2021年9月24日，Nature Reviews Molecular Cell Biology（IF=94）杂志在线发表了来自美国加州大学河滨分校陈雪梅及特拉维夫大学Oded Rechavi合作题为“Plant and animal small RNA communications between cells and organisms”的综述文章，该综述讨论了来自不同的植物和动物的证据证明了small RNA 可以以非细胞自主的方式起作用，甚至可以在物种之间交换信息。该综述还讨论了对smallRNA通讯的机制见解，例如移动“形式”的特征、运输过程中的小 RNA 信号放大、目的地的信号感知和小 RNA 活性等方面。此外，该综述文章还提倡在解释这一研究领域的数据时要谨慎。
尽管细胞中可能存在多种短RNA 并具有功能，但在该综述中，仅讨论长度为 20-40nt的smallRNA，它们结合Argonaute 蛋白并以序列特异性方式靶向基因组位点以调节基因表达，例如 miRNA、siRNA和 piRNA。除了序列特异性的要求，来自外源和内源的smallRNA 可以作为植物或者线虫中的移动信号，形成系统性 RNAi。如下图：
small RNA的产生机制和作用模式示意
1. 外源 sRNA 的运输
a.在植物中通过移动 siRNA沉默基因
大多数植物细胞通过胞间连丝与其相邻的细胞相连。胞间连丝通常直径可达数十纳米，能允许细胞间符合直径大小的大分子交换。此外，植物中的韧皮部可以进行营养物质和大分子的长距离运输。因此，胞间连丝和韧皮部将植物的各个部分连接成一个整体，允许将移动分子加载到植物任何地方。
植物中的转基因倾向于触发 RNA 介导的基因沉默。研究表明siRNA作为转基因触发的基因的移动信号沉默。例如，反向重复IR-GF转基因对 GFP 的沉默伴随着从 IR-GF 产生长度为 21、22 和 24 nt 的 siRNA. 当将 IR-GF 植物嫁接到野生型根上时，在根中检测到各种大小的 siRNA。在dcl234三重突变体的嫁接根中也检测到这些 siRNA，表明 siRNA 是可移动的。
信号放大是非细胞自主基因沉默的重要组成部分。信号放大的一个关键特征是传递性——一种由特定转录物产生的初级 siRNA 触发次级 siRNA 的产生的过程。传递性需要 AGO1-SGS3-RDR6途径。传递性触发初级 siRNA 往往是 22 nt 长度。此外系统性 RNA 介导的基因沉默中的信号放大还需要核通路，该通路需要Pol IV、RDR2、DCL3 和 AGO4。该途径产生 24-nt siRNA用于 RdRM途径。嫁接实验表明，受体细胞中移动 RNA 信号的感知需要RdRM途径因子。
b. 植物沉默RNA移动的途径和调控
调节非细胞自主性 RNA 介导的沉默的机制尚不清楚。沉默 RNA 的长距离移动被认为需要源组织中的细胞间移动和韧皮部递送，以及韧皮部卸载，然后在受体组织中进行细胞间移动。细胞间运动的通道可能是胞间连丝，因为非细胞自主沉默的传播无法访问气孔。基因沉默的细胞间传播的形式可能是小 RNA 双链体。此外，与 AGO1 和其他 Argonaute 蛋白的结合可能是一种调节小 RNA 迁移的机制，可能存在额外的监管机制。两种质膜相关和胞间连丝相关的受体样激酶 BAM1 和 BAM2，对于 RNA 介导的沉默的细胞间传播是功能冗余，它们可能调节胞间连丝对小 RNA 的渗透性。
small RNA能在细胞间或长距离移动
c.线虫中外源 RNA 的运输
在线虫中，特定组织中产生 dsRNA 的转基因的细胞特异性表达导致大多数其他组织中的非细胞自主基因沉默反应（神经系统除外）。目前尚不清楚哪种 RNA 种类可以在细胞之间移动。涉及合成初级或次级 siRNA 所需基因的组织特异性回补实验表明，外源性siRNA 双链体或更长的 dsRNA是在细胞之间移动的分子（如上图所示）。
d. 昆虫中的非细胞自主 RNA的运输
一些昆虫表现出强大的系统性 RNAi 反应。昆虫和线虫在小 RNA 的细胞间运动机制方面似乎既有相似之处，也有不同之处。最近的证据表明，黑腹果蝇细胞也使用由肌动蛋白和微管蛋白组成的纳米管状结构将 dsRNA 和 RNAi 机制传递给其他细胞，这让人想起能够在植物中细胞间传递小 RNA 的胞间连丝。
e. 系统性 RNAi 的生理作用
植物和线虫中转基因来源 siRNA 的系统扩增和活性可能反映了病毒来源 siRNA 的相似功能，后者靶向病毒 RNA 进行降解。例如，很可能来自受病毒感染的叶子的病毒来源 siRNA 被递送到健康的叶子，当病毒到达这些叶子时，它们在那里“引发”抗病毒 RNAi。RNAi 对节肢动物的抗病毒保护也很重要，包括在黑腹果蝇中，其中 dsRNA 摄取途径有缺陷的突变体对 C 病毒和辛德毕斯病毒感染特别敏感。
除了直接沉默同源靶点外，可移动的外源小 RNA 可能会间接影响基因表达。例如，暴露于某些丰富的外源性小 RNA 或 dsRNA 以及它们在细胞之间的穿梭可能会影响其他内源性小 RNA 在不同组织中的利用，从而影响其靶基因的调节。
2. 内源性小 RNA 的运输
在植物中，内源性小 RNA，包括 siRNAs 和 miRNAs，可以通过韧皮部从芽到根的全株运输。然而，系统性小 RNA 的生物学影响程度在很大程度上仍然未知，因为功能仅归因于少数系统性小 RNA。植物内源性小 RNA 也可以在细胞之间局部传播，并且许多可移动的小 RNA 已被证明可作为形态发生因子。在动物中，可以在不同的生物体液中检测到大量的内源性细胞外小 RNA，它们的分析可用于人类疾病的诊断。
a. 植物中的移动 siRNA
phasiRNAs广泛存在于陆生植物中，并且不同类型的蛋白质编码基因家族或非编码RNAs被miRNAs靶向以在不同物种中产生phasiRNAs。在高度保守的 miR390-TAS3-ARF 模块中，miR390 触发从TAS3转录物产生phasiRNAs，其中一个包含反式作用 siRNAs (tasiRNAs)的子集随后抑制ARF基因 (tasiR -ARF）。在表皮细胞中生成的 tasiR-ARF 会抑制皮下细胞的 MMC 识别，说明phasiRNAs 是可以是移动的。
此外，在禾本科植物中miR2118 和 miR2275 靶向从数百到数千个产生 phasiRNA 的位点 (PHAS) 产生的转录本，分别在花药中和子房中以较低水平产生 21-nt 和 24-nt phasiRNAs。尽管生殖组织 phasiRNAs 的功能在很大程度上仍然未知，但删除一组水稻MIR2118基因会导致雄性和雌性不育，这意味着 phasiRNAs 在生殖中起作用。玉米中，21nt和24-nt生殖phasiRNAs 也可以是移动的。因此，21-nt 和 24-nt phasiRNAs 可以作为细胞间通讯的形式。然而，它们的分子和生物学功能仍然在很大程度上未知。
此外，植物另一大类内源性 siRNA 是异染色质 siRNA，它们源自转座元件和其他重复序列，并在其源基因座或同源基因座引导 DNA 甲基化。24-nt siRNA 可以从芽到根的系统移动，并且移动 24-nt siRNA 会触发根中的 DNA 甲基化和沉默。因此，可移动的 24-nt siRNA 具有功能性，这增加了它们在远处组织（包括分生细胞）上传递特定表观遗传变化的可能性，这可能将表观遗传变化传递给后代细胞。需要注意的是，现有研究中小 RNA 从芽到根的运输可能代表韧皮部中营养物质的运动方向——从源（光合作用组织）到汇（输入营养物的组织）。因此，小 RNA 也会通过韧皮部移动到其他汇组织，例如茎尖分生组织。
b. 植物中的移动 miRNA
植物 miRNA 在植物发育和胁迫反应的各个方面都具有关键作用。miRNAs 可作为发育信号或应激反应中的信号。大多数移动 miRNA 的生物学功能仍有待研究，现在仅有几种具有既定生物学功能的移动 miRNA。至少两种 miRNA 的细胞间运输已被证明可以调控细胞命运。如在叶原基中miR165/6和茎尖分生组织的表皮层的miR394。此外，还观察到 miRNA 的系统性运输。miRNA可通过韧皮部运输到远处组织。这通过嫁接实验得到证实。如在豆科植物中miR2111 可能是调节根瘤数量的芽-根信号的形式。
c. 植物中移动小 RNA 的调控
与细胞自主性小 RNA 相比，非细胞自主性小 RNA 的独特调节功能。第一是从源细胞向受体细胞发出信号。如miR399 和 miR395 以及调节结瘤的 miR2111 的情况下，芽到根的运输可能是芽调节根对养分吸收的一种手段。第二，移动小 RNA 的另一个功能是在细胞发育领域内生成位置信息。另一个考虑因素是基于小 RNA 的信号传导可能与例如肽或激素的信号传导有所不同。一方面，小RNA的基因调控具有靶基因-小RNA序列特异性的明显优势，这限制了受体细胞对少量靶基因的反应。在肽或激素的情况下，信号通路通常调节转录因子的活性，转录因子可能有成百上千个靶基因。
作为信号分子，非细胞自主性小 RNA 本身很可能受到调控。与源自转基因的 siRNA 一样，内源性小 RNA 可能通过胞间连丝在细胞间移动。与 siRNA-siRNA* 双链体类似，miRNA-miRNA* 双链体（而不是它们的前体 miRNA）可能是移动形式。小 RNA 似乎通过被动扩散移动，导致从源到目的的丰度梯度。然而，这种运动不一定不受管制，因为它在某些细胞界面处是有方向的。此外，小 RNA 生物发生的亚细胞定位也可能影响小 RNA 的移动性。
d. 线虫中的移动内源性小 RNA
虽然已经获得了很多关于线虫中外源 RNA 运动的知识，但仍不清楚哪些类型的内源性小 RNA 可以在秀丽隐杆线虫中从细胞移动到细胞。sid-1突变体的表型表明内源性小 RNA 确实在细胞之间移动。
e. 哺乳动物中的移动内源性小 RNA
在哺乳动物中，细胞外环境，尤其是体液，富含不同的内源性小 RNA。细胞外小 RNA 的释放可能受到调节，也可能是由凋亡细胞的非特异性破裂引起的。小 RNA 可能是“裸露的”或被蛋白质结合，并且可以在不同的囊泡（例如外泌体）内部或外部移动。有研究已经证明了小 RNA 的细胞间运动，这取决于细胞与细胞的接触。
3. 种间小RNA通讯
由于线虫非常有效地从大肠杆菌中摄取人工 dsRNA ，因此怀疑在相互作用的生物体（例如植物、动物和病原体）之间发生了种间或跨界 RNAi。
a. 植物中的种间小RNA移动
寄生植物Cuscuta campestris使用称为“吸器”的摄食结构从寄主植物中获取水分和养分。C. campestris在吸器中产生 22-nt miRNA，在离吸器一定距离的宿主茎中检测到这些 miRNA。这些 22-nt miRNA 靶向宿主转录本进行切割并诱导次级 siRNA，导致宿主靶基因的下调。其他研究记录了植物与真菌或疫霉病原体之间以及植物与共生细菌之间的种间小 RNA运输。然而，在这些研究中，在相互作用的生物体的粗分离后检测到了种间小 RNA，或者从它们加载到 Argonaute 蛋白质中或它们在伙伴生物体中的调节活动推断出，这使得小 RNA 的种间转移的证据不如上面例子。
b. 线虫中的天然种间小RNA移动
专门用于从环境中吸收 dsRNA 的分子途径的存在强烈表明，在某些情况下，线虫可能会自然吸收 RNA。最近的一篇文章报道说，蠕虫确实通过摄取一种称为“P11”的铜绿假单胞菌编码的非编码 RNA来学会避开病原菌铜绿假单胞菌(PA14)。此外，除了在模式生物线虫中的工作之外，还从寄生线虫的研究中获得了对种间小 RNA 的大量见解。
结论
除了在其起源细胞内调节基因外，小 RNA 是否在其他组织或其他生物体中具有额外的、不同的功能。至少必须满足以下某些要求:
1. 需要对原始细胞中的小 RNA 进行分类并准备好进行递送。
2. 这些选定的小 RNA 必须穿过质膜、细胞壁、提供与另一个细胞直接连接的通道、细胞质桥或膜状纳米管。
3.在整个运输过程中，需要保护小 RNA 免于降解。
4. 移动的小 RNA 需要穿透受体细胞并到达它们可以发挥作用的细胞环境。
5. 受体细胞中的机制必须与移动的小 RNA 兼容（这对于小 RNA 在不同生物体之间移动的情况尤其重要）。
6.小 RNA 需要与目标 RNA 杂交，无论是在细胞质中（以实现转录后基因沉默）还是在细胞核中（以强制转录基因沉默）。
尽管考虑这六个“要求”很方便，但重要的是要意识到并非所有这些步骤都是必需的。例如，细胞死亡可能导致许多细胞成分的非特异性溢出，包括小 RNA，其中一些小 RNA 可能被其他组织被动吸收，在那里它们可能具有适应性或非适应性效应。这种情况在植物-病原体相互作用中是可能的，因为植物细胞死亡通常伴随着这种交换。最后，重要的是要注意存在（在受体细胞中）并不等同于功能。使用茎环逆转录 PCR 或小 RNA 测序等敏感方法可以很容易地检测到非常低水平的小 RNA，但需要注意的是，小 RNA 需要达到一定的阈值水平才能发挥功能。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41580-021-00425-y