高等真核生物中选择性剪接的进化逻辑与生物技术潜力：来自植物与动物的比较研究启示

《Biotechnology Advances》：Evolutionary logic and biotechnological potential of alternative splicing in higher eukaryotes: Comparative insights from plants and animals

　　

剪接变异的起源与植物和动物中的进化保留被区分开来。
基因结构解释了植物中的内含子保留和动物中的外显子跳跃。
一个五层证据矩阵对适应性剪接与耐受性剪接的说法进行分级。
Ank3 E35a、番茄 HsfA2 和果蝇 doublesex 基因通过该矩阵进行了追踪。
靶向剪接的药物已通过临床验证；作物靶标等待田间试验。

引言
可变剪接（AS）是一种 RNA 加工机制，通常与转录偶联，通过剪接位点选择使单个前体 mRNA 产生多种成熟 RNA。经典的事件类别包括外显子跳跃、内含子保留、替代 5′剪接位点使用、替代 3′剪接位点使用和互斥外显子；一些分类方案还包括替代第一外显子和替代最后外显子，这可能涉及替代启动子或 polyA 位点的使用以及剪接。单个转录本通常结合了多种事件（图 1）（Reddy et al., 2013; Liu et al., 2024）。剪接位点的选择受 5′和 3′剪接位点、分支点、上下文依赖的嘧啶富集序列、外显子和内含子剪接增强子或沉默子、RNA 二级结构、染色质状态、转录动力学以及剪接体和剪接体外 RNA 结合蛋白的丰度或活性的控制（Wang and Burge, 2008; Reddy et al., 2013; Wilkinson et al., 2020）。其生物学后果不仅仅是转录本多样性：AS 可以改变编码序列、非翻译区、RNA 稳定性、无义介导的衰变、亚细胞定位、翻译效率、蛋白质相互作用基序以及发育或环境响应性。

出口子（Exitron）是位于注释蛋白编码外显子内部的内含子样序列（Marquez et al., 2015）。我们将出口子剪接作为编码外显子内部事件进行讨论，与五个经典类别分开，而不是将其作为第六个主要类别添加。当阅读框保持不变时，其切除可以移除内部肽段，而其他事件可能引入移码或提前终止密码子。出口子剪接已在植物和动物中表征。保留内含子转录本也具有不同的命运：一些经历无义介导的衰变（NMD），而另一些保持 NMD 不敏感或保留在细胞核中（Kalyna et al., 2012）。

转录组规模的研究首先确立了高等真核生物中 AS 的规模。跨人类组织的深度 RNA 测序显示，大约 92%–95% 的多外显子人类基因产生替代异构体，组织依赖性切换比个体特异性切换更常见（Wang et al., 2008; Pan et al., 2008）。在拟南芥中，据报道至少 61% 的内含子基因在正常生长条件下经历 AS；内含子保留普遍存在但并非唯一，蛋白质多样化的隐蔽内含子比早期表达序列标签数据暗示的更常见（Marquez et al., 2012; 图 1）。

因此，核心的进化问题不是 AS 是否创造多样性，而是哪些剪接产物能持续足够长的时间以变得受调控、受约束或可被选择。广泛的比较研究改变了辩论，显示许多 AS 事件快速更替，而较小的一部分是保守的、发育定时或组织限制的。在所考察的脊椎动物数据集中，生理上可比的器官在 AS 上的差异可能大于在基因表达上的差异，且脑和心脏中的发育 AS 程序比静态、弱调控的事件更保守（Barbosa-Morais et al., 2012; Merkin et al., 2012; Mazin et al., 2021）。

植物提出了相关但不同的问题。它们的转录组受到重复的全基因组重复、基因家族扩展以及直接暴露于快速波动的温度、光、水合和生物相互作用的塑造。因此，植物 AS 进化不是动物 AS 进化的低复杂版本。植物在生长和发育中表现出高可塑性，其剪接异构体比率反复被环境线索、昼夜周期、非生物和生物胁迫、开花和昼夜节律时间重模。内含子保留和出口子剪接很突出，胁迫诱导的 AS 变化可能很大且可逆，且由多倍体产生的重复基因往往以谱系特异的方式分配 AS 调控（Marquez et al., 2015; Calixto et al., 2018; Wang et al., 2019; Gao et al., 2021）。植物和动物共享剪接体化学，但它们在不同的发育和生态压力下保留了不同的事件类别。

证据支持一个过滤模型。突变和调控过程不断从弱剪接位点、隐蔽外显子或内含子、转座元件插入、串联外显子重复、RNA 结构、启动子变化、染色质状态和改变的 RNA 聚合酶 II 动力学产生新的剪接形式。大多数候选事件保持稀有、不稳定或谱系特异。一些作为耐受的低温水平替代物持续存在。较小的一组变得发育受限、条件响应、蛋白质后果显著或表型可测试（图 2）。动物研究强调保留的 AS 程序细化细胞类型专业化，特别是在神经、心脏、免疫和配子背景中。植物研究强调保留的 AS 程序将发育与温度、光、病原体、水分状态、昼夜节律相位和基因组重复耦合。

本综述使用变体产生和进化保留之间的区别作为组织框架，而不是提出剪接进化的新机制。机制综合描述了调控机器（Wang and Burge, 2008; Wilkinson et al., 2020），而以植物为重点的综述总结了事件类别、功能和方法（Reddy et al., 2013; Liu et al., 2024）。在这里，植物 - 动物比较与明确的证据矩阵相结合，该矩阵分离了检测、调控、保守性或群体信号、分子后果和因果扰动。第 8 节将该矩阵应用于三个案例，确定每个案例建立了什么，并陈述剩余的不确定性。因此，贡献是比较综合和评估说法的实用方法，而不是声称起源 - 保留区别本身是新的。图 3 完整遵循了这些设置之一，即果蝇体细胞性别决定级联，通过相同的矩阵追踪它并标记哪些证据层仍未填满。

范围是开花植物和动物中的核剪接体 AS。Do et al. (2025) 的更广泛比较也涵盖了微藻 AS 和蓝细菌自我剪接内含子和内切子。这些蓝细菌过程在机制上与核剪接体 AS 不同；内切子介导的蛋白质剪接不是 RNA 剪接。保持这些边界明确允许在不混淆不同分子系统的情况下比较调控逻辑。

部分片段
植物和动物 AS 景观的比较架构
特征明确的哺乳动物 AS 程序包括外显子跳跃、替代 5′和 3′剪接位点选择、互斥外显子，以及在特定上下文中的微小外显子。人类组织图谱研究显示，极端剪接切换在具有保守调控区域的基因中富集，并在具有高分功能 compartmentalization 的组织中突出，特别是脑和肌肉（Wang et al., 2008; Barbosa-Morais et al., 2012）。Merkin 及其同事跨脊椎动物显示，a

新剪接形式的起源
新剪接形式的出现通常始于局部宽松性。弱剪接位点、潜伏分支点、顺式作用增强子或沉默子基序、隐蔽内含子、RNA 二级结构或改变的转录动力学允许采样替代连接。RNA 结构可以影响 RNA 成熟、降解和翻译以及剪接位点选择，因此它将 AS 进化与转录本更广泛的转录后生命联系起来。比较研究表明

顺式调控和反式调控控制的进化
顺式序列变化可以产生或改变单个事件，而反式作用调节因子可以跨基因协调其部署。经典的比较分析已经显示，物种特异性 AS 主要可由局部序列差异解释，然而，显著的、保守的组织特异性外显子子集强烈富集了被祖先剪接调节因子如 RBFOX、PTBP、MBNL、STAR 和 TIA 家族蛋白结合的基序（Barbosa-Morais et al., 2012; Merkin et al., 2012

发育和细胞类型创新中的可变剪接
保留的 AS 对高等动物进化有贡献的最强证据来自发育和细胞类型专业化。在哺乳动物中，几个独立的数据集汇聚到相同的模式：广泛表达的基因的 AS 在脑、心脏、免疫谱系、视网膜和配子中创造高度特异性的产物，而不需要相应特异的基因表达。Mazin 及其同事显示，发育动态 AS 在脑和心脏中特别保守（Mazin et

环境适应、驯化和多倍体化作为剪接进化的引擎
如果发育解释了一些 AS 程序为何在长时间尺度上保留，那么生态学解释了许多其他为何保持不稳定。植物提供了最清晰的证据，因为它们无法通过行为逃避寒冷、炎热、干旱、光周期改变或微生物相互作用。它们的环境适合度依赖于在正常和胁迫条件下操作的转录和转录后机制。拟南芥冷响应工作显示，低温快速且动态地

用于进化推断的异构体分辨方法
短读长 RNA 测序支持基因表达分析和丰度高外显子跳跃检测，但难以重建完整异构体、量化复杂事件组合、解析富含同源物的植物基因组或将异构体分配给稀有细胞类型。因此，许多进化论证依赖于单个事件、盒式外显子或不完整的转录本模型。
长读长和全长转录本测序显示了即使在研究良好的物种中遗漏了多少异构体结构。区分适应性剪接和耐受性剪接
取代旧的“噪声与功能”辩论的问题是如何以足够的严谨性区分适应性 AS 和耐受性 AS 以支持进化推断。这不是语义问题。高等生物很可能产生非常大的背景剪接变体，它们在生化上是真实的，但在进化上是短暂的。挑战因此是确定哪些群体和谱系水平过滤器将变体从偶然的加工结果提升为可选择的

生物技术意义和转化机会
AS 的比较进化观点对生物技术有用，因为它将可操作的剪接切换与大量弱或瞬态异构体目录分离开来。在作物中，最强的转化候选者不仅仅是胁迫诱导的连接；它们是跨基因型、环境或发育状态重复出现且可关联到产量、开花时间、抗寒性、耐热响应、免疫性或驯化性状的可重复异构体切换。泛基因组感知和

未解决的问题和未来方向
几个问题限制了进化推断。第一个是同源性粒度。基因跨物种比较很直接，但异构体不是。一个谱系中的盒式外显子可能对应于另一个谱系中的祖先组成型外显子。植物出口子在姐妹物种中可能没有明显的注释对应物，即使编码片段是同源的。转座子衍生的外显子可以通过插入祖先、蛋白质后果或调控行为同源，并且那些

结论
可变剪接进化不是生物体复杂性的单调增加。现有文献确定了植物和动物中 AS 的不同突出上下文。脊椎动物研究强调外显子跳跃、串联外显子替代和微小外显子作为细胞类型多样化的途径，特别是在神经系统和心脏中（Irimia et al., 2014; Mazin et al., 2021; Alam et al., 2026）。开花植物研究强调内含子保留、出口子、胁迫响应剪接

关于稿件准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在本工作的准备过程中，作者使用了 Grammarly 和 Gemini 进行语言编辑和起草协助。生成式人工智能用于示意图的初始起草。最终的图 1、图 2、图 3、图 4 是使用 Canva.com 的 Affinity 软件绘制为矢量示意图。在使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表的文章承担全部责任。

出版同意
不适用。

伦理批准和参与同意
不适用。

作者贡献
U.S.K. 构思了综述，开发了比较框架，监督，起草了手稿，并准备了最终版本。Z.Z. 和 I.H.C. 贡献了概念框架和批判性编辑。所有作者批准了手稿以供提交。

资助
USK 得到韩国国家研究基金会（NRF）由韩国信息与通信技术部（MSIT）资助的拨款支持：[拨款 # RS-2026-25,489,319, RS-2020-NR049590 和 RS-2024-00336624]。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
不适用。

名词解释
可变剪接（AS）
前体 mRNA 的替代加工，产生不同的成熟 RNA 异构体；观察到的事件不一定受调控或具有功能。
出口子
位于注释蛋白编码外显子内部的内含子样片段，可通过剪接切除。同框移除改变编码蛋白；其他事件可破坏阅读框。
微小外显子
非常短的替代外显子，通常仅几个密码子长，常与神经调控相关。
无义介导的衰变（NMD）
A

Zhongwu Zhou|Il-Hoon Cho|Ulhas S. Kadam