摘要：在真核細(xì)胞中，許多小的非編碼RNA與Argonaute蛋白結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體，并通過識別互補(bǔ)的靶標(biāo)RNA來調(diào)控基因表達(dá)，此過程叫RNA干擾。在植物的RNA干擾途徑中，Argonaute-sRNA復(fù)合物可以通過多種不同的機(jī)制發(fā)揮作用，進(jìn)而參與病原體防御、植物發(fā)育調(diào)控等關(guān)鍵的生物過程。綜述了Argonaute蛋白的分類和結(jié)構(gòu)特征、在植物體中參與RNA干擾的機(jī)制及生物學(xué)功能等研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：Argonaute蛋白;結(jié)構(gòu);RNA干擾;功能

中圖分類號：Q51

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020） 08-0011-06

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.002

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

小的非編碼RNA是原核生物和真核生物中基因表達(dá)控制的重要參與者。在真核生物中，幾類小的非編碼RNA通過特異性識別互補(bǔ)的靶標(biāo)RNA來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，并保護(hù)細(xì)胞免受外源性和內(nèi)源性有害遺傳物質(zhì)的影響。Argonaute蛋白是RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（ RISC）的核心蛋白，是表觀遺傳調(diào)控的主要參與者，在RNAi中通過剪切靶向mRNA、翻譯抑制、DNA甲基化等方式發(fā)揮作用。本研究綜述了Argonaute蛋白的分類和結(jié)構(gòu)特征、在植物體中參與RNA干擾的機(jī)制及生物學(xué)功能等研究進(jìn)展，旨在為后期研究提供基礎(chǔ)。

1 Argonaute蛋白的分類和結(jié)構(gòu)特征

Argonaute蛋白在擬南芥突變體的研究中被首次提及[1]，后來發(fā)現(xiàn)該蛋白是真核生物中RNA干擾（ RNA interference，RNAi）途徑的關(guān)鍵參與者。最近對原核生物基因組分析的結(jié)果顯示，Argonaute蛋白同時也存在于古細(xì)菌（約30%）和細(xì)菌（約10%）中[2.3]。

1.1 Argonaute蛋白的分類

Argonaute蛋白在各種生物中廣泛存在，而且在不同的物種之間存在較高同源性，這表明它們在進(jìn)化過程中具有古老的起源和高度保守性[2]?；诮Y(jié)構(gòu)特征和作用機(jī)制，所有真核Argonaute蛋白可分為3個主要的進(jìn)化枝，AGO、PIWI（ P-element in-duced wimpy testis）、WAGO （Worm-specific Argo-nautes）。AGO進(jìn)化枝蛋白可與microRNA（ miRNA）或siRNA（ small interfering RNA）結(jié)合誘導(dǎo)特異性的RNAi;PIWI進(jìn)化枝蛋白僅發(fā)現(xiàn)于動物中，并通過piRNA（ piwi-interacting RNA）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)座子的活性[4];WAGO進(jìn)化枝蛋白特異存在于線蟲，如秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditi_s elegans）。

在進(jìn)化過程中，Argonaute基因的數(shù)量和功能的多樣化均有增加的趨勢，尤其是開花植物所屬的AGO進(jìn)化枝。如人類中有4種AGO和4種PIWI，果蠅中有2種AGO和3種PIWI，而擬南芥（Arabi-dopsis中有10種ACO，楊樹中有15種、玉米中有17種、水稻中有19種[5]。迄今為止，植物中發(fā)現(xiàn)的Argonaute蛋白均屬于AGO進(jìn)化枝。開花植物中AGO可分為3個主要分類：AG01/5/10、AG02/3/7和AG04/6/8/9。此外，禾本科植物中的AG018被劃分人AG01/5/10進(jìn)化枝中[6]。但也有一些真核生物中不存在Argonaute蛋白，如釀酒酵母（Saccharo-mVces cerevLsrae），這可能是RNA干擾系統(tǒng)二次損失的結(jié)果[7]。

1.2 Argonaute蛋白的結(jié)構(gòu)特征

Argonaute蛋白屬于PIWI蛋白超家族，其由PI-WI結(jié)構(gòu)域的存在來定義。真核Argonaute蛋白在結(jié)構(gòu)上是非常保守的，包括N末端、PAZ（ PIWI-Ar-gonaute-Zwille）、MID（ Middle）和PIWI 4個結(jié)構(gòu)域，其由N末端、MID和PIWI 3個結(jié)構(gòu)域形成新月形的底部凹槽，PAZ結(jié)構(gòu)域位于凹槽正上方（圖1）。其中，N端和PAZ結(jié)構(gòu)域通過L1 （Linker l）連接，PAZ和MID結(jié)構(gòu)域通過L2（Linker 2）連接，核酸結(jié)合在由N-PAZ和MID-PIWI形成的雙葉通道中[8]。Argonaute蛋白的活性中心位于具有核糖核酸酶H（ Ribonuclease H，RNase H）的PIWI結(jié)構(gòu)域，其催化中心的氨基酸四聯(lián)體Asp-Clu-Asp-His/Asp（ DEDH/D）可以與金屬離子配位，并且是RNA切割所必需的[9，10]。MID結(jié)構(gòu)域含有容納RNA指導(dǎo)鏈5 7末端核苷酸的口袋[11]，PAZ是RNA指導(dǎo)鏈3'末端核苷酸的結(jié)合域，N端結(jié)構(gòu)域參與RNA雙鏈體的解旋并在RNA切割過程中起輔助作用[12，13]。迄今為止，已確定三維結(jié)構(gòu)的真核Argonaute蛋白包括KpAgo，Human Agol、2、3及PIWI進(jìn)化枝的SIWIll41（圖IA、B均以Human Ag02為例，PDB為4W5N）。

原核Argonaute（ pAgo）蛋白可分為2個大的系統(tǒng)發(fā)育組[15，16]。長pAgo含有與真核Argonaute（ eA-go）蛋白相同的結(jié)構(gòu)域（但AfAgo等缺失N-PAZ結(jié)構(gòu)域），而短pAgo僅含有MID和PIWI結(jié)構(gòu)域。目前，研究的真核Argonaute蛋白和長pAgo都有雙葉結(jié)構(gòu)，這些含有完整四分體的Argonaute蛋白一般都具有切割活性，但許多pAgo（含所有短pAgos）因存在必需催化殘基取代而缺乏核酸內(nèi)切酶活性。

2 植物Argonaute蛋白與RNAi途徑

2.1 RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體

與真核Argonaute蛋白結(jié)合的小RNA包括miRNA、siRNA和piRNA。其中，miRNA和siRNA都需要經(jīng)歷核糖核酸內(nèi)切酶Dicer的處理，但miR-NA必須首先被核酸內(nèi)切酶Drosha加工成miRNA前體（precursor miRNA，pre-miRNA）[17]。之后成熟的RNA雙鏈體結(jié)合到Argonaute蛋白上，并伴隨著RNA雙鏈的展開和siRNA、miRNA乘客鏈的解離，而siRNA、miRNA則通過糖一磷酸主鏈與Argonaute蛋白保持結(jié)合狀態(tài)，形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（ RNA-induced silencing complex， RISC）[18].piRNA發(fā)現(xiàn)于后生動物中，它可以是單鏈且不依賴于Dicer和Drosha的切割[19]。與miRNA和siRNA不同，piRNA僅與PIWI進(jìn)化枝蛋白結(jié)合，發(fā)揮對宿主基因表達(dá)、轉(zhuǎn)座子抑制或抗病毒感染的調(diào)節(jié)作用[20]。

2.2 Argonaute在RNAi途徑中的機(jī)制研究

植物中，Argonaute-sRNA復(fù)合物通過轉(zhuǎn)錄后基因沉默（ Post-transcriptional gene silencing，PTCS）或轉(zhuǎn)錄基因沉默（Transcriptional gene silencing，TGS）的方式靶向互補(bǔ)DNA或RNA，從而在2個水平上影響基因表達(dá)：①轉(zhuǎn)錄后水平，在細(xì)胞質(zhì)中，通過對靶標(biāo)mRNA切割或抑制其翻譯[21];②轉(zhuǎn)錄水平，在細(xì)胞核中，調(diào)節(jié)組蛋白或靶標(biāo)DNA的甲基化[22，23]。此外，擬南芥中的AG01-miRNA與miR161和miR173基因座處的染色質(zhì)相互作用，在鹽脅迫條件下對miRNA基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控[24];AC02還可以參與DNA雙鏈斷裂修復(fù)[25]。

2.2.1 轉(zhuǎn)錄后基因沉默水平上的機(jī)制 在植物RNAi途徑的轉(zhuǎn)錄后基因沉默水平上，Argo-naute-sRNA復(fù)合物與靶標(biāo)mRNA結(jié)合后可能發(fā)生靶標(biāo)RNA切割或翻譯抑制。靶標(biāo)RNA切割是siR-NA發(fā)揮作用的主要機(jī)制（圖2A），而miRNA-RNA雙鏈體只有在完全互補(bǔ)時才會發(fā)生靶標(biāo)RNA切割[26]。因此，sRNA-RNA雙鏈體中的鏈互補(bǔ)性在RNAi途徑的機(jī)制選擇中起重要作用。研究表明，擬南芥中AG01、AG02和AG07的剪切活性分別對植物發(fā)育、抗病毒活性和幼年至成年期轉(zhuǎn)變的過程至關(guān)重要[27]。對野生型和AG01剪切活性缺失的擬南芥進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)AC01的剪切活性對反式作用干擾小RNA（ trans-acting siRNA，tasiRNA）也十分重要[28]。

Argonaute-miRNA復(fù)合物在無法進(jìn)行靶向切割的情況下，可以選擇通過翻譯抑制的方式調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，這個過程通常伴隨著mRNA降解以抑制復(fù)合物形成[29.30]。目前，尚不清楚翻譯抑制是從哪一步發(fā)生的（翻譯起始或延伸），但研究顯示翻譯起始可能是Argonaute-miRNA復(fù)合物發(fā)揮作用的主要位點(diǎn)（圖2B、C）[31]。一種可能的機(jī)制是Argo-naute-miRNA復(fù)合物與elF4F的結(jié)合阻止了翻譯起始復(fù)合物的組裝[32];此外，miRNA-Argonautes復(fù)合物還可以募集GW182蛋白到靶標(biāo)RNA 3非翻譯區(qū)，結(jié)合多聚腺苷酸結(jié)合蛋白（poly A-binding pro-tein，PABP）抑制翻譯起始，并且mRNA對去腺苷酸化也變得更敏感（圖2D）[33]。研究表明，幾種擬南芥突變體在miRNA介導(dǎo)的RNAi途徑中出現(xiàn)了蛋白質(zhì)而非mRNA水平的受損[34.35]：AG010（AG01進(jìn)化枝的另一成員）也具有翻譯抑制幾種擬南芥miRNA靶基因的能力。最近，Hou等[36]發(fā)現(xiàn)AG07-iR390與miR390靶位點(diǎn)的結(jié)合導(dǎo)致了核糖體堆積并隨后抑制翻譯的延伸。目前，對翻譯抑制的機(jī)制已有一些初步研究，但深入理解仍需要進(jìn)一步研究。

2.2.2轉(zhuǎn)錄基因沉默水平上的機(jī)制 小RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄沉默首先在裂殖酵母（ Schizosaccharomycespombe）中被發(fā)現(xiàn)[37]。2017年，Jih等[38]發(fā)現(xiàn)H3K9me3是H3K9me結(jié)構(gòu)域通過募集Clr4到異位點(diǎn)后建立表觀遺傳所必需的。因此，組蛋白的H3K9me狀態(tài)不僅決定異染色質(zhì)內(nèi)的沉默機(jī)制，還決定其潛在的表觀遺傳性。

另外一種實(shí)現(xiàn)RNA干擾途徑的機(jī)制為RNA介導(dǎo)的DNA甲基化（RdDM），最典型的是植物中的AG04-siRNA復(fù)合物[23]。它首先是由PolIV （RNA聚合酶IV）和RDR2（RNA依賴性RNA聚合酶2）的協(xié)同作用合成雙鏈RNA[39]，之后在核酸酶DCL3（Dicer like protein 3）的作用下將前體dsRNA切割成24 nt siRNA，然后將siRNA轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)與AC04結(jié)合[40]。AG04-iRNA復(fù)合物定位到細(xì)胞核后，通過與PolV轉(zhuǎn)錄物配對被募集到靶基因座，同時AG04-siRNA復(fù)合物募集DRM2蛋白使靶DNA甲基化（圖2E）[41]。因此，RNA介導(dǎo)的DNA甲基化在真核細(xì)胞的遺傳調(diào)節(jié)中起重要作用。最近，研究者提出AG06可同時與AG04介導(dǎo)大多數(shù)靶基因座的甲基化[42]。此外，AG06還可與RDR6介導(dǎo)的21-22 nt sRNA結(jié)合來指導(dǎo)擬南芥中轉(zhuǎn)運(yùn)子的甲基化[43]。

所有真核生物都含有小的非編碼RNA和Argo-naute蛋白，參與mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)控，控制移動遺傳元件的活性，并參與染色質(zhì)重組。而事實(shí)上，真核Argonaute只是原核Argonaute蛋白上形成的一個小分支，所以原核Argonaute實(shí)際上比真核Ar-gonaute在功能上更加多樣化[2，44]。近年來，對原核Argonaute蛋白的結(jié)構(gòu)和生化研究，特別是關(guān)于嗜熱古細(xì)菌中Argonaute的研究揭示了引導(dǎo)鏈結(jié)合、靶標(biāo)識別和剪切活性的詳細(xì)途徑，這為真核生物中RNAi的分子機(jī)制提供了重要的見解。

3 Argonaute在植物中的生物學(xué)作用

3.1 植物Argonaute與病原體防御

微生物病原體會導(dǎo)致作物嚴(yán)重的產(chǎn)量損失，由sRNA介導(dǎo)的RNA干擾（RNAi）在植物抗病毒防御的免疫應(yīng)答中起關(guān)鍵作用[4副，Argonaute蛋白的功能障礙與許多動物和植物疾病有關(guān)[46]。在抗病毒中起作用的AGO進(jìn)化枝蛋白包括擬南芥AG01、AG02、AG04、AC05、AC07和AG010，本生煙草（Nicoti-aha bentharniana）AC01和AG02以及水稻AGOI和AG018。如vsiRNA（病毒來源的RNA或dsRNA被植物DCL加工成病毒衍生的21-24 nt siRNA）與特異性Argonaute結(jié)合后，通過剪切或翻譯抑制等方式增強(qiáng)抗病毒防御，從而靶向和抑制同源病毒RNA[47];此外，植物AGO還可以結(jié)合來自類病毒的sRNA減少體內(nèi)類病毒的積累[48]。研究表明，擬南芥AG04獨(dú)立于其RdDM功能，而對車前草花葉病毒（Ptantago asiatica mosarc VLrus）具有直接的抗病毒活性[49]。除了眾所周知的抗病毒防御作用外，幾種擬南芥AGO還具有抗菌活性，如AG02結(jié)合miR393b翻譯抑制高爾基體定位的MEMB12基因，導(dǎo)致具有高抗菌活性PRl（ Pathogenesis-related pro-tein）的胞吐作用[50]。

3.2 植物Argonaute在調(diào)控發(fā)育中的作用

在擬南芥中，首次被表征的AG01突變體使其表現(xiàn)出矮化、不育等發(fā)育缺陷[1]。之后，在擬南芥的發(fā)育篩選中鑒定出一系列造成發(fā)育缺陷的AC01等位基因，這些突變體的鑒定強(qiáng)調(diào)了AG01在葉極性和側(cè)生器官發(fā)育中的作用，同時AC01突變體也在水稻上顯示出侏儒癥、卷葉和低結(jié)實(shí)率等發(fā)育缺陷特征51.52]。而擬南芥突變體AC07或AG010只顯示出有限的影響發(fā)育缺陷的能力。其中，AG07與miR390結(jié)合后，靶向TAS3轉(zhuǎn)錄物并啟動基于TAS3的tasiRNA合成，參與擬南芥?zhèn)壬鞴侔l(fā)育的調(diào)節(jié);AG07參與苔蘚、水稻和玉米等植物中TAS3介導(dǎo)的tasiRNA合成，這表明植物中AG07在ta-siRNA合成和植物發(fā)育中具有重要作用[50]。與普遍表達(dá)的AG01不同，AG010主要在近軸面葉原基和分生組織中表達(dá)，其突變體使擬南芥表現(xiàn)出異常的SAM發(fā)育，且觀察結(jié)果表明，AG010可以從AG01中螯合miR165huiR166來調(diào)節(jié)SAM發(fā)育[53，54]。

3.3 植物Argonaute在減數(shù)分裂和配子發(fā)生中的作用

植物AGO在有性生殖過程中起關(guān)鍵作用，特異性的ACO蛋白優(yōu)先表達(dá)于生殖組織并富含于生殖細(xì)胞中b副。在水稻中，減數(shù)分裂調(diào)控基因MEL1（Meiosis arrested at leptotene J）是5種AG05同源物之一，它的突變不僅誘導(dǎo)了減數(shù)分裂停滯和雄性不育，還誘導(dǎo)了異常的絨氈層和花粉母細(xì)胞[56]。在擬南芥中的研究表明[57]，AG09介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子和異染色質(zhì)修飾對于其子房中特異性細(xì)胞的生存至關(guān)重要，它的突變導(dǎo)致了多個具有形成配子能力的細(xì)胞分化;在玉米中，AG09突變體在減數(shù)分裂期間阻止了染色體的分離。擬南芥和玉米AG09都在體細(xì)胞中起作用以非細(xì)胞自主方式調(diào)節(jié)細(xì)胞，擬南芥AC09抑制體細(xì)胞中的生殖細(xì)胞[57]，而玉米AC09抑制生殖細(xì)胞中的體細(xì)胞[58]。在水稻中，OsAC02在花藥中高表達(dá)并參與調(diào)節(jié)水稻花藥的發(fā)育。Zheng等[59]發(fā)現(xiàn)在OsAG02表達(dá)下調(diào)的水稻中，己糖激酶l（OsHXKl）的過度表達(dá)導(dǎo)致ROS的過度積累，并誘導(dǎo)了過早的絨氈層程序性細(xì)胞死亡（PCD）和花粉敗育。

4 小結(jié)

除上述內(nèi)容外，植物中的AGO蛋白也可在非生物或生物脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生。如水稻AG018積累是病毒感染誘導(dǎo)的結(jié)果;AG02是γ輻射、細(xì)菌感染誘導(dǎo)的結(jié)果;AG03是鹽脅迫誘導(dǎo)的結(jié)果。不同AGO成員在時空上的差異及某些AGO對應(yīng)激的反應(yīng)表明存在一些調(diào)節(jié)AGO轉(zhuǎn)錄的因子，如擬南芥AG010的表達(dá)被轉(zhuǎn)錄因子LBD12-1抑制。但目前關(guān)于植物中AGO蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子尚不清楚。盡管已經(jīng)對植物AGO有了較多的研究，但在未來的研究中需致力于發(fā)現(xiàn)其新的生物學(xué)功能。如AGO-sRNA復(fù)合物的靶標(biāo)RNA在植物中是否高度保守，AGO蛋白中是否存在其他結(jié)合位點(diǎn)可以對小分子RNA進(jìn)行特異性結(jié)合，互補(bǔ)程度少于多少才會使AGO-miRNA執(zhí)行翻譯抑制，不同的sRNA如何對AGO蛋白進(jìn)行選擇，植物中是否存在PIWI進(jìn)化枝蛋白及piRNA等。其次，目前并未獲得植物中AGO-sRNA復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，而對晶體結(jié)構(gòu)的研究有利于研究者掌握引導(dǎo)鏈結(jié)合、靶標(biāo)識別和參與RNAi的機(jī)制，這將為真核生物中RNAi的分子機(jī)制和各種生物學(xué)功能的研究提供見解。

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作者簡介：谷少偉（1993-），女，河北石家莊人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)生物學(xué)，（電話）13716765867（電子信箱）ladiosa9310@163.com。