microRNA組學綜述

1、【精品文檔】如有侵權，請聯(lián)系網站刪除，僅供學習與交流microRNA組學綜述.精品文檔.基因組學結課綜述microRNA組學研究及進展000000000000000000000000000000microRNA組學研究及進展摘要：microRNA是由屬十小分子RNA，由基因序列上的內含子片斷轉錄并剪切加工而來，其長度約為19-24個核若酸。它的功能體現(xiàn)于基因翻譯后與表達之間的時段，其功能的體現(xiàn)方式在于它能和mRNA進行不同程度的靶向綁定，以堿基的互補結合力形成雙鏈結構，從而影響基因組信息的傳遞。初始的研究表明，microRNA的靶向識別僅僅在于microRNA的5'端起的前8個左右的堿

2、基，也就是其種子區(qū)域。但后續(xù)研究表明；非種子序列的靶向作用也不容忽視；與此同時，microRNA成熟體的靶向區(qū)域并不局限在3'UTR，它還能有效的靶向5'UTR，甚至編碼區(qū)域。 關鍵詞:microRNA,靶基因分類，特征提取方法，神經網絡一、 miRNA的發(fā)現(xiàn)由于miRNA很小，在很長時間里沒有被人發(fā)現(xiàn)。直到1993年，第一個miRNA lin-4才被Ambors等人發(fā)現(xiàn)。Ambors等研究秀麗隱桿線蟲(C.elegans)時，發(fā)現(xiàn)與發(fā)育相關的lin-4基因的編碼產物是一個長度為22個堿基的RNA小分子，它與另一個發(fā)育相關基因lin-14的3'UTR區(qū)域的7個保守位點部

3、分互補，可以調節(jié)lin-14的蛋白產物，從fn調控線蟲發(fā)育過程。這一發(fā)現(xiàn)揭開了一種新的基因調控機制，但在此后的7年中人們一直沒有發(fā)現(xiàn)新的miRNA。直到2000年第二個miRNA分子let-7才在線蟲被鑒定出來，它與lin-4有相似的調控機制。在此之后不到一年時間，二個實驗室從果蠅、蠕蟲、人類細胞中找到了近百個這類小RNA，并將其命名為microRNA。從此之后，miRNA的研究得到了廣泛的關注，大量的miRNA被發(fā)現(xiàn)。目前關十miRNA的權威數(shù)據(jù)庫miRBase中，收錄了來自動物、植物和病毒等數(shù)十個物種的數(shù)千個miRNA基因的信息，并且其數(shù)量還在不斷的快速增長1。二、 miRNA及其產生過程

4、microRNA在其產生過程中，呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，不同生存周期中，具有不同的表觀特點。下面分別以動物和植物的為例，對microRNA的特點進行描述2。 在動物細胞內，microRNA生存周期中包含其5種狀態(tài):帶有尾巴結構和發(fā)卡結構的Pri-microRNA ,僅帶有發(fā)卡結構的Pre-microRNA ,雙鏈形式的microRNA/microRNA*復合物、單鏈microRNA ,已靶向靶序列的microRNA/target-link結合物。其中，Pri-microRNA就是帶有兩種特殊結構的microRNA gene轉錄物，該轉錄物在其基因轉錄剪切后，由十自身呈單鏈結構，加上細胞內的生物分子動力

5、的作用，很自然的形成帶有尾巴結構、發(fā)卡結構和堿基莖區(qū)的分子。該莖區(qū)遵循W-C配對原則。狀態(tài)則是狀態(tài)經過一種酶去尾處理，保留下莖區(qū)和發(fā)卡結構的Pre-microRNA, 而Pre-microRNA在細胞核內外都能檢測到。狀態(tài)相對十前一種狀態(tài)fIJ言，少了發(fā)卡環(huán)結構，而該結構的剪切，使得microRNA形成了成熟的雙鏈結構。雙鏈結構其實就是狀態(tài)中莖區(qū)的一部分，它是microRNA和microRNA*的復合物。當解鏈酶作用后，microRNA成熟體(單鏈)則產生了，同時也生成了單鏈的microRNA*,即狀態(tài)。在以往的研究中，學者大多關注microRNA成熟體的作用機制和功能。通常情況下，簡單認為m

6、icroRNA*鏈是不具有功能的、僅與microRNA互補的單鏈RNA，指出其在與microRNA鏈分離后，在細胞內逐漸降解。但是，大量研究陸續(xù)證實，有的 microRNA*鏈也能起到microRNA的靶向作用，從fn導致靶序列所在區(qū)域的基因沉默。因此，研究人員指出，microRNA鏈和microRNA*鏈是相對的，當其中一條microRNA單鏈在發(fā)揮自有的、特有的功效時，microRNA*鏈相對于該功能不發(fā)揮microRNA作用:但是在不同組織、不同細胞表達過程中，microRNA*鏈發(fā)揮microRNA作用時，與其互補的鏈則不發(fā)揮該功能。而microRNA使靶基因表達受到抑制和誘導其降解的

7、過程也就是狀態(tài)。對于植物microRNA 而言，它與動物microRNA相比，各個時期有相似之處，也有不同之處。植物microRNA的狀態(tài)包含有兩種形式，一種和動物microRNA的狀態(tài)一致，另外一種則是帶有尾巴結構的Pre-microRNA，并且動物microRNA的狀態(tài)僅存在于細胞核內；狀態(tài)同時存在十細胞核內與細胞核外；狀態(tài)、和存在十細胞核外。而植物microRNA的和狀態(tài)存在十細胞核內；狀態(tài)同時存在十細胞核內外；狀態(tài)和存在于細胞核外3。三、miRNA的作用機制microRNA成熟體通過與mRNA靶的一段序列形成互補雙鏈結構，以達到調節(jié)功能。這種互補形式存在強弱之分，即雙鏈結合上，存在互補

8、堿基的多寡性，從而決定了microRNA的不同調節(jié)機制4。在microRNA發(fā)揮其功能時，它與靶基因如果具有更好的互補性，主要通過對靶向的目標mRNA起到直接切割mRNA，以影響其表達。而這種作用方式，通常是植物microRNA偏好的靶標作用方式。如果在microRNA與靶序列的結合中，存在較多的錯配，則主要通過轉錄后抑制的方式，對mRNA的翻譯過程起到干擾作用，這種作用通常存在于動物microRNA的作用機制中。以下是microRNA的作用機制示意圖:該作用機制下的microRNA和被靶向的序列之間存在著高度的互補性。經過microRNA誘導降解作用后，靶序列被切割成兩部分，并從符合蛋白上脫

9、落。這兩部分靶序列片段在細胞質中經過降解酶處理后，再次形成氨基酸等細胞維持生命活動的原料。mRNA干擾翻譯機制下，microRNA在符合蛋白上與靶向的基因序列呈現(xiàn)不完全結核的狀態(tài)。對于被靶向的mRNA而言，它們的翻譯過程則不會受到完全的阻斷，只是在表達過程中受到不同程度的阻礙影響。所以，起翻譯表達的蛋白在細胞質中能夠被檢測到，只是表達量與microRNA不發(fā)揮此項作用時有所不同。對于microRNA作用機制的分類，在物種實體細胞中，則存在3中方式：（1）作用時與靶基因不完全互補結核，僅抑制mRNA的翻譯過程，不影響mRNA的穩(wěn)定性。這種抑制方式最為常見。（2）其作用方式類似siRNA，作用時通

10、過與靶序列的完全互補結合，切割mRNA，從而達到mRNA降解的作用，例如擬南芥miR-171。（3）某些microRNA具有以上兩種靶標作用方式，如針對let-7的實驗過程中，它對果蠅細胞核一些特定細胞具有mRNA靶割裂作用；而線蟲中，它與靶mRNA的3端不完全結合，僅起到基因變大抑制的作用5。四、 miRNA的靶基因 microRNA的靶基因是指microRNA成熟體單鏈在靶標作用機制中，靶向的一段堿基序列，該序列來自被microRNA靶向的mRNA。microRNA的靶序列和靶基因通常是同指的。五、 miRNA的功能miRNA在許多生物過程中都起到了重要的作用，包括生長發(fā)育和疾病發(fā)生等。最

11、早發(fā)現(xiàn)的miRNA lin-4和let-7都在線蟲發(fā)育中起到關鍵切換開關的作用。后來，人們逐漸發(fā)現(xiàn)許多miRNA都與生物發(fā)育相關。例如miR-133影響了人的肌細胞發(fā)育，miR-196影響了小鼠的發(fā)育過程。研究發(fā)現(xiàn)，Oct4, Sox2, Nanog和Tcf3這4種轉錄因子對十胚胎干細胞的調節(jié)非常重要，而 miR-290, let-7等也與這些轉錄因子一起參與了胚胎干細胞的多種調節(jié)作用。此外，miRNA與多種癌癥密切相關。研究發(fā)現(xiàn)，50%以上的miRNA位于癌癥相關的基因組區(qū)域，因此miRNA可能發(fā)揮了原癌基因或抑癌基因的功能。例如miR-1 _5_5在乳腺癌細胞中顯著高表達。它位于BIC基因

12、唯一的物種保守區(qū)域，而 BIC基因是乳腺癌相關的重要基因，miR-1 55可能與BIC基因的致癌作用有密切的關系，起到了原癌基因的作用。另外let-7家族起到了抑癌基因的功能。它們抑制原癌基因Ras的表達，控制細胞生長分化過程。miR-1 5 a和miR-16-1起到了抑癌基因的功能，在慢性淋巴細胞性白血病中起到重要作用。miR-21, miR-142, miR-143, miR-145也與癌癥相關。miRNA與癌癥的密切關系，使人們開始探索將miRNA用于癌癥診斷、分類和治療。例如在乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)通過對miRNA進行表達譜分析，可以對乳腺癌的不同子型進行正確的分類。同時發(fā)現(xiàn)通過鎖核酸(l

13、ocked nucleic acid, LNA)的生物技術來特異性抑制miR-21, miR-122, miR-155等miRNA的活性，可有效治療小鼠的乳腺癌。這一技術的靶向性更明確，因此更穩(wěn)定毒性也更小。由此可見，miRNA對十未來癌癥的臨床治療和藥物設計都有重要幫助6。六、miRNA對肝癌細胞組織環(huán)境中的作用目前肝細胞性肝癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)己經成為世界上死亡率最高的惡性腫瘤之一。隨著對腫瘤生分子物學及腫瘤免疫學研究的不斷深入，人們認識到研究肝癌的發(fā)生發(fā)展不能只局限十肝癌細胞，更應該關注為肝癌細胞增殖、惡性演變提供了“土壤”的微環(huán)境。在肝癌的發(fā)

14、展過程中，肝癌細胞通過遺傳和表觀遺傳的改變獲得新的特性，并通過與免疫細胞或者細胞因子協(xié)同作用來創(chuàng)造一個有利十其生長和轉移的“土壤”環(huán)境。作為免疫效應階段的執(zhí)行場所，腫瘤微環(huán)境幾乎包括了宿主免疫系統(tǒng)的所有成分，包括T淋巴細胞，B淋巴細胞，巨噬細胞，樹突狀細胞，肥大細胞及各種細胞因子等，其中CD4'CD25'CD127-Treg細胞介導的免疫網絡調控在機體抗腫瘤免疫效應中發(fā)揮非常重要的作用，不同的研究都發(fā)現(xiàn)HCC患者腫瘤微環(huán)境中及外周血中CD4'CD25'CD127Treg細胞都呈現(xiàn)高表達，這些過高的Treg細胞可以直接阻止腫瘤特異性T細胞對腫瘤細胞的殺傷效應及誘導

15、效應性T細胞對腫瘤抗原的耐受，Ifn不產生記憶性效應T淋巴細胞反應，最終在腫瘤周圍營造了免疫抑制微環(huán)境，屏蔽來自免疫系統(tǒng)的攻擊和壓制，介導腫瘤的免疫逃逸。然而，腫瘤微環(huán)境中Treg數(shù)量增高受到那種機制的調控尚不明確7。近年來，一種重要的調節(jié)RNA一一miRNA被發(fā)現(xiàn)在基因轉錄后水平調節(jié)轉錄組的表達，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中具有重要作用。miRNA是一種大小約為19-25個堿基的單鏈小分子RNA，是由70-90個堿基大小的單鏈miRNA前體(pre一miRNA)在Dicer的作用下產生的。1993年，Lee等在秀麗新小桿線蟲(Caenorhabditis elegan)中發(fā)現(xiàn)了第一個microRN

16、A一一1in-4。時隔7年，Reinhart等又在線蟲C. elegans中發(fā)現(xiàn)了第二個microRNA一一1 et-78。之后隨著生物信息學分子克隆技術學的的飛速發(fā)展，miRNA在疾病中的作用口益受到重視，在2002年和2003年連續(xù)兩年miRNAScience雜志評選為十大科技新聞。雖然miRNA的研究僅有很短的歷史，截至2012年8月，依據(jù)最新的miRNAs數(shù)據(jù)庫(miRBase19. 0, http : /www. mirbase. org/)，目前已從病毒、植物和動物的基因組發(fā)現(xiàn)兩萬多個miRNAs，其中人類有兩千余個，并目_其數(shù)據(jù)庫仍處十不斷更新中。其中，絕大部分的miRNA功能未

17、明8。miRNA本身并不編碼蛋白質，它主要通過與靶基因mRNA分子的3端非編碼區(qū)域(3-UTR)互補配對后，降低mRNA分子穩(wěn)定性和翻譯抑制兩種方式來參與靶基因表達調控。在人類腫瘤組織中，miRNA表達失調的現(xiàn)象非常普遍，而且具有一定的組織特異性。如早在2002年，CalinGA等9發(fā)現(xiàn)多數(shù)慢性淋巴細胞白血病患者miR-15和一16缺失或下調，因此認為miR-15和miR-啊能作為抑癌基因發(fā)揮作用。miR-15和miR-16通過抑制BCL一的表達發(fā)揮其抑制腫瘤發(fā)生的功能。在胰腺癌中存在miR-150和miR-630的表達上調，二者的作用靶點可能是誘導腫瘤細胞凋亡有關的胰島素樣生長因子受體GF-

18、1R11。另外，有的microRNAs在不同的腫瘤中可能發(fā)揮完全不同的作用，如Hulf等和Verdoodt等均報道m(xù)iR-205在前列腺表達是下調的，Ifn在子宮內膜癌中，miR-205的表達卻明顯升高。自2006年Murakami等首次報道m(xù)iRNA在正常肝臟和HCC中的表達差異以來，相繼不斷有研究發(fā)現(xiàn)多種microRNA在肝臟均有表達。但在肝臟組織中，miR-122是表達豐度最高的miRNA,有文獻報道稱miR-122的表達量約占肝臟總miRNA的70 %。Landgraf等研究發(fā)現(xiàn)人類肝臟表達的miRNAs有40多種，除miR-122外，特異性較高的還包括包括miR-126、miR-42

19、4/322、miR-135b,miR-122miR-425、miR-93、miR-96和miR-374b等9。由于miRNA在調控靶基因中，與靶基因的3' UTR區(qū)存在著不完全互補的現(xiàn)象，所以，一個miRNA可以同時調控多個蛋白質編碼基因，一個蛋白質編碼基因也可同時受到多個miRNA的調控，進Ifn影響到相關的重要信號通路。由此可見，miRNA,靶基因及相關重要信號通路構成一個復雜的調控網絡，發(fā)揮重要的生理功能。腫瘤微環(huán)境中Treg細胞升高是否受到microRNA的調控，只有為數(shù)不多的幾篇報道。Yan等下發(fā)現(xiàn)TGF-b-miR-34a-CCL22信號通路在肝癌免疫微環(huán)境中發(fā)生了改變，m

20、iR-34a通過上調細胞因子CCL22的水平，促進Treg細胞的聚集。Rousa等發(fā)現(xiàn)Treg細胞有5microRNA表達失調(miR-21, miR-31, miR-125a、miR-181c及miR-374)，其中miR-31和miR-125a低表達，向臍血T細胞中轉入這5個miRNA后發(fā)現(xiàn)；miRNA-31直接抑制Foxp3的表達，miRNA-21間接促進Foxp3的表達，其余3個microRNA對細胞的表型及Foxp3的表達無直接的影響10。七、問題與展望我們正在經歷一個進入后基因組時代的世紀轉折點，擁有史無前例的數(shù)據(jù)資源，這些信息不僅使得越來越多的新的miRNA分子被發(fā)現(xiàn)，人們對其功

21、能和作用機制的了解也越來越明確。一個microRNA可以調節(jié)多個靶基因，一個靶基因又可以受到多個miRNA調節(jié)，microRNA自身的表達與功能又受多種因素的調控，這些關系錯綜復雜，有待十進一步深入廣泛的研究。microRNA介導的功能基因調節(jié)已經開啟基因調控的大門，對microRNA調節(jié)機制的研究發(fā)現(xiàn)有可能是21世紀生物醫(yī)學領域最重要的突破之一，將為肝癌的預防和靶向治療開辟道路11。參考文獻1 Nelson P; Kiriakidou M; Sharma A. The microRNA world: small is mightyJ.TRENDS IN BIOCHEMICAL SCIENCE

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