摘要：植物miR159靶向MYB基因家族在植物的生长发育、新陈代谢、逆境响应及病原防御等多种生理过程中发挥关键作用。植物miR159可以跨界调控哺乳动物的生理功能，如抑制肿瘤生长、改善能量代谢、抗氧化应激、调节机体免疫功能等。阐述了miR159通过调控MYB基因家族参与多种植物营养生长、逆境胁迫、开花和果实发育过程，以及外源性植物miR159跨界调控哺乳动物生理功能和对乳腺癌的调控作用，以期为后续深入研究植物miR159的调控网络以及跨物种调控机制提供参考。
关键词：miR159；MYB家族；跨界调控；生理功能
微小RNA（microRNA，miRNA）是一类内源性单链短序列（21～24nt）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-mybavianmyeloblastosisviralonco-genehomolog）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］。
1miR159-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］，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（Arabidopsisthaliana，ath）［38］、大豆（Glycinemax，gma）［39］、蝴蝶兰（Phalaenopsisaphrodite，pap）［40］、番茄（Solanumlycopersicum，sly）［41］、木棉（Gossypiumbarbadense，gb）［42］和桃子（Prunuspersica，ppe）［43］，以及一些单子叶植物中，如小麦（Triticumaestivum，tae）［44］、水稻（Oryzasativa，osa）［45］和大麦（Hordeumvulgare，hvu）［46］都验证了MYB同源物是miR159的靶点。
1.1miR159-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24h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］。
1.2miR159-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。
1.3miR159-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］。
1.4miR159-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/b2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］。
1.5miR159-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sly-50畜牧与饲料科学第43卷miR159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（systemicRNAinterferencedefectiveprotein，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、gma-miR159a-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-CellPro-liferation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。
作者:段红娟 孟桂智 刘宝宝 贾晶莹 马燕芬 马云 蔡小艳 单位:宁夏大学农学院 宁夏反刍动物分子细胞育种重点实验室