MicroRNA简介

1、MicroRNA 简介LT基因.它们就像散落于天幕的星星一样,分散在人类的基因组中.而在这 些基因间存在的大片大片的DNA片段是不能编码蛋白质的,即“非编码序列. 由于功能不清,加州理工学院的大野乾于1972年提出用“垃圾基因的概念来形 容它们.30亿个碱基对组成的DNA序列中,只有1%2%编码蛋白.,其中的 外显子,也就是能够制造蛋白质的编码序列.也就是说,在人类基因组中,有98% 的信息是看似无用的“垃圾非编码以也或称“垃圾DNA",是指不包含制造蛋白质的指令,或是只 能制造出无转译水平RNA的DNA序列.此类DNA在真核生物的基因组中占有 大多数.远远超过编码基因,有很长的一段

2、时间科学家们没有认为这些非编码 的作用,垃圾DNA还能通过合成调节性RNA发挥功能.这些皿上并不是为 了合成蛋白质,但却在生命的舞台上扮演着不同的角色.迄今为止,细胞中的 rRNA、tRNA、snRNA、a§RNA、§noRNA、miRNA、piRNA 都是非编码“垃圾DNA 合成的.它们参与到基因活化、基因沉默、基因印记、剂量补偿、蛋白合成与 功能调节、代谢调控等众多生物学过程中.科学家们已经发现：“垃圾DNA的 功能之一就是调节基因的活动,如同一道指令一样,限制着基因.一些限制基 因开和关的特殊蛋白转录因子能特异识别基因附近的非编码“垃圾DNA,通过 与它们相互作用参与

3、基因的抑制与激活.科学家还发现,大多数基因的开启和 关闭是由附近的“垃圾DNA限制的.它们就像是基因的“分子开关,调节基因 的活动.例如,在酵母中,大约30%基因上游的非编码DNA在基因调控中发挥 作用,在拥有更大基因组的哺乳动物中,虽然特殊的有功能的“垃圾DNA的分 布要比在酵母中分散,但却在编码蛋白序列的上下游区域内呈簇分布.这局部的研究由于与疾病的相关性,因此收到科学家的瞩目.这么少的基因消耗了如此大的基因组是不是太过于浪费啦？那么,在学术 界和新闻媒体中广为流传的,基因的墓场,是真的吗？经过漫长岁月的进化,许 多“垃圾DNA序列被顽固地保存下来,这是不是在暗示它们有着不可或缺的功 能？

4、“垃圾DNA对生物意味什么？海量“垃圾的存在引发了科学家们浓厚的兴 趣并重拾对“垃圾序列的关注,也掀起了一场声势浩大的从垃圾中寻宝的浪潮.“合指的是合理.亿万年的进化使不合理的基因根本上都被淘汰了,所以 存在的基因其功能必定是合理的,至少具有合理性的一面.合理的表现就是能 够促进个体的生存和繁衍.合理遵循两个原那么：一,经济原那么.生物不会浪费 物质和能量在一个无用或者冗余的基因上.但凡一个基因可以实现的功能,没 有必要用两个基因.二,有效原那么.基因的功能应该促进而不是损害生物的生 存和繁衍.根据合理性原那么,无需任何实验证据,我们不难想到非编码DNA序 列是有用的,不是无用的垃圾.该领域中

5、,经过miRNA的大热之后,现在加cRNA也成为该领域的重点研 究对象,小伙伴们也可以从越来越多的相关标书中发现倪端.一、RNA分类以上是根据功能来分类,还可根据片段大小来分类Small ncRNA和 Long ncRNA, Small ncRNA是指片段小于200nt的RNA,除了我们熟 悉的rRNA外,还有snoRNA 小核仁RNA、 piRNA Piwi蛋白互做RNA等等十多种,也都是各有各的作用.非编码RNA是指不编码蛋白质的R、A,其中包括rR、A, tRNA, snRNA, snoRNA和microRNA等多种功能的RNA,还包括未知 功能的RNAo这些RNA的共同特点是都能从基因

6、组上转录而来,但是 不译成蛋白,在RNA水平上就能行使各自的生物学功能了.低等的生物,象病毒、细菌等只有少量的“Junk DNA,而高等的 动、植物那么含有大量“JunkDNA,它们甚至占据着基因蛆的大局部. 这就是说,伴随着生物从简单到复杂、从低级到高级、从信息少到信息多, 非编码DNA不断增加.它意味着“JunkDNA可能蕴涵着生物体复杂性的 信息.二、microRNA 概述MicroRNA miRNA是一类由内源基因编码的长度约为22个核甘酸的非 编码单链RNA分子,具有在译水平或转录后水平调控基因表达的功能.其本 身不具有开放阅读框架ORF,并且不编码蛋白质.microRNA 兴起19

7、93年,Ambros小组以线虫为对象用基因打靶技术研究某些基因对其发育的影 响.他们找到了一个对发育有明显干扰的基因.通常线虫要通过四个幼虫阶段才能成 熟,这个基因的突变使其只停留在第一阶段.令人们惊奇的是这个基因并不编码任何蛋白质,而是编码一个microRNA但可以以不完全互补的方式与lin-14基因的mRNA的3 '非译端的特定区域相互作用,最终抑制lin-14蛋白质合成,调控着线虫幼虫由L1期向L2期的转化.在线虫中发现了第一个 miRNA-lin-4.以后的研究证实, 这样的小 RNA基因在果蝇、 软体动物、 鱼类以及人体中都 存在.秀丽隐杆线虫根本的生命周期如下：秀丽隐杆线虫

8、由雌雄同体产下卵.卵 在孵化后,会经历四个幼虫期L1 -L4o当族群拥挤或食物缺乏时,秀丽隐杆 线虫会进入另一种幼虫期,叫做dauer幼虫.Dauer能对抗逆境,而且不会老化. 雌雄同体在L4期生产精子、并在成虫期产卵.雄性能使雌雄同体受精；雌雄同 体会优先选择雄性的精子.秀丽隐杆线虫在实验室中20的情况下,平均寿命约为二、三周,而发育时间只须几天.2000年以来,大量的miRNA被研究者发现和鉴定.到目前为止,在Sanger microRNA 序列数据库miRBase , 21.0版中含有28645条发火前体序列,35828 条成熟miRNA序列,涵盖了 223个物种,这些生物体内担负着重要

9、的调控功能.2000年,Ruvkun实验室又发现另一个 miRNA 分子let-7,至此miRNA 逐渐进入人们的视野,并成为科学界的明星分子 let-7与lin-4作用相似,同样可以调节线虫的发育进程.Let-7最早在G.elegans体内发现,长为21nt, 存在于线虫的幼虫时期的第三期、第四期以及成虫期,与蜕皮激素相关.Let-7基因的表达决定了线虫从幼虫向成虫的形态转变,抑制let-7 RNA活性,将会导致成虫阶段出现幼虫期的形态；而let-7 RNA在幼虫期过度表达那么会导致早熟. 成熟的miRNA具有如下特点：a. 高度保守性、时序性和组织特异性,miRNA的表达具有时间特异性和空

10、间特异性；线虫中发现的 miRNA有三分之一以上可以在人体细 胞内找到同源体.目前发现的大多数miRNA的表达呈现出时序性和组织特异性.有研究发 现,lin-4和let-7等一些miRNA呈发育时间特异性表达,lin-4在线虫发育的 早期表达,而let-7那么在线虫发育的晚期和成虫阶段表达.miRNA表达还具有细胞特异性或组织特异性,Beuivnk, I通过对人体多种组织 miRNA表达谱的 研究,证实了 miRNA的表达具有明显的组织差异性.这个特点提示 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.b. 多靶效应,一个 miRNA

11、可以靶向多种不同的 mRNA.c.基因簇集现象：基因簇(gene cluster,)是指基因家族中来源相同、结构相似 和功能相关的基因在染色体上彼此紧邻所构成的串联重复单位,定于染色体的 的特殊区域.miRNA基因并非随机分布,从单一 pri-miRNA 加工而来的共表 达miRNA存在基因簇集现象,miRNA簇集的存在可能与 miRNA基因的协同 作用有关.例如 miR-35miR-41基因簇集在线虫 2号染色体的1 kb片段 上,并且由同 一个pri-miRNA 上加工形成7个成熟的 miRNA.d.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

12、核 甘酸和功能RNA的降解片段区别开来；根据miRNA基因在基因组中的定位,可将其分为四类：a.位于可编码基因内含子的 miRNA ,如 miR-2593106b基因簇位于 MCM7的内含子区；b.位于非编码基因内含子的miRNA ,如DLEU2内含子中的 miR-15a 16-1;c.位于可编码基因外显子的 miRNA ,如CACNG8中的miR-985 ;d .位于非编码基因外显子的miRNA ,如BIC外显子区的 miR-155.总之,miRNA的转录或是独立转录或是与其他ncRNA或mRNA共转录.miRNA基因以单拷贝、多拷贝或者基因簇等形式存在于基因组中,而且绝 大局部定位于基因间

13、隔区(intergenic region , IGR),也有局部来自于内含子区. 三、microRNA 合成过程miRNA基因通常是在核内由RNA聚合酶II(polII)转录的,但是,也有一 局部miRNA是由RNA Pol III转录产生的.最初产物为大的具有帽子结构 (7MGpppG)和多聚腺甘酸尾巴(AAAAA)的含有几百或几千个核甘酸的 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个核甘酸组成的具有茎环结构的 pre-miRNA .Pre-miRNA 在3端具有2个核甘酸的突出,这一特殊的结构被核转运蛋白 Exportin-5所

14、识别,RAN 0TP和exportin 5将pre-miRNA输送到细胞质中.随后,另一个核酸酶 Dicer及其结合蛋白将其剪切产生约为 22个核甘酸长度的miRNA:miRNA*双链.miRNA双链与细胞质内Ago家族 蛋白等结合在起形成沉默复合体(RNA-induced silencingcomplex, RISC),其中一条成熟的单链 miRNA 保存在 这一复合体中.另一条会迅速被降解.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.microRNA 通过其种子序列(seed region, 5端的28位核甘酸序列与靶mRNA的3端-UTR有些是5端-UTR或C

15、DS互补靶序列完全或局部匹配,介导 mRNA的降解或译抑制.MiRNA 首先是由MiRNA 的host gene转录获得的,host gene转录,形成了 primary microRNA ( pri-MiRNA ),然后通过 Drosha -Pasha 复合体,形成了 precursor microRNA也就是pre-MiRNA ,接着pre-MiRNA 被Dicer剪切成双链的 RNA ,然后双链 RNA被AGO1保护起来,其中一条链被降解,另一条链就被保存下来了.被降解的链一般被称之为"Passenger strand,这条链一般不容易被检测到,很简“miRx x x*另一条单

16、,由于被降解了嘛.这条链也被称之为星号链,一般会表示为链被称之为"Guide strand,也就是先导链,这条就是我们通常所说的miRNA.在microRNA形成的过程中,是一个 茎-环前体把那个 坏结构切除以后就剩下了一个 茎,而这个 茎本身呢？又是一个双链结构,因此它的每一个单链都会形成一个成熟的 microRNA ,也就是说一个 microRNA 前体最多可以形成两条 microRNA 的.但是我们知道,表达量的上下不是那么好确定的,除去实验误差不说,往往在一个组织里microRNA有星号的那个表达量很低,到了另一个组织里它就变得高表达了. 因此这种命名法实际上是不科学的.止匕

17、外,2022年开始,有很多文献,开始说明miRNA星号链是有功能的(Widespread regulatory activity of vertebrate microRNA* species. , Yang, 2022),星号链的功能,也 有可能比先导链更为高级.那这样用 来标记就有点过时了.从miRBase17.0版开始,就对成熟体 microRNA的名字进行了改变,规定不管表 ZZZZ 达量如何,产生自 茎-环结构5'端那个的就在名字后面加上一个-5p,对应地,另一条就是后缀为-3p的了.需要特别提出的是,不是每一个 茎-环结构的microRNA前体都会产生两个成熟 体micro

18、RNA的,如果只产生一个产物,那它的名字后面就什么也不添加了.三、microRNA命名miR、A成熟体命名规那么(以动物miRNA为例)确定命名规那么之前发现的miRNA,那么保存原来名字.如hsaTetT.MR“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ffT数字,如hM-miRT22工高度同源的巾iRYA在数字后把上英文小写字母S, h,a如后苜FiR-34白* hsit-nii Rj_34b, hsiimi RHMc由不同染色体上的DW序列粘泉加工而成的具有相同成熟体序列的m i RA.那么在后面机上阿拉伯数字以示区分如h$a 1111?-1照片1和卜睡-时1?-1

19、99白-2?通常一个nHRW前体长度大约为很可能两个臂分别产生miRNA.如以 *-5p"和"*_3p"分另II命名-JlUhs«i_miR_2bb_5pfllhsa-iniR_26b_3pr 分 别说明从hsH-miL26b前体的5,端官和3'端臂加工而来的口五、成熟miRNA调控靶mRNA译的机制按其作用模式不同可分为三种: 1,二者不完全互补.即二者不完全配对结合时,主要影响译过程,而又t mRNA 的稳定性无影响.以线虫lin-4为代表,这种miRNA是目前发现最多的种类.2,二者完全互补.即二者完全配对结合后,特异性的切割 mRNA 0

20、作用方式和 功能与siRNA非常类似,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.3,上述两种模式均具备.当其与靶 mRNA完全互补配对时,直接靶向切割 mRNA ,而不完全互补配对时起调节基因译的作用.以let-7为代表.上述miRNA调控靶基因的机制说明 miRNA与靶mRNA不是对应的 关系,一个miRNA可以调控不同的靶基因,一个基因可能受多个 miRNA调控. 据估计,人类基因组中有1/3的基因受到miRNA的调控,每个miRNA调控的 靶基因超过100条.miRNA参与调节胚胎发育,器官分化,细胞增殖,细胞凋 亡,细胞代谢,信号通路等多个生理

21、过程.例如,miR-273和lys-6编码的miRNA , 参与线虫的神经系统发育过程.目前研究发现miRNA在疾病、尤其是月中瘤的发 生和开展过程中具有重要的调控作用.microRNA表达的改变与人体的生理机能 紊乱,尤其是月中瘤过程密切相关,例如,miR-122通过抑制Bcl-w和ADAM-17 来抑制原发肝癌的发生和迁移.研究发现miR-34a参与调节内皮细胞的衰老,miR-34a的过表达可负性 调控 SIRT1(silent mating type information regulation homolog , SIRT1)以及增 加P53的乙酰化,SIRT1的降低最终导致内皮细胞的衰老, 衰老的内皮细胞可 能增加动脉粥样硬化等心血管疾病发生率.let-7、miR-124、miR-125等参与了 神经干细胞分化.研究发现,逆转录病毒载体使鼠造血干细胞过表达mi