MicroRNA 可以使植物更有能力抵抗干旱、盐度、病原体等。然而，在《自然植物》杂志发表的一项研究中，德克萨斯农工大学农业生命研究科学家表明，我们对植物生产 MicroRNA 的复杂过程知之甚少。

MicroRNA 是能够引导蛋白质降低基因表达的小分子，而设计人工版本可以让科学家针对特定基因来改良作物。

“尽管这些 microRNA 分子非常微小，但它们的影响却是巨大的，”德克萨斯 A&M 大学农业与生命科学学院生物化学与生物物理系 Christine Richardson 特聘教授、德克萨斯 A&M 大学文理学院生物系兼职教授、该研究的首席研究员 Xiuren Zhang 博士说道。

德克萨斯 A&M 农业生命学院的研究人员利用精确的突变和巧妙的实验设计，重新评估了模型生物拟南芥中的微小RNA状况，发现其中不到一半被正确识别为微小RNA，而其他的则被错误分类或需要进一步研究。

除了阐明拟南芥中真正的microRNA分子外，这项研究还提供了一种有效的实验设计，可以在其他作物甚至动物中重复研究，这些作物可能需要类似的研究。该团队的发现还帮助他们制定了设计人工microRNA的最新指南，为玉米、小麦、大豆和水稻等作物的改良打开了大门。

研究生助理闫星星和博士后研究员李昌浩博士是该研究的共同第一作者。

十年的努力

MicroRNA 的长度统一为 21 到 24 个核苷酸。但张教授表示，在植物中，它们的前体具有各种形状和大小。

由于前体的结构多样性，确定哪些关键特征对其加工最重要一直是一个挑战，而微小RNA在植物中如何产生的问题在很大程度上尚未得到探索和验证。

张教授说，大约 10 年前，他和他的实验室发现了前体 microRNA 结构上的一个环与第一个切割位点之间的一种模式。这个初始切割很重要，因为它决定了成熟 microRNA 分子上的第一个核苷酸，这是将其引导到细胞中正确位置的重要因素。

不幸的是，在拟南芥中假定的 326 个 microRNA 前体中，只有少数具有张实验室发现的理想参考环——至少根据计算模型是如此。

“这些模型是基于纯化学的，”张说。“它们只关注自由能，关注什么应该是最稳定的形式。但它无法解释为什么如此多不同的前体最终会形成相同大小的产物。”

张教授的实验室并不依赖模型，而是试图在植物中验证 microRNA 前体。他们希望找到前体上的第一个切割位点，并确认其在细胞内的结构决定因素。

意外的发现

为了实现这一目标，研究人员对切丁酶蛋白进行了高度特异性的突变。顾名思义，切丁酶蛋白负责对 microRNA 前体进行精确切割。正常情况下，切丁酶蛋白就像两只手，握住双链 RNA 前体，同时在每条链的某个位置进行切割，然后释放 RNA 分子。

“我们在切丁酶样蛋白的两个位置分别进行了点突变，使它们处于半活性状态，”Yan 说道。“这样，它们只能切割一条链并在进一步加工之前停止。这让我们有机会捕获 microRNA前体的中间产物，从而告诉我们最初的加工位点和第一个核苷酸。”

他们的研究结果表明，在 326 种假定的 microRNA 前体中，只有 147 种与 dicer 蛋白有明确的相互作用，这标志着它们为真正的 microRNA 前体。81 种根本没有相互作用，这表明它们应该被重新归类为不同类型的 RNA。大约 100 种需要进一步研究。

研究团队还利用先进的高通量技术和新的计算方法，绘制了microRNA前体在自然细胞条件下的结构，发现在147个真正的microRNA分子中，约95%的细胞结构与计算机预测不同。

“我们发现一些结果与预测和文献有很大不同，”李说。“我们能够将生化结果与下一代测序结合起来，以获得更多信息，现在我们对结构的理解更加准确。”

未来

该团队仍有更多 microRNA 前体需要在拟南芥中验证，但张教授表示，他们很高兴能够开展合作，研究农作物中的 microRNA 加工，以实现更多实际应用。

他说：“我们想更多地了解其他作物中存在哪些种类的微小RNA，它们是如何被加工的，以及如何在其中制造人工微小RNA。”

“这项研究提供了可广泛使用的资源，现在我们可以用它来重新审视其他作物，找出需要纠正的地方，看看我们还能用这个工具做些什么。”