microRNA与sirt1的关系

肌肉组织中的microRNA与Sirt1的关系,武汉大学2015年06月16日,目录,1.microRNA简介,2.肌肉组织中microRNA的表达状况,3. microRNA与Sirt1的相互关系,4.可能的研究思路,一、 microRNA简介,1、microRNA的功能 microRNA 是一类非编码的、长度的约22 个核苷酸RNA 分子，是基因表达的重要调控因子。miRNA广泛存在于各种生物体中，它们通常在进化上是保守的，而有一些miRNA特定存在于某种生物体或其某种组织。miRNA 在细胞增殖、分化、凋亡和肿瘤发生等基本生物过程中起作用。 它的碱基数量占了人类全部基因组的约1-3%，它参与了占总数约60%的基因编码活动，其重要性不言而喻。,2.microRNA的来源与命名 大部分miRNA作为独立的转录本被转录，但大约有1/3 嵌在蛋白编码基因的内含子中，称为内含子型miRNA 。一些内含子miRNA 基因的位置在不同的物种中是高度保守的。miRNA 不仅在基因位置上保守, 序列上也呈现出高度的同源性。miRNA 高度的保守性与其功能的重要性有着密切的关系。miRNA 与其靶基因的进化有着密切的联系, 研究其进化历史有助于进一步了解其作用机制和功能。MicroRNA存在多种形式，最原始的是pri-miRNA，长度大约为3001000个碱基；pri-miRNA经过一次加工后，成为pre-miRNA即microRNA前体，长度大约为7090个碱基；pre-miRNA再经过Dicer酶酶切后，成为长约2024nt的成熟miRNA miRBase序列数据库是存储miRNA信息最主要的公共数据库之一，提供公布的miRNA(microRNA)序列及注释信息。目前miRBase(Release 18.0)记录了18226个miRNA(microRNA)。,miRNA命名规范 miRNA(microRNA)成熟体命名规则(以动物miRNA为例) 确定命名规则之前发现的miRNA(microRNA)，则保留原来名字，如hsa-let-7。 miRNA(microRNA)成熟体简写成miR，再根据其物种名称及被发现的先后顺序加上阿拉伯数字，如hsa-miR-122； 高度同源的miRNA(microRNA)在数字后机上英文小写字母(a,b,c,)，如hsa-miR-34a，hsa-miR-34b，hsa-miR-34c等； 由不同染色体上的DNA序列转录加工而成的具有相同成熟体序列的miRNA(microRNA)，则在后面加上阿拉伯数字以示区分，如hsa-miR-199a-1和hsa-miR-199a-2； 通常一个miRNA(microRNA)前体长度大约为7080nt，很可能两个臂分别产生miRNA(microRNA)。如hsa-miR-26b-5p和hsa-miR-26b-3p，分别表明从hsa-mir-26b前体的5端臂和3端臂加工而来的。,3.miRNA的表达调控 miRNAs 通过与靶mRNA 3-UTRs 序列特异性互补，调节基因表达，导致翻译抑制或使mRNA 失去稳定性。对靶mRNA 结合特异性互补的主要决定因素是由miRNA 5末端Watson-Crick 2-8 个碱基配对核苷酸决定，称为“种子序列”一般不完全互补导致翻译抑制；而完全或近完全互补导致mRNA直接切割，microRNA 与其靶基因的互补程度决定其作用模式: microRNA 与靶mRNA 完全互补结合，切割靶mRNA。 micro RNA与靶mRNA不完全互补结合，抑制靶蛋白翻译而不影响mRNA 稳定性。同时具有以上两种作用模式。 目前的发现证明miRNAs 介导的调节是多功能性的，一个miRNA 有数以百计的靶基因，同时一个mRNA 也能作为许多miRNAs 的靶基因，由此可见miRNAs 调控系统的复杂性和灵活性。,二、miRNA在肌肉中的功能与作用,1.miRNA具有组织特异性,miRNAs在物种进化中相当保守，在植物、动物和真菌中发现的miRNAs只在特定的组织和发育阶段表达，miRNA具有组织特异性和时序性，决定组织和细胞的功能特异性,2.肌肉特异性miRNA（myomiRNAs） 正是因为一些miRNA 在横纹肌中高表达，所以把这一类miRNA 命名为肌肉特异性miRNA（myomiRNAs），包括miR-1、miR-133a、miR -133b、miR -206、miR-208、miR-208b、miR-486 和miR-499 等。,肌肉特异性miRNA 并不是简单的排列，而是有组织地在同一条染色体上形成双顺反子簇一同转录，如miR-1-1/133a-2、miR-1-2/133a-1 和miR-206/ 133b。肌肉特异性miRNA 的调节受到肌原性调节因子（MRFs）家族的调控，MRFs 包括肌分化因子（MyoD）、肌细胞生成素、MRF4 和Myf5。同样肌细胞增强因子2（MEF2）、血清反应因子（SRF）和心肌相关转录因子-A（MRTF-A）也可以调控肌肉特异性miRNA 的调节。近些年的研究表明，miRNA 通过调节一些关键基因从而控制肌细胞的生成，成为新一类调控肌肉发育的关键因子。 比如，miR-1 和miR-133 主要是通过调节SRF 和MEF2 的活性来调控肌肉的生长和分化。在骨骼肌细胞中，增殖过程和分化过程是相互对抗的。miR-1 通过抑制MEF2 的抑制物组蛋白脱乙酰酶4（HDAC4），从而加强MEF2 的活性，最后刺激肌细胞分化。而miR-133 和miR-1 的作用刚好相反，主要是促进成肌细胞增殖。目前认为miR-133 通过抑制肌肉分化的必要调节器SRF促进成肌细胞的增殖。,miRNA与Texel 羊 肌肉特异性miRNA参与控制骨骼肌生长的另一个证据来自对Texel 羊的研究，Clop 等的研究发现，在羊的Texel 品种中造成肌肉异常发达的突变是由于编码肌肉生长抑制素(Myostatin)的mRNA 3-UTR 的一个位置上的G变为A，该突变制造了一个miR-1 和miR-206 的靶位，从而导致Myostatin 的翻译受到抑制， Myostatin 水平降低，使得Texel 羊肌肉发达。,特克赛尔（Texel）羊原产于荷兰，为肉用细毛羊品种。具有多胎、羔羊生长快、体大、产肉和产毛性能好等特征，是国外肉脂绵羊名种之一。是肉羊育种和经济杂交非常优良的父本品种,3. miRNA与肌肉疾病 在肌肉中，miRNA的异常表达与某些肌肉相关疾病有紧密联系。Digeorge 综合征是一种由染色体缺失引起的先天性疾病，它与DGCR8 基因缺失有关，症状包括心脏缺陷和颅面异常。DGCR8 基因的表达产物DGCR8和Drosha相互作用形成微加工复合体。DGCR8 能指导Drosha 切割，对pri-miRNA加工成pre-miRNA 起关键作用，它的缺失导致miRNA 功能的衰减，这可能是Digeorge 综合征的一个致病原因。 McCarthy 等利用双侧协同肌切除模型（bilateralsynergist ablation model）诱导跖肌肥大。建模后，实验组鼠跖肌重量比对照组增加45%。与此同时，一些pri-miRNAs 和它们相对应的成熟miRNA 的转录也发生了变化。pri-miR-1-2 和pri-miR-133a2转录水平提高了2 倍，pri-miR-206 提高了18.3 倍。因此可以推测，miR-1 和miR-133a 的表达减少可能会促进肌肉肥大。因此miR-1 和miR-133a 除了在肌细胞增殖和分化中发挥各自作用，又多了一个共同的功能。,microRNA与骨骼肌萎缩,骨骼肌萎缩是一个复杂的过程，是很多因素综合影响下产生的结果，遗传缺陷、衰老、神经障碍和一些慢性疾病都会引起骨骼肌萎缩。11 天太空飞行后检测发现，小鼠腓肠肌里一些与肌肉生长相关的基因mRNA 水平显著改变，如FOXO1、MAFbx/atrogin1 等。值得注意的是小鼠腓肠肌中的miR-206 水平显著下降，而miR-1和miR-133a 只是出现减少的趋势。这些肌肉特异性miRNA 的变化和肌肉生长抑制素（Myostatin，MSTN）的增加是平行的，并且在很多肌肉萎缩模型中得到了验证。 另有研究关注于骨骼肌肌肉再生和肌肉萎缩症中miRNAs 失调的鉴定。Kunkel 及其团队研究证实，初期肌肉紊乱病人肌肉样品中存在miRNAs 聚集。肌肉特异miRNA，miR-206, 在营养障碍基因缺失小鼠(一种肌肉萎缩症模型，mdx)的横膈膜上表达上调。另有研究显示，肌肉萎缩侧索硬化症小鼠模型中，骨骼肌纤维和神经双向信号传导的关键调节者miR-206 表达不足，加速疾病恶化。miR-206 是急性神经损伤后神经肌肉突触有效再生所必需的，这可能是其在ALS 中的有益作用。 在医学领域，寻找肌肉疾病相关的miRNA，对这些miRNA 的表达进行调控，抑或对它们的结构进行化学修饰，以调节其靶标的表达，为肌肉疾病的治疗开辟一条新的途径。,三、microRNA与Sirt1的相互关系,沉默信息调节因子1(Sirt1)是沉默信息调节因子家 族 中 的 一 员，是NAD+依赖的类组蛋白去乙酰化酶。Sirt1在细胞的生存、凋亡、肿瘤的发生发展、代谢性疾病以及抗衰老等方面扮演着非常重要的角色。近年来研究表明，miRNA能从转录后水平调控Sirt1的表达。因此，调控Sirt1的 miRNA可能成为治疗许多疾病的新靶点而倍受研究者们广泛关注。 1.调节Sirt1的相关 miRNA,miRNA34a 在目前发现的调控Sirt1表达的miRNA中，miRNA34a是研究得最广泛的miRNA。研究发现，它能够调控Sirt1基因进而在多种疾病中发挥重要的作用，如肿瘤、非酒精性肝损伤和衰老等。miRNA34a在肿瘤中呈低表达或缺失状态，其可以作为肿瘤抑制因子抑制肿瘤的发生发展的标志。研究表明，当将 miRNA34a转染入 U251细胞中时过表达的 miRNA34a导致细胞生长停滞在 G0-G1 期并且诱导细胞凋亡；同时 检测出Sirt1的表达量降低，该实验充分表明 miRNA34a作为肿瘤抑制因子发挥作用是通过 miRNA34a Sirt1通路进行调控的。,miRNA -217 最早研究 miRNA -217的功能主要体现在血管内皮细胞上，随着年龄增加，表达于血管内皮细胞的 miRNA -217也随之增加，且 miRNA -217能够通过抑制Sirt1和FoxO1的表达进而影响血管内皮的生成，miRNA -217在人类动脉粥样硬化病变的表达与Sirt1的表达和FoxO1的乙酰化状态呈负相关，因此miRNA -217为治疗人类动脉粥样硬化疾病提供了一种新靶标。 miRNA -199a 研究发现，当心肌细胞缺氧时 miRNA -199a处于低表达状态，而 miRNA -199a能负向调节缺氧诱导因子和 Sirt1，因此，Hif-和Sirt1表达水平上升。 Sirt1能调节辅氨酰羟化酶的活性从而使 Hif- 水平下降进而延长心肌细胞缺氧耐受的时间。 miRNA能够通过调控Sirt1参与多种病理生理过程，如肿瘤、衰老、干细胞分化、心肌细胞凋亡等。其中以抗肿瘤研究最广，主要有 miRNA、 miRNA和 miRNA它们均可抑制Sirt1表达进而限制肿瘤细胞生长和促进肿瘤细胞凋亡。其次是抗 衰 老 研 究 包 miRNA、 miRNA、 miRNA、 miRNA和 miRNA.,综上所述，调控Sirt1表达水平的 miRNAs参与很多疾病的发生发展，并且受到越来越多的研究人员的关注。目前已发现许多 miRNAs能调节Sirt1的表达，但同时有研究表明， Sirt1也能调节 miRNAs的 表 达。P53 miRNAs34a Sirt1 P53这一环 路已经被证实，Sirt1能去乙酰化P53，乙酰化P53水平相对升高，且乙酰化的P53可增强 miRNAs -34a的表达，而miRNAs34a抑制Sirt1的活性，因此，Sirt1可通过P53间接调控miRNAs -34a的表达。 Sirt1是否能调控更多的miRNAs ，其中调控的机制又是什么。因此，关于Sirt1与 miRNAs的关系有待于科研者们深入系统的研究,研究思路,1、非肌肉组织中发现miRNAs：与PGC-1, FOXO,p53,HIF1a, SREBP-1c,CREB, NF-b, FXR,LXR等等相关通路有联系；具有改善细胞的增殖、分化；降低细胞凋亡率；改善氧化应激和炎症损伤的作用；在肌肉中也有表达等等。2、新发现的miRNAs：通过生物信息学的方法，预测其可能作用的靶标是否与肌萎缩相关通路具有关联，采用miRNAs敲除和过表达的方法，研究其功能。生物信息学方法主要是利用某种算法对靶基因样本进行评分及筛选。生物信息学的方法只是通过算法为研究人员提供可能性最大的参考信息，还需要通过实验进行验证。使用计算机预测植物miRNA靶基因比较简单，因为在植物中miRNA与靶基因几乎还是以完全互补配对的方式结合，预测不需要复杂的算法。而预测动物miRNA靶基因则存在一定的困难，主要是目前已知的miRNA靶基因及其确切靶点不