一、引言
想像你需要將汽車運輸至其他地區，相對於先製造出大量的汽車後，再經由陸運或海運運輸至目的地，先將汽車的設計藍圖傳送至目的地的工廠後，再生產出大量的汽車，更可以節省長程運輸所耗費的能源和成本。
同樣的，分子生物學的中心法則（central dogma）指出，遺傳物質所攜帶的訊息是由DNA轉錄至mRNA，再以mRNA為模版轉譯成蛋白質，以執行細胞的生理功能。
在這過程中，細胞需要耗費可觀的能量：將DNA轉錄成mRNA後，再以mRNA為藍圖合成蛋白質，而不是直接由DNA合成蛋白質。顯示先製造mRNA後，再合成蛋白質會更有效率或具有特定的功能。
事實上， mRNA並不只是合成蛋白質的中間產物，它更是傳遞遺傳訊息或外界刺激極為有效率的方法之一。細胞可將外界的刺激暫時編碼成mRNA，並將這些儲存訊息的mRNA遠距運輸至特定部位，再轉譯成蛋白質以協調植物的反應。
近年來，已經有研究將這種透過mRNA遠距運輸的能力當成遠距運輸的載體，並應用於改善基因編輯的效率或生產非基因轉殖的基因編輯方式，顯示這種透過mRNA為傳遞訊息媒介的方式為深具開發潛力的新型技術平台。
二、植物的移動型mRNA
無論是單細胞生物或多細胞生物，所有細胞都不斷的合成並利用各種分子與其他的細胞溝通。研究顯示，植物細胞可以利用mRNA作為植物細胞間互相溝通的訊息分子，將所傳遞的訊息轉錄成mRNA再運送至其他細胞。這些具有移動能力的mRNA統稱為移動型mRNA （mobile mRNA）。
但是，並不是每種mRNA都具備跨細胞移動的能力。藉由各種技術，目前已經由不同的植物中篩選出上千種移動型mRNA，約佔植物細胞所產生mRNA種類的10%。篩選移動型mRNA的常見方法是利用植物「嫁接（grafting）」實驗。
嫁接是一種園藝或農藝中常用的技術，將AB兩種基因型不同的植物的枝條切開後互相接合。待枝條癒合後，便形成上下部位基因型不同的混合植株。因為兩部位的基因型不同，所產生的mRNA序列也會有差異。
A部位所產生的移動型mRNA可以經由遠距運輸抵達B基因型的嫁接枝條。這些序列不同的移動型mRNA族群，可藉由RT-PCR 或次世代定序的技術分析嫁接枝條的mRNA序列而辨識出來。另一種方式為利用移動型mRNA會經由篩管長途運輸至植物其他部位的特性，分析植物篩管液中的mRNA種類而篩選出可能的移動型mRNA。不過這種方式只能侷限於少數能收取篩管液的植物如瓜類作物或青花菜。
藉由異種植物的嫁接實驗發現，這些移動型mRNA不僅可以在同一種植物中運輸，也可以經由嫁接跨物種運輸至不同種的植物，或由寄生植物運輸至宿主植物中。顯示在植物界中，利用移動型mRNA作為細胞或物種間的溝通橋樑是一種廣泛存在，而且具有演化共通性的調控方式。
三、 移動型mRNA如何在細胞間移動
這些移動型mRNA究竟是如何在細胞間或植物體內運輸？目前最廣為接受的機制是「定位序列假說（zipcode hypothesis）」。這個假說提出，mRNA細胞間移動主要由一些具有細胞間移動能力的RNA結合蛋白所控制。
這一類型的RNA結合蛋白會辨識移動型mRNA序列中的辨識碼，通常是一段RNA序列或特殊的RNA結構，而與移動型mRNA結合成RNA-蛋白質複合體，再運送至篩管或其他的細胞。
目前已經有研究初步發現一些位於移動型mRNA序列上的辨識碼，但是能與這些辨識碼結合的RNA結合蛋白目前仍不清楚。由於目前的假說推測移動型mRNA在細胞內轉錄後，會藉由連接相鄰植物細胞的孔道「原生質絲（plasmodesmata）」運輸至另一個細胞，因此研究細胞如何將移動型mRNA運輸至原生質絲，可能是了解移動型mRNA遠距運輸機制的關鍵步驟。
為了研究移動型mRNA在細胞內運輸的機制，我們開發了一種螢光標定mRNA的技術，而能在顯微鏡中觀察活體細胞內mRNA即時的運輸狀態。這項技術是利用一種噬菌體的RNA結合蛋白，該蛋白質會辨識一段RNA序列所形成的結構，並與之結合成RNA-蛋白質複合體（圖一）。
整個技術分成兩個部分：首先，利用基因重組在待標定mRNA上加入一段可被噬菌體RNA結合蛋白辨識的特殊RNA序列。接著，我們將噬菌體RNA結合蛋白與螢光蛋白接合，產生具有螢光的融合蛋白質。當這兩者共同在植物細胞內表現時，RNA結合蛋白會與標定mRNA上的特殊RNA序列結合，而間接使標定的mRNA在螢光顯微鏡的觀察中發出螢光。經由追蹤螢光的位置，可以觀察到mRNA在細胞內的分佈（圖一），及移動狀態的即時影像，達到標定mRNA的目的。
利用這個技術，我們發現植物移動型mRNA會運輸至細胞周圍，並聚集在原生質絲附近。相反的，無法在細胞間移動的非移動型mRNA則均勻分布在細胞質中，不會聚集在特定部位（圖一）。這個結果顯示移動型mRNA是經由原生質絲運輸至相鄰的細胞。詳細觀察發現移動型mRNA會形成小囊胞 (vesicle) 在細胞質中運輸，而且其運輸的模式與細胞內胞器運輸的機制非常類似，這暗示這些移動型mRNA在細胞內可能是搭載在胞器運輸系統而被運送到原生質絲，進而達成細胞間的移動。
為了證實這個假說，我們利用藥物處理抑制細胞內胞器的運輸，發現當特定胞器的運輸受到抑制時，移動型mRNA無法運輸至原生質絲，而停留在受到抑制的胞器上。另外，通過免疫沈澱法分離這些胞器後，可以發現移動型mRNA黏附在這些胞器的表面。進一步的活體影像分析發現這些胞器與移動型mRNA會同時運輸並聚集在原生質絲附近。
除此之外，由於胞器的運輸是沿著細胞骨架（cytoskeleton）所形成的軌道運輸。當以藥物處理抑制細胞骨架後，可發現胞器的運輸與移動型mRNA的運輸同時受到影響。為了瞭解移動型mRNA如何黏附在胞器表面運輸，我們進一步交叉比對囊胞蛋白質與RNA結合蛋白質基因庫，並由其中篩選出一個具有細胞間移動能力的RNA結合蛋白質。進一步研究發現，這個RNA結合蛋白質僅能專一的與移動型mRNA結合。
而植物的突變株中，移動型mRNA運輸至原生質絲與遠距運輸的效率明顯受到影響，顯示這種位於胞器上的RNA結合蛋白質是移動型mRNA由細胞內運輸至其他部位的關鍵蛋白質。這些結果證實移動型mRNA是藉由位於胞器上的RNA結合蛋白質搭上胞器運輸的便車運輸至原生質絲，以幫助移動型mRNA由原生質絲轉移至相鄰的細胞並運輸至植物的其他部位。因此，將移動型mRNA黏附於胞器的過程是決定其細胞間運輸的關鍵步驟之一。
四、未來展望
除了植物所合成的mRNA可在植物細胞間移動外，許多RNA病毒也能在植物體內大量複製後，轉移到其他部位以感染整個植物。當RNA病毒進入植物細胞時，病毒會利用植物細胞的工廠大量生產病毒的RNA，並產生一種稱為病毒移動蛋白（movement protein）的RNA結合蛋白。病毒移動蛋白會攜帶病毒的RNA並移動至原生質絲，以轉移至相鄰的細胞，或進入植物輸導組織快速擴散至植物的其他部位，形成系統性感染。
病毒的系統性感染方式與移動型mRNA在植物細胞間移動的方式具有高度的相似性。長久以來，植物RNA病毒被認為可能攫取植物移動型mRNA運輸系統來達成病毒系統性感染的目的。目前對植物移動型mRNA的研究成果揭示了的RNA運輸的可能路徑，為未來研究植物RNA病毒細胞間移動及系統性感染機制提供重要參考，進而幫助發展新策略以達成控制病毒感染的目標。
參考文獻
1. Luo K-R, Huang N-C, Chang Y-H, Jan Y-W, Yu T-S* (2024) Arabidopsis cyclophilins direct intracellular transport of mobile mRNA via organelle-hitchhiking. Nature Plants 10, 161-171.
2. Luo K-R, Huang N-C, Yu T-S* (2018) Selective targeting of mobile RNAs to plasmodesmata for cell-to-cell movement in plants. Plant Physiol 177, 604-614.
本文轉載自【中央研究院研之有物】，標題：【專欄】植物移動型mRNA的轉運，原文網址：https://www.sinica.edu.tw/CP/618。