miRNA介导的DNA甲基化研究进展.doc

miRNA介导的DNA甲基化研究进展摘要：microRNAs（miRNAs）是一种小的，转录后调控因子1,2,3。由高等真核生物基因组编码，miRNA通过和靶基因mRNA碱基配对引导沉默复合体（RISC）降解mRNA或阻碍其翻译。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组织特异性和时序性，决定组织和细胞的功能特异性，表明miRNA在细胞生长和发育过程的调节过程中起多种作用。1. miRNA原理miRNA基因通常是在核内由RNA聚合酶II(polII)转录的4,5,6,7，最初产物为大的具有帽子结构(7MGpppG)和多聚腺苷酸尾巴(AAAAA)的pri-miRNA。pri-miRNA在核酸酶Drosha和其辅助因子Pasha的作用下被处理成70个核苷酸组成的pre-miRNA。RANGTP和exportin 5将pre-miRNA输送到细胞质中。随后，另一个核酸酶Dicer将其剪切产生约为22个核苷酸长度的miRNA:miRNA双链。这种双链很快被引导进入沉默复合体(RISC)复合体中，其中一条成熟的单链miRNA保留在这一复合体中。成熟的miRNA结合到与其互补的mRNA的位点通过碱基配对调控基因表达。与靶mRNA不完全互补的miRNA在蛋白质翻译水平上抑制其表达（哺乳动物中比较普遍）。然而，最近也有证据表明，这些miRNA也有可能影响mRNA的稳定性。使用这种机制的miRNA结合位点通常在mRNA的3端非翻译区。如果miRNA与靶位点完全互补（或者几乎完全互补），那么这些miRNA的结合往往引起靶mRNA的降解(在植物中比较常见)。通过这种机制作用的miRNAs的结合位点通常都在mRNA的编码区或开放阅读框中。每个miRNA可以有多个靶基因，而几个miRNAs也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个miRNA来调控多个基因的表达，也可以通过几个miRNAs的组合来精细调控某个基因的表达。随着miRNA调控基因表达的研究的逐步深入，将帮助我们理解高等真核生物的基因组的复杂性和复杂的基因表达调控网络。目前只有一小部分miRNAs生物学功能得到阐明。由于miRNA的大量存在和深远潜力，miRNA发挥着多种多样的生理功能，从细胞分化，增殖，凋亡8，对内分泌系统9,10，造血11，脂肪代谢12，形态建成13。MiRNA显示出基因表达的组织特异性14，反映了细胞表型的多样性，因此在组织分化和维持中也发挥重要作用15,16。2. miRNA特点：广泛存在于真核生物中， 是一组不编码蛋白质的短序列RNA ，它本身不具有开放阅读框架(ORF) ；通常的长度为2024 nt ， 但在3端可以有12 个碱基的长度变化；成熟的miRNA 5端有一磷酸基团, 3端为羟基,，这一特点使它与大多数寡核苷酸和功能RNA 的降解片段区别开来；多数miRNA 还具有高度保守性、时序性和组织特异性。3. miRNA与DNA甲基化： 目前，研究的最为广泛的是siRNA介导的DNA甲基化，关于miRNA介导的DNA甲基化研究才刚刚起步。 在表观遗传学研究中，小分子RNAs（Short interfering RNAs，siRNAs）可以引导DNA甲基化，以及异染色质组蛋白修饰，导致序列特异性转录基因沉默。这一路径称为RNA介导的DNA甲基化路径（RNA-directed DNA methylation，简称RdDM）。 朱健康及其实验室的研究人员鉴定了一个RdDM的效应器（RdDM effector），KTF1。KTF1发生功能性丧失的突变会导致DNA甲基化程度变小，并释放出沉默RdDM转座子的siRNA，促进沉默RdDM路径。KTF1与转录延伸因子（transcription elongation factor）SPT5相似，其C端富含GWWG重复序列。KTF1与ARGONAUTE4（AGO4）一起定位在核心位置，并与AGO4和RNA转录因子结合。研究结果表明，KTF1是一个衔接蛋白，它同时链接AGO4和Pol V产生的转录因子网路，AGO4结合到siRNA，以上的分子结合在一起形成RdDM效应复合物。这种复合效应器的特征是具有双重的结合作用，同时结合AGO4和转录因子17。 miRNA与siRNA相似，它们是调控基因转录后调节的重要因子。siRNA的沉默基因的机制十分清晰，然而，microRNA的转录后调控机制却不十分清晰。2010年第一期CELL刊登了最新的miRNA研究进展，是关于microRNA对基因表达的转录调控研究。两位Feiburg大学教授带领的科研小组以小立碗藓（Moss Physcomitrella patens）植物为模型，研究DICER-LIKE1基因对microRNA生物合成和生物功能的控制机制18。研究发现小立碗藓模型中DICER-LIKE1a促进microRNA成熟，其后通过DICER-LIKE1b蛋白控制microRNA的靶位调控作用。一旦DICER-LIKE1b蛋白发生突变，编码microRNA靶位点的基因则被甲基化最后导致基因沉默， 这些靶序列的转录率急剧降低。DICER-LIKE1b蛋白突变加剧miRNA:target-RNA duplexes过程，导致microRNA靶序列超甲基化。这些生物学过程在激素处理后也可能发生。因此，研究人员认为，DNA甲基化引起的表观遗传学沉默过程由microRNA调控的靶RNA的转录率决定18。3. 展望：随着分子生物学的不断发展和完善，尽管目前还有诸多的未知因素，相信在不久的将来，关于miRNA介导的DNA甲基化研究将逐渐揭开神秘面纱。参考文献：1 Kusenda, B., Mraz, M., Mayer, J., and Pospisilova, S. (2006). MicroRNA biogenesis, functionality and cancer relevance. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub 150, 205-215. 2 Place, R. F., Li, L. C., Pookot, D., Noonan, E. J., and Dahiya, R. (2008). MicroRNA-373 induces expression of genes with complementary promoter sequences. Proc Natl Acad Sci U S A 105, 1608-1613. 3 Vasudevan, S., Tong, Y., and Steitz, J. A. (2007). Switching from repression to activation: microRNAs can up-regulate translation. Science 318, 1931-1934. 4 Lee, Y., Kim, M., Han, J., Yeom, K. H., Lee, S., Baek, S. H., and Kim, V. N. (2004). MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. Embo J 23, 4051-4060. 5 Zhou, X., Ruan, J., Wang, G., and Zhang, W. (2007). Characterization and identification of microRNA core promoters in four model species. PLoS Comput Biol 3, e37. 6 Lee, Y., Kim, M., Han, J., Yeom, K. H., Lee, S., Baek, S. H., and Kim, V. N. (2004). MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. Embo J 23, 4051-4060. 7 Zhou, X., Ruan, J., Wang, G., and Zhang, W. (2007). Characterization and identification of microRNA core promoters in four model species. PLoS Comput Biol 3, e37. 8 Brennecke, J., Hipfner, D. R., Stark, A., Russell, R. B., and Cohen, S. M. (2003). bantam encodes a developmentally regulated microRNA that controls cell proliferation and regulates the proapoptotic gene hid in Drosophila. Cell 113, 25-369 Cuellar, T. L., and McManus, M. T. (2005). MicroRNAs and endocrine biology. J Endocrinol 187, 327-332. 10 Poy, M. N., Eliasson, L., Krutzfeldt, J., Kuwajima, S., Ma, X., Macdonald, P. E., Pfeffer, S., Tuschl, T., Rajewsky, N., Rorsman, P., and Stoffel, M. (2004). A pancreatic islet-specific microRNA regulates insulin secretion. Nature 432, 226-230. 11 Chen, C. Z., Li, L., Lodish, H. F., and Bartel, D. P. (2004). MicroRNAs modulate hematopoietic lineage differentiation. Science 303, 83-86. 12 Wilfred, B. R., Wang, W. X., and Nelson, P. T. (2007). Energizing miRNA research: a review of the role of miRNAs in lipid metabolism, with a prediction that miR-103/107 regulates human metabolic pathways. Mol Genet Metab 91, 209-217. 13 Harfe, B. D., McManus, M. T., Mansfield, J. H., Hornstein, E., and Tabin, C. J. (2005). The RNaseIII enzyme Dicer is required for morphogenesis but not patterning of the vertebrate limb. Proc Natl Acad Sci U S A 102, 10898-10903. 14 Lagos-Quintana, M., Rauhut, R., Yalcin, A., Meyer, J., Lendeckel, W., and Tuschl, T. (2002). Identification of tissue-specific microRNAs from mouse. Curr Biol 12, 735-739. 15 Lim, L. P., Lau, N. C., Garrett-Engele, P., Grimson, A., Schelter, J. M., Castle, J., Bartel, D. P., Linsley, P. S., and Johnson, J. M. (2005). Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs. Nature 433, 769-773. 16 Lagos-Quintana, M., Rauhut, R., Meyer, J., Borkhardt, A., and Tuschl, T. (2003). New microRNAs from mouse and human. Rna 9, 175-179. 17 Xin-Jian He,Yi-Feng Hsu,Shihua Zhu,Andrzej T. Wierzbicki,Olga Pontes,Craig S. Pikaard,Hai-Liang Liu,Co-Shine Wang,Hailing Jin ,Jian-Kang Zhu(2009) An Effector of RNA-Directed DNA Methylation in Arabi