 因MYB33 和MYB65 具有功能特异性［12］。 miR159 参与调节拟南芥雄性生殖器官的发育， 过表达miR159a 引起拟南芥植株的雄蕊发育不全、 育性降 低［24］。 ath-miR159 水 平 取 决 于GA 的 浓 度，miR159 通过影响MYB33 的活性调节GA 介导的花发育过程［53］。张博等［33］在研究山核桃miR159 家族功能时发现，山核桃miR159 含有cca-miR159a/b 2 个成熟体，cca-miR159a 的靶基因主要为MYB家族基因， 其中MYB33、MYB65 促进花药与花粉发育。 在水稻花药中，miR159-GAMYB 影响乌氏体和外孢壁的发育。 研究表明，水稻GAMYB 突变体使花器官发育异常，尤其是花药，表现为绒毡层不能正常程序性死亡、乌氏体和外孢壁有缺陷，从而导致雄蕊不育［34］。水稻osa-miR159 在花中调控GAMYB 和GAMYB-like 基因的表达，而在糊粉细胞中没有调控作用， 说明糊粉细胞和花器官对GAMYB 表达和GAMYB 功能的调控存在差异［35］。毛竹包含2 个受miR159 靶切的GAMYB 基因（PheMYB2R-42 和PheMYB2R-98）， 在雄蕊中差异表达显著，可能参与毛竹花药发育过程［36］。

1.5 miR159-MYB 调控种子萌发和果实发育

参与花药发育的调控因子MYB33 和MYB65所在的MYB 家族也同时参与调控种子萌发。Alonso-Peral 等［54］对二者在拟南芥种子萌发中的作用进行了研究，结果表明，转录因子MYB33 和MYB65 参与了GA 诱导的糊粉蛋白发育和死亡所需的途径。研究表明，ABA 也可以在拟南芥种子萌发过程中诱导miR159 控制MYB101 和MYB33的转录水平［55］。张安妮等［56］发现，miR159-MYB 通过调控GA 和ABA 参与油棕合子胚发育。

在果实发育中，发挥重要作用的MYB 类转录因子主要为GAMYB。邓因娇［32］发现在番茄果实果形发育中，sly-miR159a 可能通过其靶基因SlGAMYB1/2 参与GA 合成和信号转导途径的调控， 并对果形形成起重要的调控作用。 番茄slymiR159 和SlGAMYB 在开花前的子房中共同表达，sly-miR159 过表达导致SlGAMYB 表达水平下降，致使果实早熟、单性结实［57］。在番茄中GAMYB可以促进果实增大。 敲除SlMYB33 的番茄比野生型的番茄果实更小［31］。

2 外源性miR159 的跨界调控作用

近年来，miRNA 的跨界调控成为新的研究热点。越来越多的研究表明植物miR159 可以跨界调控哺乳动物的生理功能，尤其是在抑制肿瘤生长、改善能量代谢、抗氧化应激、调节机体免疫功能等方面起到正向作用。 2011 年，Zhang 等［58］研究发现， 植物来源的miRNA168 可以进入小鼠体内稳定存在，并可以调节小鼠的脂质代谢。 miR159 在哺乳动物消化系统中稳定存在并通过胃肠道进入循环系统发挥作用， 植物miR159 的3′末端存在特殊的甲基化修饰（2′-O-methylation），哺乳动物miRNA 缺乏该种修饰作用，这对植物miRNA 的稳定性至关重要。 Chin 等［59］研究表明，人血清中的miR159 主要存在于细胞外囊泡中，并可以抵抗高碘酸钠的氧化作用，证明miRNA 确实是植物来源的而非动物体内本身存在的，并且植物miR159 经过烹饪后仍然存在，说明植物miR159 被哺乳动物吸收后仍具有稳定性。近年来有研究表明，miRNA可以稳定存在于外泌体中免受体液中RNA 酶的降解，并随着外泌体循环被相应的细胞摄取，从而参与受体细胞的生理活动，调控疾病的发生［60-62］。

植物miR159 可在人血清和肿瘤组织以及小鼠血液、 脾脏和胸腺中被检测到， 说明植物miR159 可以通过哺乳动物胃肠道到达靶器官。Luo 等［63］通过外翻肠囊法评估了外源性miRNA 在猪小肠中的吸收情况， 结果表明， 食物中的植物miRNA 可以越过肠道屏障进入血液。植物miRNA被哺乳动物吸收利用的机制也在逐渐被揭示。 在无脊椎动物中，线虫的跨膜系统性RNA 干扰缺陷蛋白1（systemic RNA interference defective protein，SID-1）协助miRNA 运输到消化道外的细胞［64］。大多数脊椎动物中含有SID-1 的2 种同源蛋白，即SID-1 跨膜家族成员SIDT1 和SIDT2，二者可能参与miRNA 的摄取过程［65-66］。 2020 年，Chen 等［67］证明了哺乳动物吸收植物miRNA 的主要部位是胃，提出植物miRNA 在哺乳动物体内发挥生物学功能的模式可能是在胃酸刺激下， 由SIDT1 依赖的途径在胃黏膜吸收食源性miRNA，然后以外泌体形式释放到循环系统， 最终到达身体的各个器官组织发挥生理调控功能。 miR159 在动物胃肠道的吸收是否依赖SIDT1 还有待研究。

2.1 外源性miR159 对乳腺癌的调控作用

miR159 是首个被证明能够抑制哺乳动物肿瘤生长的植物miRNA［68］。 研究发现，植物来源的miR159 存在于西方人的血清和肿瘤组织中，并与乳腺癌的发病率和进程相关，ath-miR159a、gmamiR159a-3p 和gma-miR159e-3p 共享相同序列（UUUGGAUUGAAGGGAGCUCUA） 的数量最高，是其他植物miRNA 的6 倍以上；在乳腺癌细胞中一种合成的miR159 模拟物能够通过靶向编码Wnt 信号通路的转录因子TCF7 抑制乳腺癌细胞增殖，从而降低MYC 蛋白的水平，抑制乳腺癌细胞的生长， 建立了miR159-TCF7-MYC-Cell Proliferation 调控模型；而且口服miR159 模拟物可显著抑制小鼠异种移植性乳腺肿瘤的生长［59］。 这些结果证明了植物miRNA 具有抑制哺乳动物的癌症组织生长的作用。

2.2 外源性miR159 对其他生理功能的调控作用

目前，对植物miR159 跨界调控的研究主要集中在外源性miR159 对肿瘤的调控作用，对其他生理作用的调控研究还不成熟， 但已有学者围绕miR159 对其他生理作用的调控进行了初步研究。有研究表明， 大豆gma-miR159a 可以通过抑制TCF7/MYC 减轻小鼠结肠肿瘤的发生［69］。 Yu 等［70］研究表明， 大豆gma-miR159a 通过抑制GSK-3β介导的NF-κB 和TGF-β1 通路， 对TGF-β1 和PDGF 诱导的HSC 活化和增殖具有强抑制作用，表明miR159a 具有预防肝纤维化的潜力。 彭朦媛［71］在大鼠血液、脾脏和胸腺检测到包括miR159 在内的3 种miRNA，表明部分人参miRNA 可以通过口服进入大鼠组织器官， 进而在后续试验中采用限食+负重力竭游泳的方法（大鼠的游泳时间可以反映机体抗疲劳以及抗应激能力） 构建气虚动物模型，通过不同试验组对比得出，人参水煎剂及其部分miRNA 可以通过改善能量代谢、 抗氧化应激、调节机体免疫功能以缓解机体疲劳， 提示人参miRNA 可能作为一种药效物质参与人参的补气抗疲劳作用，发挥跨界调控作用。

3 小结与展望

植物miR159 不仅在植物中发挥重要作用，而且可以通过采食进入动物体内实现跨物种调控。miR159 家族通过靶向MYB-like 和MYB 基因参与调控植物营养生长、抗胁迫响应、开花、种子萌发及果实发育等过程。 另外，miR159 经哺乳动物胃肠道消化后可到达不同组织发挥调控作用，如在哺乳动物体内通过抑制TCF7/MYC 起到抑制肿瘤生长的作用， 并且在改善能量代谢、 抗氧化应激、调节机体免疫功能等方面发挥着重要作用。目前，对miR159 的研究主要聚焦在对植物生长发育的调控作用以及在哺乳动物癌症及肿瘤中跨界调控的生物学功能，关于miR159 是否可以跨界调控哺乳动物的其他生理功能，如抗病毒、免疫调节、微生物菌群调节、 养分代谢调节以及心血管保护等研究较少。 miR159 对植物生长发育等生理过程起到正向调控作用，但miR159 在动植物生理功能中是否存在负调控作用还不明确。 miR159 与其他非编码RNA 的相互作用机制尚未阐明， 因此，深入研究植物miR159 的调控网络，可以为其在植物生长发育调控，提高植物生物产量、抗逆性或育种等方面的应用提供参考，而且可以为植物miR159在哺乳动物疾病诊疗方面的应用提供新思路。