Argonaute蛋白在植物逆境脅迫響應(yīng)中的功能

蒲偉軍, 譚冰蘭, 朱莉

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所， 北京 100081)

Argonaute (AGO)蛋白是一類(lèi)RNA結(jié)合蛋白，在sRNA介導(dǎo)的基因沉默中起關(guān)鍵作用。其在轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平參與基因表達(dá)的調(diào)控，維持基因組完整性。作為RNA 誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RNA-induced silencing complex, RISC)的核心蛋白，AGO蛋白是表觀遺傳調(diào)控的主要參與者,在RNAi 中通過(guò)剪切靶向mRNA、翻譯抑制、DNA 甲基化等方式發(fā)揮作用[1]。近年來(lái)，有關(guān)植物中AGO 蛋白的研究日益增多，主要集中在AGO 蛋白的生物學(xué)功能及其結(jié)合的sRNA 類(lèi)型等方面。不同類(lèi)型sRNA 結(jié)合特定的AGO蛋白，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。本文綜述了AGO 蛋白的結(jié)構(gòu)特征、分類(lèi)、作用模式及其在植物逆境響應(yīng)中的生物學(xué)功能，旨在為今后深入研究植物AGO功能提供理論基礎(chǔ)。

1 植物Argonaute蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類(lèi)

AGO蛋白在擬南芥突變體ago1中首次被發(fā)現(xiàn)，因突變株形狀如“八爪魚(yú)”，故命名為Argonaute[2]。該蛋白普遍存在于生物有機(jī)體中，相對(duì)分子質(zhì)量較大(約為105)、家族成員龐大，是sRNA介導(dǎo)的沉默復(fù)合體(RISC)的核心元件。AGO蛋白屬于多結(jié)構(gòu)域蛋白，由可變N端、PAZ(PIWI Argonaut and Zwille)、MID和PIWI(P-element induced wimpy testis)等結(jié)構(gòu)域組成(圖1)。其中，PAZ結(jié)構(gòu)域是sRNA的結(jié)合位點(diǎn)，識(shí)別并結(jié)合sRNA突出的2 nt的3’-端；MID形成像“口袋”一樣的結(jié)構(gòu)，結(jié)合sRNA 5′-磷酸端，將sRNA 錨定在AGO蛋白上；PIWI結(jié)構(gòu)域具有內(nèi)切酶的活性，能夠切割并降解靶mRNA，PIWI內(nèi)存在保守的活性位點(diǎn)Asp-Asp-His (DDH motif)，可能與其催化活性有關(guān)[1]。此外，在AGO蛋白結(jié)構(gòu)中還發(fā)現(xiàn)存在其他較為保守的基序(motif)如ArgoL1(argonaute linker 1)、ArgoL2(argonaute linker 2)以及Gly-rich_Ago1(glycine-rich region of Ago1)等，這些基序在不同AGO蛋白中的位置、有無(wú)及功能間存在差異。有研究表明，SiAGO1b的C端基序是調(diào)控谷子生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)激反應(yīng)所必需的[3]。

注：Gly-rich—富含甘氨酸的區(qū)域；ArgoN—N末端結(jié)構(gòu)域; L1—連接肽1結(jié)構(gòu)域；PAZ—PAZ結(jié)構(gòu)域；L2—連接肽2結(jié)構(gòu)域；Mid—中間結(jié)構(gòu)域；PIWI—PIWI結(jié)構(gòu)域; ◆—預(yù)測(cè)活性位點(diǎn)。Note: Gly-rich—Glycine-rich region; ArgoN—N-terminal domain; L1—Argonaute linker 1 domain；PAZ—PAZ domain；L2—Argonaute linker 2 domain； Mid—Mid domain of argonaute；PIWI—PIWI domain; ◆—Predicted active site.圖1 Argonaute蛋白結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Argonaute protein

目前，除了釀酒酵母外，AGO蛋白在所有真核生物、細(xì)菌和古細(xì)菌中均存在，是一類(lèi)數(shù)目龐大的家族。編碼AGO蛋白的基因在不同物種中差異很大，從粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)中的1個(gè)到秀麗隱桿線蟲(chóng)(Caenorhabditiselegans)的27個(gè)[1]。目前，已經(jīng)在18個(gè)植物物種中鑒定到不同數(shù)量的AGO家族成員，其中，黃瓜(Cucumissativus)中數(shù)量最少，只有7個(gè)，擬南芥 (Arabidopsisthaliana)中有10個(gè)，油菜(Brassicanapus)中最多，有27個(gè)， 表明植物中AGO家族成員的數(shù)量在物種間存在差異[4-6]。

根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化以及AGO蛋白結(jié)合的sRNA 類(lèi)型可將AGO家族分為3 個(gè)亞族，即AGO-like、PIWI-like 和Group 3，目前植物中發(fā)現(xiàn)的AGO蛋白均屬于AGO-like亞家族[7]。從系統(tǒng)發(fā)育的角度又將這些蛋白分成3個(gè)主要的亞類(lèi)：AGO1/5/10、AGO2/3/7和AGO4/6/8/9[8]。其中，AGO18b是禾本科植物所特有的，在花序分生組織發(fā)育和病毒防御方面發(fā)揮著重要作用[9-10]。

2 植物AGO蛋白作用模式

由于植物AGO基因序列在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生大量重復(fù)和缺失，導(dǎo)致該家族不斷擴(kuò)大，功能呈現(xiàn)多樣化[7]。AGO蛋白的功能多樣化很有可能與內(nèi)源性sRNA介導(dǎo)的RNA沉默通路的特化和進(jìn)化過(guò)程有關(guān)。植物AGOs與sRNA的關(guān)聯(lián)主要是基于sRNA的5’-核苷酸序列和/或sRNA雙鏈和AGO蛋白PIWI結(jié)構(gòu)域的序列和結(jié)構(gòu)特征。植物AGO-sRNA復(fù)合物可通過(guò)不同的方式沉默與之互補(bǔ)的DNA或RNA，發(fā)揮其生物學(xué)作用。不同AGO蛋白和特定sRNA之間的互作可將植物RNAi通路分為轉(zhuǎn)錄基因沉默(transcriptional gene silencing, TGS)和轉(zhuǎn)錄后基因沉默(post-transcriptional gene silencing, PTGS)。其中，AGO4/6/9主要參與TGS, 而AGO1/2/3/5/7/10則主要參與PTGS[11-12]。

植物AGOs的作用模式可歸納為七種(圖1)[1]：① 核苷酸內(nèi)切。AGO蛋白的PIWI結(jié)構(gòu)域可利用內(nèi)源性類(lèi)RNAse H活性來(lái)切割靶向RNA?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)幾種，如擬南芥 AGO1、AGO2、AGO4、AGO7和AGO10均可結(jié)合sRNAs并切割與之序列高度互補(bǔ)的靶標(biāo)RNA，切割產(chǎn)物被內(nèi)源性降解途徑的組分降解。此外，植物AGOs的切割活性也是觸發(fā)某些目標(biāo)轉(zhuǎn)錄本中phasiRNAs(phased small-interfering RNAs)擴(kuò)增的必要條件。② 翻譯抑制。擬南芥AGO1和AGO10等與miRNA結(jié)合，并以序列高度互補(bǔ)的RNA為靶點(diǎn)，抑制其翻譯。近期研究表明，AGO7-miR390如結(jié)合到TAS3a非編碼轉(zhuǎn)錄本中的一個(gè)不可切割的miR390靶位點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致核糖體堆積，進(jìn)而抑制翻譯延伸。然而，通過(guò)結(jié)合AGO-miRNA復(fù)合體來(lái)直接阻斷核糖體運(yùn)行，這種由植物miRNA介導(dǎo)的翻譯抑制的貢獻(xiàn)似乎有限。③ 典型RdDM(RNA-directed DNA methylation)途徑。DNA甲基化可調(diào)控基因表達(dá)，阻斷轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)座，從而維持基因組的完整性。在植物中，典型的DNA甲基化主要是在AGO4-siRNA復(fù)合物介導(dǎo)的依賴于RNA的RdDM途徑中發(fā)揮作用。④ miRNA螯合。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥AGO10、水稻AGO18可分別螯合來(lái)自AGO1的miR165/166、miR168和miR528，進(jìn)而調(diào)控莖尖分生組織發(fā)育和防御病毒。⑤ 雙鏈斷裂修復(fù)(DSB)。擬南芥AGO2與DSB誘導(dǎo)的siRNAs(diRNAs)結(jié)合，介導(dǎo)DSB修復(fù)。⑥ siRNA生成不依賴于DCL(dicer-like)蛋白。DCL是siRNA產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，而AGO4可以與初生的Pol II RNA結(jié)合，再經(jīng)由3’-5’外切酶剪切產(chǎn)生siRNAs，該過(guò)程不需要DCL蛋白的參與。⑦miRNA基因表達(dá)的協(xié)同轉(zhuǎn)錄調(diào)控。在鹽脅迫下，AGO4指導(dǎo)新生miR161或miR173前體的切割，以協(xié)同轉(zhuǎn)錄方式調(diào)控miRNA的產(chǎn)生。隨著研究的不斷深入，將進(jìn)一步發(fā)掘出AGO蛋白新的作用模式。

注：①核苷酸內(nèi)切；②翻譯抑制；③經(jīng)典RdDM途徑；④ microRNA螯合；⑤雙鏈斷裂修復(fù)(DSB)；⑥不依賴DCL的siRNA生物發(fā)生；⑦ miRNA基因表達(dá)的協(xié)同轉(zhuǎn)錄調(diào)控。Note: ① Endonucleolytic cleavage; ② Translational repression; ③ Canonical RdDM pathway; ④ MiRNA sequestration; ⑤ Double-stranded break repair (DSB); ⑥ DCL-independent siRNA biogenesis; ⑦ Cotranscriptional regulation of miRNA gene expression.圖2 植物AGO蛋白的作用模式[1]Fig.2 Modes of action of plant AGO protein[1]

3 AGO蛋白在植物逆境脅迫響應(yīng)中的功能

近年來(lái)，有關(guān)AGO蛋白在植物逆境脅迫響應(yīng)中的功能一直是研究熱點(diǎn)之一。病蟲(chóng)害、極端溫度、鹽堿、干旱和營(yíng)養(yǎng)缺乏等逆境脅迫是限制植物地理分布和作物產(chǎn)量的主要因素。為了減少這些逆境脅迫的不利影響，植物已經(jīng)進(jìn)化出了特定的機(jī)制得以生存。其中,microRNA (miRNA)介導(dǎo)的基因表達(dá)調(diào)控是植物應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫的重要機(jī)制之一[13]。而AGO蛋白作為RISC的核心元件，是miRNA功能通路的關(guān)鍵組分，不僅參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控，還參與調(diào)控植物逆境脅迫的應(yīng)答。植物AGO蛋白的生物學(xué)作用簡(jiǎn)要?dú)w納如表1所示。

表1 植物AGO蛋白的生物學(xué)功能Table 1 Biological functions of plant AGO proteins

3.1 AGO蛋白在植物響應(yīng)生物脅迫中的生物學(xué)功能

自然界中各種生物和非生物逆境脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響。生物脅迫是指對(duì)植物生存與發(fā)育不利的各種生物因素的總稱，通常是由感染和競(jìng)爭(zhēng)所引起的，如病害、蟲(chóng)害、雜草危害等。已有研究表明，AGO蛋白在植物對(duì)生物脅迫的響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

3.1.1防御病毒 病原微生物可導(dǎo)致作物的產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重的損失，植物會(huì)通過(guò)各種途徑來(lái)抵御病毒侵染等逆境脅迫，近年來(lái)研究表明，AGO蛋白在植物防御病毒過(guò)程中扮演著重要角色[14-21]。至今已發(fā)現(xiàn)植物中有很多AGO蛋白具有病毒防御功能，如擬南芥AtAGO1/2/3/4/5/7/10[14-16]，煙草NbAGO1/2/4/10[17-20]以及水稻OsAGO1/18[21]。然而，不同AGO蛋白在病毒防御中所發(fā)揮的作用不同，如AGO1主要參與miRNA介導(dǎo)的基因沉默和轉(zhuǎn)錄后基因沉默[12]；AGO2主要參與miRNA介導(dǎo)的基因沉默、翻譯抑制，并在免疫應(yīng)答中發(fā)揮作用[54]；AGO4主要通過(guò)結(jié)合24 nt siRNAs形成RNA介導(dǎo)的DNA甲基化復(fù)合物(RdDM)，參與DNA甲基化和轉(zhuǎn)錄基因沉默[47, 50]；AGO5可結(jié)合21～24 nt siRNAs，參與轉(zhuǎn)錄后基因沉默和系統(tǒng)抗性[55]。

不同的病毒侵染會(huì)誘發(fā)宿主植物產(chǎn)生不同的對(duì)抗機(jī)制，AGO蛋白在植物病毒防御機(jī)制中可能通過(guò)結(jié)合病毒產(chǎn)生的siRNA來(lái)抑制病毒自身RNA的表達(dá)。vsiRNA(virus-derived small interfering RNAs)是病毒來(lái)源的RNA 或dsRNA被植物DCL(dicer-like)加工成的21～24 nt siRNA，與AGO蛋白特異性結(jié)合后，通過(guò)剪切或翻譯抑制等方式靶向和抑制同源病毒RNA，從而增強(qiáng)病毒防御能力[56]。AGO蛋白也可能通過(guò)調(diào)控防御基因的表達(dá)來(lái)間接影響病毒的復(fù)制，如水稻植株受到RSV(rice stripe virus)侵染后，OsAGO18基因被誘導(dǎo)性表達(dá)，分別通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR168和miR528解除OsAGO1的負(fù)調(diào)控和釋放miR528對(duì)AO(抗壞血酸氧化酶)的負(fù)調(diào)控，AO 通過(guò)氧化抗壞血酸調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)植物體內(nèi)活性氧(ROS) 的積累，從而達(dá)到病毒防御的效果[57]。在煙草中發(fā)現(xiàn)，AGO4 蛋白對(duì)病毒轉(zhuǎn)錄本翻譯的調(diào)控可能是R基因(NB-LRR) 介導(dǎo)的抗病毒機(jī)制中的一個(gè)關(guān)鍵因素[58]。此外，AGO蛋白還有可能通過(guò)調(diào)控其他AGO蛋白的功能來(lái)影響其抗病毒防御功能，如AGO1 和AGO2以非冗余和合作的方式抵御病毒侵染[59]，而擬南芥DRB4、AGO1、AGO7和RDR6共同參與DCL4啟動(dòng)的被DCL1負(fù)調(diào)控的抗病毒RNA沉默通路[60]。以上研究表明植物抗病毒防御網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜與多樣性。

3.1.2防御細(xì)菌 AGO蛋白在植物抵御細(xì)菌侵染方面具有重要作用，如AGO1依賴型的miRNA正調(diào)控PAMP(pathogen-associated molecular pattern)誘導(dǎo)的胼胝質(zhì)沉積和細(xì)菌抗性。細(xì)菌鞭毛蛋白來(lái)源的多肽flg22可觸發(fā)AGO1結(jié)合，促進(jìn)先天免疫系統(tǒng)和幾丁質(zhì)應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄[29]。衍生肽誘導(dǎo)的miRNAs (miR393)可通過(guò)兩種不同的AGOs蛋白在抗菌免疫中發(fā)揮作用。其中與AGO1相關(guān)的miR393和與AGO2相關(guān)的miR393*分別與PTI(PAMP-triggered immunity)和ETI(effector-triggered immunity)有關(guān)[61]。番茄細(xì)菌性葉斑病是由Pseudomonassyringaepv.tomato引起的一種世界范圍內(nèi)廣泛發(fā)生的植物細(xì)菌性病害, AGO4作為RdDM通路的重要組成部分，在調(diào)節(jié)植物病原細(xì)菌DC3000抗性中發(fā)揮獨(dú)特功能。若RdDM通路組分的功能缺失，會(huì)導(dǎo)致AGO4的上游或下游都不利于對(duì)P.syringae的抗性。因此，在細(xì)菌感染后，AGO4下調(diào)表達(dá)，抑制RdDM通路，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)錄基因沉默(TGS)[62]。以上研究表明，RNAi機(jī)制是植物抵御各種病原菌的一種常見(jiàn)的內(nèi)源性防御機(jī)制，其中AGO蛋白作為重要核心元件發(fā)揮著重要的作用。

3.1.3防御病原真菌 除了在病毒防御方面的功能外，植物和植物真菌病原體具有相似的RNAi機(jī)制，一方面被宿主用來(lái)防御病原體，另一方面被入侵生物利用來(lái)生長(zhǎng)、發(fā)育和致病。真菌DCLs產(chǎn)生sRNAs，通過(guò)與植物AGO1蛋白結(jié)合，劫持RNAi機(jī)制，沉默宿主免疫系統(tǒng)[63]。研究發(fā)現(xiàn)，植物RNAi組分在不同寄主植物中的直接參與和差異表達(dá)對(duì)真菌病原的影響存在矛盾。擬南芥突變體dcl4、ago1、ago2、ago7、ago9等對(duì)大麗輪枝菌(VerticilliumdahliaKleb.)、菌核病菌(Sclerotiniasclerotiorum)和疫霉菌(Phytophthoraspecies)感染更敏感，表現(xiàn)出增強(qiáng)的癥狀[6]。而油菜(Brassicanapus)AGO1蛋白的敲除則增強(qiáng)了對(duì)大麗輪枝菌(V.dahlia)和長(zhǎng)孢黃萎病菌(Verticilliumlongisporum)的抗性[24]。VmAGO2是蘋(píng)果腐爛病菌(Valsamali)致病力的關(guān)鍵因素，可導(dǎo)致蘋(píng)果葉片和嫩枝患病[64]。最新研究發(fā)現(xiàn)，NaAGO4可通過(guò)調(diào)節(jié)茉莉酸信號(hào)途徑調(diào)節(jié)對(duì)短枝鐮刀菌(Fusariumbrachygibbosum)的抗性[26]。下一步的研究需要了解RNAi通路各組分的確切機(jī)制和協(xié)同策略，有望解決植物對(duì)各種病原體的復(fù)雜的防御系統(tǒng)。

3.1.4防御害蟲(chóng)AtAGO8在擬南芥所有組織中表達(dá)量均較低，曾被認(rèn)為是一個(gè)假基因，然而，在煙草中研究發(fā)現(xiàn)，NaAGO8基因沉默的煙草會(huì)使煙草天蛾生長(zhǎng)加快，NaAGO8蛋白是通過(guò)結(jié)合的sRNA 調(diào)控MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)尼古丁、芬妥胺類(lèi)和二萜苷類(lèi)物質(zhì)的合成與代謝途徑來(lái)誘導(dǎo)抗性響應(yīng)。此外，NaAGO8基因沉默還會(huì)影響植物激素(例如JA和ABA) 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，表明NaAGO8可通過(guò)調(diào)節(jié)草食動(dòng)物反應(yīng)中防御信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)調(diào)控節(jié)點(diǎn)，在誘導(dǎo)直接防御中發(fā)揮核心作用[27]。近期也有研究發(fā)現(xiàn)，小麥TaAGO5在調(diào)節(jié)對(duì)麥雙尾蚜(Diuraphisnoxia)侵染的反應(yīng)中至關(guān)重要。在麥雙尾蚜抗性小麥中，TaAGO5基因被敲除22%導(dǎo)致完全敏感，表明TaAGO5在小麥蚜蟲(chóng)取食過(guò)程中防御反應(yīng)很關(guān)鍵，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，TaAGO5可能在小麥病毒侵染過(guò)程中發(fā)揮作用。眾所周知，AGO5蛋白主要是在雙子葉植物對(duì)節(jié)肢動(dòng)物草食和病毒感染的反應(yīng)中發(fā)揮作用，而TaAGO5的這一作用可能在小麥等單子葉植物中也是保守的[28]。

3.2 AGO蛋白在植物響應(yīng)非生物逆境脅迫中的生物學(xué)功能

已有研究表明，植物中不同AGO基因在不同逆境脅迫下(冷、熱、激素、鹽、干旱等)呈現(xiàn)出不同程度的表達(dá)差異，但其表達(dá)模式既具有保守性，也具有物種的特異性，并且每種AGO蛋白所發(fā)揮的功能也不盡相同[4, 65-66]。

AGO1是目前AGO蛋白家族研究中所發(fā)現(xiàn)的參與通路最多、功能最豐富的一類(lèi)，研究表明，AGO1蛋白主要通過(guò)sRNAs-AGO1-miRNAs所形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境脅迫響應(yīng)等生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[29, 67]。AGO1功能缺失通常會(huì)導(dǎo)致植株表現(xiàn)出矮稈、窄葉、花序不育、葉片早衰、結(jié)實(shí)率低等發(fā)育異常表型[3]。AGO1在調(diào)控miRNA介導(dǎo)的耐旱機(jī)制方面起著關(guān)鍵性作用[67-68]。在ABA和干旱處理下，擬南芥中AGO1轉(zhuǎn)錄活性增加，在脅迫反應(yīng)期間，miR168a轉(zhuǎn)錄水平的升高是維持穩(wěn)定的AGO1轉(zhuǎn)錄水平所必需的。表明miR168a的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和AGO1穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在植物響應(yīng)非生物脅迫和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要而保守的作用[67]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中AGO1功能缺失不僅促進(jìn)葉片氣孔關(guān)閉，從而導(dǎo)致耐旱性提高，而且可改變擬南芥對(duì)ABA和其他非生物脅迫的響應(yīng)，表明AGO1可能是擬南芥ABA信號(hào)通路和脅迫響應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子[68]。小RNA測(cè)序和降解組分析表明，miRNA及其特異性靶標(biāo)包括miRNA效應(yīng)蛋白AGO1、干旱信號(hào)相關(guān)受體和酶、轉(zhuǎn)錄因子以及其它結(jié)構(gòu)和功能蛋白在茶樹(shù)抗旱反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[69]。NAC轉(zhuǎn)錄因子衍生的階段性小干擾RNA (phased secondary small interfering RNA，phasiRNA)受miR1514a調(diào)控，AGO1通過(guò)與phasiRNA結(jié)合在豆科植物干旱脅迫響應(yīng)中發(fā)揮功能[70]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，AGO1不僅作為RNA結(jié)合蛋白，還作為DNA結(jié)合蛋白，在植物響應(yīng)激素和逆境脅迫過(guò)程中結(jié)合染色質(zhì)并促進(jìn)茉莉酸等信號(hào)通路的基因表達(dá)，表明AGO1在植物響應(yīng)不同內(nèi)外源信號(hào)過(guò)程中具有異于經(jīng)典RNA干擾而激活基因表達(dá)的調(diào)控功能[29]。AGO蛋白的穩(wěn)定性是其行使生物學(xué)功能的前提，有研究發(fā)現(xiàn)，重金屬銫Cs毒性可破壞miRNAs前體的加工過(guò)程和AGO1蛋白的穩(wěn)定性，影響miRNA和AGO1蛋白介導(dǎo)的基因沉默，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)育紊亂[71]。

AGO2可以通過(guò)結(jié)合多種miRNA靶區(qū)(ORF, 3’-UTR)行使其催化裂解活性、翻譯抑制潛能和抗逆境活性[1]。當(dāng)細(xì)胞響應(yīng)逆境脅迫時(shí)，AGO2與mRNA的相互作用會(huì)發(fā)生重構(gòu)，并與翻譯效率的改變相關(guān)[54]。RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體RISCs(RNA-induced silencing complexes)可能通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合介導(dǎo)RNA干擾，阻止AGO2的募集而抑制應(yīng)激顆粒(stress granule)的形成，表明AGO2在響應(yīng)逆境脅迫中具有重要的調(diào)控作用[72]。

RNA介導(dǎo)的DNA甲基化(RdDM)途徑在調(diào)控生物和非生物的應(yīng)激反應(yīng)方面發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，AGO4、AGO6可以通過(guò)RdDM途徑參與基因和轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄沉默[50]。通過(guò)對(duì)擬南芥中AGO4相關(guān)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNAs)的分析發(fā)現(xiàn)，AGO4可能通過(guò)RdDM引導(dǎo)基因核染色質(zhì)修飾、阻止隱性轉(zhuǎn)錄而維持或激活脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，表明植物AGO蛋白在RdDM調(diào)控植物響應(yīng)逆境脅迫過(guò)程中起著非常重要的作用[51]。

AGO5通過(guò)與擬南芥miR156的互作可抑制衰老誘導(dǎo)的開(kāi)花過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，AGO5可通過(guò)光照、環(huán)境因素等調(diào)控SPL(SQUAMOSA-PROMOTER BINDING LIKE)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控開(kāi)花時(shí)間。AGO5主要是在分生組織(而非營(yíng)養(yǎng)器官)中介導(dǎo)了miR156的活性，表明miR156衰老途徑的時(shí)空調(diào)控是通過(guò)不同組織中不同的AGO蛋白介導(dǎo)的[43]。

種子休眠期短是導(dǎo)致種子在穗收獲前萌發(fā)的最重要的方面，受各種環(huán)境因素的影響，包括光、溫度等。研究表明，作為RdDM途徑關(guān)鍵因子，AGO4_9類(lèi)蛋白可能參與調(diào)控植物種子休眠和萌發(fā)的生物學(xué)過(guò)程，AGO802-B可能通過(guò)調(diào)節(jié)DNA甲基化在種子休眠和收獲前萌發(fā)(pre-harvest sprouting，PHS)抗性方面發(fā)揮作用[73]。以上研究表明，不同AGO蛋白在響應(yīng)逆境脅迫中其表達(dá)模式及生物學(xué)功能存在差異。

此外，在同一逆境脅迫下，不同AGO蛋白響應(yīng)特點(diǎn)及作用機(jī)制會(huì)有所不同。比如在鹽脅迫下AGO1可通過(guò)協(xié)同轉(zhuǎn)錄調(diào)控細(xì)胞核中miR161和miR173的表達(dá)來(lái)做出響應(yīng)[12]。而AtAGO2對(duì)鹽脅迫的調(diào)控作用則依賴于一個(gè)RNA結(jié)合蛋白MUG13.4，并在轉(zhuǎn)錄水平通過(guò)影響SOS級(jí)聯(lián)信號(hào)傳遞途徑，提高擬南芥對(duì)鹽脅迫的耐受性[30]。環(huán)型泛素連接酶McCPN1在鹽生植物中可催化UBC8依賴性蛋白泛素化并與AGO4相互作用。在鹽脅迫下，McCPN1可能參與了AGO4的催化降解[74]。在鹽脅迫條件下LBD12-1轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)抑制AGO10的表達(dá)來(lái)控制根尖分生組織的大小[44]。

以上研究表明，應(yīng)對(duì)不同逆境脅迫，不同的AGO基因表述模式和響應(yīng)機(jī)制有所不同。這些結(jié)果為進(jìn)一步研究AGO蛋白在植物逆境響應(yīng)中的作用提供了依據(jù)。

3.3 輔助AGO作用的蛋白

植物的抗逆性是由多基因控制的復(fù)雜性狀，涉及到生物個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育的維持、滲透及離子吸收的調(diào)節(jié)和平衡適應(yīng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝等諸多方面，相關(guān)基因之間相互作用使植物的抗逆性得以表現(xiàn)。比如豌豆P68 蛋白(Pisumsativump68，PSP68) 作為非生物氧化和應(yīng)激反應(yīng)通路的分子開(kāi)關(guān)，通過(guò)與AGO1 蛋白相互作用，可改善作物對(duì)逆境的耐受性[75]。原則上，植物AGO蛋白通常需要輔助因子來(lái)發(fā)揮它們的功能，比如AGO蛋白需要熱休克蛋白(Hsp70-Hsp90)來(lái)陪伴和水解ATP以完成加載過(guò)程和構(gòu)象變化[76]。然而，迄今為止被鑒定到與植物AGO蛋白相互作用的蛋白質(zhì)數(shù)量有限。目前已知的植物AGO互作蛋白主要有CYP40、HSP90和TRN1，它們與AGO1相互作用在逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮功能[1, 77]。近期研究，發(fā)現(xiàn)擬南芥中一種核定位的內(nèi)在紊亂蛋白，名為CARP9蛋白(CONSTITUTIVE ALTERATIONS IN THE SMALL RNAS PATHWAYS9)，在細(xì)胞核中連接HYL1(HYPONASTIC LEAVES1)和AGO1以促進(jìn)sRNA活性[78]。其他與AGO互作蛋白還有待于進(jìn)一步發(fā)掘、鑒定。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，在擬南芥、水稻、煙草等模式作物中有關(guān)AGO蛋白家族的結(jié)構(gòu)和功能研究廣泛且系統(tǒng)，表明其作為RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體的核心元件，不同家族成員之間的功能既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。然而目前在植物AGO蛋白研究領(lǐng)域中仍存在如下幾個(gè)問(wèn)題：一是AGO蛋白靶標(biāo)RNA還有待進(jìn)一步探索；二是AGO蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子在很大程度上未知；三是AGO蛋白在植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)中的生物學(xué)功能及作用機(jī)制尚不明確，尤其是在非生物脅迫方面的功能研究相對(duì)較少。AGO蛋白的未知新功能值得進(jìn)一步探索。

未來(lái)需要解析AGO蛋白發(fā)揮生物學(xué)功能的上游調(diào)控途徑以及互作因子，即不同AGO蛋白在哪些miRNA/siRNA發(fā)揮功能時(shí)起作用，AGO 蛋白對(duì)sRNA的選擇機(jī)制有待進(jìn)一步揭示；這些miRNA/siRNA的靶標(biāo)基因是什么，靶標(biāo)基因又如何調(diào)控AGO蛋白在植物逆境脅迫響應(yīng)中的作用，以進(jìn)一步深入解析不同逆境脅迫條件下不同AGO蛋白發(fā)揮的具體功能及其作用機(jī)制。