国际分子进化领域期刊Molecular Biology and Evolution刊发了中国科学院海洋研究所李富花研究团队题为“Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs”的研究成果。该工作揭示了基因内含子中miRNA的发生和分化推动性状进化的机制，并首次阐释了其在脊椎动物起源和早期分化中的关键作用。

miRNA是一类不编码蛋白的小分子RNA，每个miRNA能调控数百个编码基因的表达，因其进化发生频率远高于编码基因，所以在动物适应性加速改变的进程中可发挥重要作用。新发生的miRNA的一个显著特征是它们大多位于编码基因的内含子中，并借用编码基因现成的转录机制，形成一种嵌合的基因结构，这种嵌合结构中的miRNA和编码基因之间常存在共表达和功能协作关系。该结构的维持和变化是自然选择的结果，因而研究其进化有助于理解它所调控的性状的进化，但是之前对此过程的研究十分缺乏。

通过分析34个后生动物类群的miRNA与编码基因的位置关系，研究团队发现miRNA和编码基因形成的嵌套结构呈现出不断发生、消亡、重组和解体的动态演化轨迹。在脊椎动物起源时发生了后生动物进化史上最剧烈的内含子miRNA扩张事件，有21个新miRNA家族在神经发育调控基因的内含子中发生。这些全新的调控因子在神经细胞表达，改变了细胞的基因调控网络，使之进化成脊椎动物特有的、可迁移的多能干细胞——神经嵴细胞。神经嵴细胞迁移到胚胎多个部位，经过分化发育成为多种与捕食行为密切相关的组织器官，包括周围神经系统（感知和运动）、色素细胞（伪装）、肾上腺髓质（兴奋与攻击性）、颅面的骨、软骨和牙本质（捕食）以及肠神经系统（消化节律）等，从而彻底改变了动物的形态、行为和生理模式，使脊椎动物祖先由被动的滤食者进化成为活跃的捕食者，形成动物进化史上的分水岭（图1）。在随后的脊椎动物早期分化事件中，圆口类动物（七鳃鳗和盲鳗）有12个内含子miRNA所在宿主基因的外显子序列退化，而其转录起始序列与内含子miRNA被保留了下来，这些miRNA从此获得了独立转录的能力，其进化不再受原来的编码基因约束，这些miRNA的独立进化改变了圆口类动物头部的神经嵴发育调控，使其口器特化以适应寄生的生活方式（图1c；图2）。

上述发现表明，在特定生物学过程中表达的编码基因内含子中新生miRNA的出现，可与编码基因共表达，将自身整合进该生物学过程的调控网络，从而改变了相关性状（图3）。该研究为理解动物复杂表型进化创新的分子机制提供了全新视角。

图1 脊椎动物起源和分化过程中miRNA的进化驱动了神经嵴（neural crest, NC）的起源和分化

图2 全基因组加倍之后，对冗余编码基因的清洗推动了神经嵴发育相关miRNA在有颌类与圆口类之间的分化

图3 内含子miRNA在脊椎动物起源和分化中的作用模型

该工作是团队针对非编码RNA与其他基因的协同进化问题发表的第三篇论文，前两篇分别阐述了不同miRNA之间以及tRNA与编码基因之间的协同进化机制和意义。这一系列工作揭示了动物的不同类型基因之间的位置连锁、数量匹配、表达相关、功能协作以及协同进化机制。

中国科学院海洋研究所柳承璋副研究员为文章第一作者，李富花研究员和张晓军研究员为共同通讯作者。研究得到了中国科学院先导专项、虾蟹产业技术体系和国家自然科学基金等项目的共同资助。

论文信息：

Liu C, Zhang X*, Yuan J, Xiang J, Li F*: Coding Genes Helped the Origination and Diversification of Intragenic MicroRNAs. Molecular Biology and Evolution 2025, 42(2).

文献信息：

Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F*, Xiang J: tRNA copy number and codon usage in the sea cucumber genome provide insights into adaptive translation for saponin biosynthesis. Open Biology 2021, 11(11):210190.

Liu C, Yuan J, Zhang X*, Jin S, Li F, Xiang J*: Clustering genomic organization of sea cucumber miRNAs impacts their evolution and expression. Genomics 2021, 113(6):3544-3555.