miRNAs及其功能的研究进展(1)
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[中图分类号]Q75
[文献标识码]B
[文章编号]1005-0019(2009)7-0022-03
[摘要]miRNAs是一类在细胞内合成后通过抑制mRNA的稳定性或降解靶mRNA来调节基因表达的单链小RNA分子。无论是在动物中还是在植物中都可以与靶mRNA特异的结合影响mRNA的转录,从而对机体基因的多样性、复杂性进行调节,影响细胞、组织的生长和分化甚至与人类的一些疾病有着密切的关系。
[关键词]miRNAs;mRNA;结合;基因;癌;肿瘤
miRNAs(微小RNA,microRNAs)是类长度为21～30nt,具有显著生物学意义的非编码蛋白质的单链小RNA分子[1]。miRNAs通过基因切割和翻译抑制的方式调节-些信号分子,并对至少1/3的人类基因发挥非常重要的表达调节作用[2]。miRNAs的丰富程度和重要作用随着研究的深入逐渐被人们所认知,同时对miRNAs的研究也成为新的热点。本文着重就miRNAs的发现、合成、作用机制及其在生物体内的功能研究等方面作-综述。
1miRNAs的发现
1993年Lee等[3]在秀丽新小杆线虫中发现了第-个可阶段性调控胚胎后期发育的miRNA,命名为lin-4。之后,Reinhart等[4]同样又在线虫C.elegan中发现了第二个对其时序性发育进行调控的miRNA基因let-7。它们的长度很短且作用时间很短暂,所以最初被称为小时序RNA。随后,又在其它生物中发现了大量类似的RNA,2001年起便将其统-命名为miRNAs。经研究发现在人类基因组可能含有1000种左右的miRNAs,其中-小部分不是人类所特有的,但是对人类保持其特异性发挥了很大作用[5]。miRNAs在人体内参与了许多生命活动的调节,并且还可能与许多疾病的发生、发展有着密切的关系,因此受到人们的广泛关注。
2miRNAs的生物合成
miRNAs并不是由其相应基因序列直接转录形成的。它的形成和成熟需要经过两个主要的加工过程,分别由RNAse-III酶Drosha和Dicer剪切完成[6]。在细胞核内编码miRNAs的基因通过RNA聚合酶II的作用转录产生pri-miRNAs。Pri-miRNAs的大小通常只有几个kb,它与编码蛋白质的mRNAs的结构相似,具有3’端多聚腺苷酸化和5’端帽[7]。Drosha与Drosha相关结合蛋白Pasha(也被称为DGCR8)组成的复合物可以剪切pri-miRNAs,使之形成具有茎环结构长度约70个核苷酸的miRNA前体(pre-miRNAs)[8]。pre-miRNAs在Ran-GTP依赖的核质/细胞质转运蛋白Exportin5的作用下,从核内运输到胞质中。在Dicer酶[9]的作用下,miRNA前体被剪切成21～25个核苷酸长度的双链miRNA。miRNA两条链的3’端均有2个游离核苷酸[10]。最初,成熟的miRNA与其互补序列互相结合形成miRNA:miRNA双螺旋结构。随后,双螺旋结构解旋,其中一条成熟的单链以不对称的方式结合到RNA诱导的基因沉默复合物(RNA-inducedsilencingcomplex,RISC)[11]上。该复合物会与有互补序列的mRNAs结合,通过调整mRNA的稳定性或靶mRNAs的翻译,影响蛋白质的合成从而调节基因的表达。
3miRNAs沉默基因的作用机制
目前认为miRNAs通过抑制mRNA翻译或是降解mRNA来调节基因表达。在植物中,miRNAs沉默基因的主要机制是含有Slicer的具有切割功能的RISC降解mRNA[12]。当miRNAs和靶mRNA完全配对结合或几乎完全配对结合后,与siRNA作用机制相似,miRNAs直接介导RNA干涉特异性复合物RISC切割靶mRNA[13];同时可能引发Slicer在mRNA5’端第10个和第11个核苷酸之间切割[14]。
而在动物中,大多数miRNAs通过不具备切割功能的RISC抑制翻译而发挥作用[15],当miRNA和靶mRNA不完全配对结合时,miRNA主要影响mRNA的翻译过程而对mRNA的稳定性并无任何影响。大多数miRNAs和靶mRNA3’端的非编码区(uTRs)结合,也有些miRNAs可以和开放阅读框(ORF)或5’端的编码区(UTR)结合[16],抑制的程度跟miRNAs与mRNA结合位点的数目有关。哺乳动物中只有少数miRNAs是通过类似于RNA干涉的方式直接切割靶mRNA发挥作用的。
4miRNAs的生物学功能
4.1miRNAs调节靶基因的多样性和复杂性:诸多研究表明miRNAs参与的基因调控对基因表达产生广泛影响[17]。首先,在线虫、鼠科动物、人类体内已发现的基因中,miRNAs约占1%～5%;其次,miRNAs在动物体内高水平表达,并根据其生理和发育进程进行相应的调控,每种细胞都需在由-系列特定miRNAs决定的miRNA环境中控制基因表达;近来“miRNA种子法”广泛使用,即利用成熟miRNA序列前2～8个碱基与所有表达基因的3’端非翻译区互补配对来找出其对应靶基因18,揭示-个miRNA能调控200个靶基因之多,但“miRNA种子”法并未能找到所有靶基因,因为除miRNA序列的前2～8个核苷酸外,其他部位如其3’端等也能控制miRNA的调节,这就说明miRNA靶基因数目远不止此,暗示起码人类1/3的蛋白编码基因都被miRNAs所调控。此外,在单个靶基因的3’端非翻译区中也发现能与多个miRNAs互补的位点,提示miRNAs组合调控模式十分复杂。事实上,目前普遍认为miRNAs参与的基因调控是遗传程序中最基本的-步,它能操纵转录后水平,并通过调节-些信号分子如细胞活素、生长因子、转录因子、前程序性细胞死亡基因和抗程序性细胞死亡基因的表达来实现其对细胞死亡、增殖、分化、发育和新陈代谢的调控[19]。由上可见,miRNAs广泛影响各种基因途径,因此,这些小RNA的缺失或表达不当都可能导致疾病,包括恶性肿瘤。
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