2023年11月21日，北京大學生命科學學院陸劍課題組與合作者在《Biological Reviews》上發表了題為“Convergent and divergent evolution of microRNA-mediated regulation in metazoans”的綜述論文。

microRNAs（miRNAs）是一種小的非編碼RNA，長度通常在20到24個核苷酸之間，在植物和動物中表達，通過破壞靶mRNA的穩定或抑制其翻譯來調節靶基因的表達。microRNA和靶位點怎樣起源，怎樣演化？陸劍與合作者先前圍繞上述問題取得了一系列原創性成果，提出新microRNA快速產生與死亡的觀點（Lu et al., 2008, Nature Genetics），闡明適應性進化如何驅動新microRNA產生功能（Lu et al., 2008, MBE），揭示了microRNA調控對人類進化的影響（Lu et al., 2012, Genome Research）。近年來提出miRNA起源的“功能共適應”模型，闡述自然選擇如何驅使同一簇中的microRNA進化出相近的功能（Wang et al., 2016, MBE）; 發現microRNA復制后在表達和功能上產生廣泛的分化，提出microRNA復制促進新靶位點功能建立這一嶄新模型（Luo et al., 2018, RNA）; 發現真核生物5’ UTR中的上游讀碼框（uORF）和3’UTR中的microRNA靶位點在數量上顯著正相關，呈共進化趨勢，提出uORF和microRNA能夠通過“失效保護”（fail-safe）機制，共同調控靶基因mRNA的穩定性或翻譯效率（Zhang et al., 2021, Science Bulletin）。在此綜述中，作者總結該領域相關進展，探討了miRNA調控途徑的起源與演化模式，總結并概述了在兩側對稱動物中自然選擇對miRNA演化的驅動，闡明了兩側對稱動物中miRNA與其潛在靶標的共同演化規律，旨在增進我們對兩側對稱動物miRNA的功能和演化動態的理解。

雖然在植物和動物中都發現了miRNA，但它們在生物發生過程和功能機制方面存在顯著差異。一種假說認為，植物和動物中的miRNA途徑獨立于RNAi途徑進化而來，這意味著現代miRNA是通過趨同進化而出現的。然而，最近來自非兩側對稱后生動物、原生生物和植物的證據提出了另一種可能性，即miRNA途徑可能起源于一個共同祖先（圖1）。動物和植物之間miRNA途徑和miRNA庫的差異主要源于譜系特異性miRNA途徑革新、miRNA途徑缺失、miRNA獲取以及與真核生物最后共同祖先分化后miRNA的缺失。

圖1. 動植物miRNA通路的進化起源

miRNA通路中關鍵組分的保守模式有助于深入了解miRNA通路的進化史（圖2）。AGO和Dicer在各種真核生物中的存在支持了真核生物的最近共同祖先擁有RNAi通路的觀點。ARS2在動物和植物中均存在（在植物中稱為Serrate）。盡管Drosha和Pasha在植物中不存在，但它們起源于后生動物共同祖先之前。這些數據表明，原始動物祖先具有類似于植物和刺胞動物祖先類型的miRNA通路。值得注意的是，在兩側對稱動物中，miRNA通路發生了革新，動物Drosha可能是通過復制Dicer進化而來的。因此，在兩側對稱動物的原始祖先中，Drosha/ARS2/Pasha復合物在處理miRNA前體方面的功能可能類似于DCL/Serrate/HYL1。此外，Loqs基因家族起源于后生動物，并與Dicer合作在細胞質中處理pre-miRNA。因此，對miRNA生物發生機制的進化分析支持了miRNA途徑起源于“共同祖先”的假說。

圖2. 真核生物中miRNA通路的同源蛋白和已注釋的miRNA數目

miRNA革新與形態復雜性之間可能存在聯系。圖3顯示了基于MirGeneDB的系統發育樹中miRNA家族和基因的得失。值得注意的是，在脊椎動物進化到現代人類的過程中，有四個進化分支經歷了大量miRNA家族的增加。首先，在無脊椎動物和脊椎動物分化之前，獲得了32個家族（包含39個miRNA基因）。其次，在脊椎動物的底部，增加了45個新家族（176個miRNA基因）。第三，在真獸亞綱的哺乳動物基礎上，獲得了91個家族（144個miRNA基因）。最后，在人類與小鼠分離后，獲得了111個家族（179個miRNA基因）?？偟膩碚f，這些觀察結果強調了在兩側對稱動物的進化史中，miRNA基因的持續獲取，以及在特定動物譜系中miRNA革新的顯著提高。

圖3. miRNA在兩側對稱動物進化過程中的得失

早期的研究主要使用低通量測序方法，集中研究進化上保守的miRNA。這些miRNA被認為在功能上很重要，并且在各個物種中常常表現出高水平的表達。因此，不同物種間miRNA序列的保守性被視為miRNA鑒定的重要標準。然而，隨著二代測序技術的進步，發現了大量進化上不保守或譜系特異性的miRNA。非保守的miRNA可以通過轉錄基因組區域內的新形成來產生（圖4A）。然而，新形成的miRNA可能會無意中干擾轉錄組或翻譯過程，產生有害影響，導致它們最終被自然選擇從種群中清除。因此，在強大的選擇壓力下，許多新的miRNA在進化中是短暫存在的，并且對特定的譜系具有特異性。復制是促進新miRNA產生的另一種機制。miRNA復制事件可以局部發生在基因組的不同區域，也可以通過全基因組復制事件發生（圖4B）。此外，刺胞動物表現出miRNA前體由其靶位點的反向復制產生的機制，類似于植物中觀察到的過程（圖4C）。

圖4. miRNA誕生和死亡的分子機制

在兩側對稱動物中，miRNA介導的調控通過多種機制呈現趨同進化。miRNA的聚類為新生miRNA提供了生存優勢，并使其獲得與先前存在的miRNA相似的功能。聚類中的miRNA傾向于在空間或時間上共表達，這使得新的miRNA逐漸與同一簇中先前存在的miRNA共享靶基因（圖5A）。另外，同一簇中多個新形成的miRNA可能相互作用以調節重疊的靶基因集（圖5A）。群體遺傳學研究表明，正選擇推動了果蠅和靈長類動物miRNA聚類的建立和進化。miRNA中模仿種子序列的趨同分子進化并不罕見（圖5B），可能在基因調控中發揮關鍵作用。此外，不同miRNA介導的基因調控可導致相似的功能結果，這暗示了趨同的分子進化。舉例來說，在兩側對稱動物的發育過程中，參與母體mRNA降解的miRNA表現出不同的組成和序列（圖5D）。

圖5. miRNA介導的基因調控趨同進化

保守的miRNA通常具有典型的功能性和廣泛的表達。然而，它們也可以通過種子或成熟miRNA序列的變化、時空表達模式的改變以及種子移動或手臂切換來促進物種之間的功能多樣化（圖6）。此外，即使是同源的miRNA，在遠親物種中其靶位點可能也存在差異。

圖6. miRNA介導的基因調控在物種間的分歧進化

miRNA復制后，種子序列、成熟序列之外的區域以及調控miRNA表達模式和加工效率的調控元件都會發生變化（圖7A）。這些機制導致產生多種具有擴展功能的miRNA類似物。復制的miRNA可能展現出時間或空間上的表達差異，從而影響調控不同的靶基因集（圖7B）。相較于單拷貝的miRNA，復制的miRNA具有更大的靈活性，可以在種子區域之外進行序列變化，以優化與新出現的靶位點的匹配（圖7C）。因此，miRNA的復制有助于招募新的靶位點。

圖7. 同源miRNA在復制后的功能多樣化

湖南大學生物學院生物信息學中心王奕蓉副教授是文章的第一作者；王奕蓉及陸劍教授是文章的共同通訊作者; 生命科學學院博士后唐小鹿對該論文做出重要貢獻。該項研究得到了國家自然科學基金委、湖南省自然科學基金、中央高?；究蒲袑ｍ椯Y金、北京大學生科啟東創新基金，以及蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室開放課題的資助。

文章鏈接： https://doi.org/10.1111/brv.13033

參考文獻

1. Luo J#, Wang Y#, Yuan J#, Zhao Z, Lu J* (2018) MicroRNA duplication accelerates the recruitment of new targets during vertebrate evolution. RNA 24(6): 787–802.

2. Wang Y, Luo J, Zhang H, Lu J* (2016) MicroRNAs in the same clusters evolve to coordinately regulate functionally related genes. Molecular Biology and Evolution 33(9): 2232–2247.