miR和siR.doc

microRNA和siRNA都是RNA干扰中的效应物，还包括其他很多种小分子RNA。对他们的分类最根本的准则是他们生物形成的机制和方式，有的时候界限不是很明确。miRNA是内源性产生的，有着重要的生理功能，它由dna转录而来，一系列前体经过加工最后形成成熟的单链2125nt左右的小rna。注意，它的成熟体是单链。siRNA一般是外源的，比如人工转入的、细胞对病毒感染免疫产生的等等，它是由dsRNA（双链）加工而成单链小rna。注意，他虽然是由双链产生，但成熟体仍是单链。miRNA即微小RNA，是单链的21nt的寡核苷酸，通过与特异的mRAN的3非翻译去互补从而抑制翻译。发夹环前体miRNA通过Dicer（类似于RNase的一种酶）切割为成熟的miRNA。成熟的miRNA是双链结构，类似siRNA，随后被一种解旋酶解旋，然后通过不对称装配使合适的链装配到RISC（RNA诱导的沉默复合体）中，有时两条链都装配到RISC上。激活的RISC与mRNA互补引发切割或抑制。siRNA是双链RNA，siRNA是由dsRNA产生的，dsRNA经Dicer切割产生siRNA,siRNA为长2125nt的小片段RNA。siRNA在体内经过一系列作用变为初级siRNA，次级siRNA，这两个是单链的，与mRNA配对引起沉默。siRNA是不能传递的？传递的是dsRNA?miRNA是由内源性短发夹RNA加工而成，不是由dsRNA加工的，而siRNA是由dsRNA产生的，可以是外源性的dsRNA。不论怎样，它们都在生物体中发挥着重要作用。关键词：小RNA，siRNA，miRNA，非蛋白编码区引言长度大小为二十几个核苷酸的小片段RNA在近年得到了极大的关注，这些小RNA中有些可直接调控某些基因表达，进而调控细胞发育、决定细胞分化，有些介导特异性反应。2003年5月，Steven Buckingham提出的被广泛认同的分类方法中，小RNA（small RNAs）是指非编码RNA中除转录RNA（包含核糖体RNA和转移RNA）外的部分，包括微小RNA（Micro RNAs）、小的干涉RNA（short interference RNAs ，siRNA）、核仁小分子RNA和核小RNA（snRNA）。基于最新的科研成果，本文对小RNA尤其是siRNA和miRNA的特点、功能、生成过程以及筛选识别等进行综述。1. 小RNA的概况及特点1.1 siRNARNA干涉（RNAi）在实验室中是一种强大的实验工具，通过这种方式，利用具有同源性的双链RNA（dsRNA）诱导序列特异的目标基因的沉寂，迅速阻断基因活性。小的干涉RNA（siRNA）是在RNA干涉过程中人工体外合成的小片段RNA，由约20个碱基对组成，包括5个磷酸盐，2个核苷和3个悬臂。SiRNA在RNA沉寂通道中起中心作用，是对特定信使RNA（mRNA）进行降解的指导要素。1999年, Hamilton等在植物基因沉默的研究中首次发现2125nt 的dsRNA 的出现对转基因导致基因沉默十分重要,而在转基因正确表达的植株中则未出现。随后,Hammond 等进行的细胞提取物核酸酶活性实验证明了小分子RNA在RNAi 中的作用，这些小分子RNA就是由dsRNA形成的siRNA。siRNA 的3-末端2-nt 的突出对靶点识别的特异性起一定的作用,可将其限定在第一个碱基对相邻的不成对碱基的位置。最近的nature周刊报道了两个研究小组以数以千计的人类和老鼠基因为目标创建RNAi库的进展，科学进展已清晰地表明：在哺乳动物中利用小的干涉RNA和短发夹RNA（short hairpin RNAs,shRNA）来进行RNA干涉以使基因沉寂已经成为强大而有力的生物工具。1.2 miRNAmiRNA的研究起始于时序调控小RNA（stRNAs）。1993年，Lee等在秀丽新小杆线虫（Caenorhabditis elegan）中发现了第一个可时序调控胚胎后期发育的基因lin-4,2002年，Reinhart等又在线虫C.elegan中发现第二个异时性开关基因let-7，2001年10月science报道了三个实验室从线虫、果蝇和人体克隆的几十个类似C.elegan的lin-4的小RNA基因，称为microRNA。MicroRNA（miRNA,微RNA）即为长度为22nt左右的5端带磷酸基团、3端带羟基的非蛋白编码的调控小RNA家族。植物miRNA从2002年起才有报道，编码植物miRNAs的基因明显不同于其他生物，这样，植物编码miRNA基因的转录产物可能更大，植物的miRNA与互补结构的错配一般也少于动物，所以在进化上也更为保守。但和动物miRNA一样，miRNA的转录产物也是发夹状结构，在RNase酶切后以双链形式存在，最后释放互补链，miRNA成熟。miRNA广泛存在于真核生物中，不具有开放阅读框架，不编码蛋白质，一般长20-24nt，但在拟南芥和烟草中发现26nt的RNA，四膜虫(Tetrahymenas)中发现28nt的miRNA。成熟的miRNA 5端的磷酸基团和3端羟基则是它与相同长度的功能RNA降解片段的区分标志。许多miRNA的基因结构及功能在进化中有保守性，约12%的miRNA在线虫、果蝇、植物及哺乳动物中保守且保守片段的差异仅为1-2nt。在线虫C.elegan中所发现的miRNA85%都可以在C.briggsar的基因组中找到同源序列。细胞特异性或组织特异性是miRNA的表达的主要特点，如拟南芥中的miR-171仅在其花序中高水平表达，在某些组织低水平表达，在茎、叶等组织中去无任何表达的迹象；又如20-24h的果蝇胚胎提取物中可发现miR-12,却找不到miR3-miR6,在成年果蝇中表达的miR-1和let-7也无法在果蝇胚胎中表达，这同时体现了miRNA的又一特点基因表达时序性。MiRNA表达的时序性和组织特异性提示人们miRNA的分布可能决定组织和细胞的功能特异性，也可能参与了复杂的基因调控，对组织的发育起重要作用。1.3其他小RNA在生物体中，存在一类不同于miRNA和siRNA的小RNA，长度在20-28nt之间。这类RNA的结构、生成、功能未知。推测可能来源于dsRNA两极，是不同RNase酶的产物。2.小RNA的生成及作用机制2.1siRNA的生成及作用机制siRNA是RNAi途径中的中间产物，是RNAi发挥效应所必需的因子。SiRNA的形成主要由Dicer和Rde-1调控完成。由于RNA 病毒入侵、转座子转录、基因组中反向重复序列转录等原因,细胞中出现了dsRNA，Rde-1(RNAi缺陷基因-1)编码的蛋白质识别外源dsRNA，当dsRNA达到一定量的时候，Rde-1引导dsRNA与Rde-1编码的Dicer（Dicer是一种RNaseIII 活性核酸内切酶，具有四个结构域：Argonaute家族的PAZ结构域，III型RNA酶活性区域，dsRNA结合区域以及DEAH/DEXHRNA解旋酶活性区）结合，形成酶-dsRNA复合体。在Dicer酶的作用下，细胞中的单链靶mRNA（与dsRNA具有同源序列）与dsRNA的正义链互换，原来dsRNA中的正义链被mRNA代替而从酶-dsRNA复合物中释放出来，然后，在ATP的参与下，细胞中存在的一种RNA诱导的沉默复合体RNA-induced silencing complex （RISC，由核酸内切酶、核酸外切酶、解旋酶等构成，作用是对靶mRNA进行识别和切割）利用结合在其上的核酸内切酶的活性来切割dsRNA上处于原来正义链位置的靶mRNA分子中与dsRNA反义链互补的区域，形成21-23nt的dsRNA小片段，这些小片段即为siRNA。RNAi干涉的关键步骤是组装RISC和合成介导特异性反应的siRNA蛋白。SiRNA并入RISC中，然后与靶标基因编码区或UTR区完全配对，降解靶标基因，因此说siRNA只降解与其序列互补配对的mRNA。其调控的机制是通过互补配对而沉默相应靶位基因的表达，所以是一种典型的负调控机制。siRNA识别靶序列是有高度特异性的，但这并不是说反义链上所有的碱基都对发挥这种特异性起到了相同的作用。因为降解首先在相对于siRNA来说的中央位置发生，所以这些中央的碱基位点就显得极为重要，一旦发生错配就会严重抑制RNAi的效应，相对而言，3末端的核苷酸序列并不要求与靶mRNA完全匹配。2.2 miRNA的形成及作用机制迄今的研究认为，miRNA可能的形成及作用机制为：先由长的内源性转录本（pri-miRNA）生成70nt左右的miRNA前体（pre-miRNA），然后在Dicer酶的作用下使其加工成为一个不稳定的dsRNA分子，接着迅速被降解剪切为22nt左右的单链RNA（这种单链RNA及以后的miRNA只是Dicer作用下pre-miRNA被剪切的一个臂，可能是3端的一个臂，也可能是5端的一个臂，不同RNA可能是同一pre-miRNA的不同臂），之后被PPD(PAZ&Piwi domain)蛋白家族识别，形成RNA-蛋白质复合体即miRNA核蛋白体（miRNP）,进而形成成熟的miRNA。miRNA识别并与靶标基因3UTR区部分配对，从而抑制靶标基因的翻译。miRNA基因是一类高度保守的基因家族，按其作用模式不同可分为三种：第一种以线虫lin-4为代表，作用时与靶标基因不完全互补结合，进而阻遏翻译而不影响mRNA的稳定性，这种miRNA是目前发现最多的种类。第二种以拟南芥miR-171为代表，作用时与靶标基因完全互补结合，作用方式和功能与siRNA非常类似，最后切割靶mRNA,这说明某些miRNA和siRNA一样参与了机体内一些特异性mRNA的剪切过程。第三种以let-7为代表，它具有以上两种作用模式，当与靶标基因完全互补结合时，直接靶向切割mRNA，如果蝇和Hela细胞中let-7直接介导RISC分裂切割靶mRNA；当与靶标基因不完全互补结合时，起调节基因基因表达的作用，如线虫中的let-7与靶mRNA3端非翻译区不完全配对结合后，阻遏调节基因的翻译。科学家们已发现miRNA在动植物早期发育中起的关键调节作用，包括植物叶、花的发生，动物胚胎及组织发育等，Brennecke等人利用电脑寻找靶标基因，证实了miRNA不完全结合3UTR中存在细胞死亡诱导基因，这提示说明miRNA对生长发育进行更为重要的调控作用。同时，科学家们也发现人类基因组中大约有255个编码miRNA基因，约占人类基因数的1%，但尚不清楚其功能。3. siRNA与miRNA的关系siRNA和miRNA在功能和作用机制上有很大的相似性，但同时在结构等方面又有很大的区别，在进化上二者的关系也尚无结论。3.1 miRNA与siRNA的相同点miRNA与siRNA之间有许多相同之处，具体如下：a. 二者的长度都约在22nt左右。b. 二者都依赖Dicer酶的加工，是Dicer的产物，所以具有Dicer产物的特点。c. 二者生成都需要Argonaute家族蛋白存在。d. 二者都是RISC组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者在介导沉默机制上有重叠。e. miRNA和siRNA合成都是由双链的RNA或RNA前体形成的。3.2 miRNA与siRNA的不同点a. 二者的根本区别是miRNA是内源的，是生物体的固有因素；而siRNA是人工体外合成的，通过转染进入人体内，是RNA干涉的中间产物。b. 在结构上，miRNA是单链RNA，而siRNA是双链RNA。c. Dicer酶对二者的加工过程不同，miRNA是不对称加工，miRNA仅是剪切pre-miRNA的一个侧臂，其他部分降解；而siRNA对称地来源于双链RNA的前体的两侧臂。d. 在作用位置上，miRNA主要作用于靶标基因3-UTR区，而siRNA可作用于mRNA的任何部位。e. 在作用方式上，miRNA可抑制靶标基因的翻译，也可以导致靶标基因降解，即在转录水平后和翻译水平起作用，而siRNA只能导致靶标基因的降解，即为转录水平后调控。f. miRNA主要在发育过程中起作用，调节内源基因表达，而siRNA不参与生物生长，是RNAi的产物，原始作用是抑制转座子活性和病毒感染。3.3 miRNA与siRNA的进化关系miRNA与siRNA在加工机制上的相似性使二者的界限已经越来越不明显了。二者在进化关系上是从属关系还是平行关系，它们的进化顺序是什么，这都引起了生命科学领域的广泛争论，且目前尚无定论。Hutvagner和Zamore通过试验，认为miRNA或siRNA的功能发挥取决于它与靶标基因结合位点的匹配程度，而用于识别miRNA的PPD家族的很多成员为RISC的组分，这样，二者的界限则更为模糊，它们可能并不存在本质的区别，就此意义上讲，siRNA似乎是miRNA的一个补充。在进化顺序上，我个人倾向于miRNA先于siRNA，尽管有些人认为外源基因应早于生物进化出现，但是siRNA是一种干涉RNA的中介产物，它必须有病毒或是其他双链RNA诱导才能形成，且siRNA的阻遏方式过于彻底，应该是生命发展到一定程度后才产生的。4.小RNA的识别、数据库建设及最新进展在真核生物小RNA基因的计算机识别上，麻省理工学院的Lim小组开发小RNA基因预测程序MiRscan评分系统，进而对人类和线虫的基因进行探索，确定小RNA分属的家族及保守性质。nature周刊近期报道了在RNA干涉过程中利用PAZ域对siRNA进行识别，方法是将siRNA的三个悬臂固定。但是PAZ可能不是在RNA干涉中的唯一识别方式。Patrick.J.Paddison等人的两个研究小组报告了以数以千计的人类和老鼠为目标的RNAi库的创建，在哺乳动物中对小RNA的研究将使其有有长足进步。5月出版的Science报道了由EB病毒编码的微RNAi，这是一项全新的发现。因为大家知道RNAi技术的前提是双链的短RNA，而病毒则是单链的DNA/RNA。这一研究成果将为RNAi应用提供了更广阔的前景。在基因操作较困难的神经元中，已有成功进行RNAi的报道。Krichevsky等将化学合成的21nt siRNA通过阳离子脂类转染试剂导入原代培养的大鼠神经元，显著抑制内源靶基因和转染基因的表达。抑制神经元NO合成酶表达能有效降低疼痛，在Korneev的实验中设计的双链RNA成功地抑制了中枢神经系统NO合成酶表达，获得RNA干扰的成功。RNAi能在极低浓度（nmol范围）siRNA存在下显示出特殊有效性。广东省科技攻关项目“防治SARS疾病特效siRNA药物研究”课题组2003年6月开始针对SARS冠状病毒的RNA基因组特定靶位点自行设计了共48条双链RNA小分子，通过体外细胞实验系统成功地筛选出了4条对SARS冠状病毒有效的双链RNA小分子，这些双链RNA小分子在体外培养细胞中能特异地且非常有效地阻断SARS冠状病毒的感染及病毒增殖。其预防SARS冠状病毒的效果达到90%以上,几个有效的双链RAN小分子联合使用其治疗效果达到80%以上，而且实验结果均得到重复验证。经过siRNA预防或治疗后，原来感染SARS冠状病毒的绿猴胚肾细胞多能保持正常的细胞形态和数目。5.对小RNA基因的讨