微小RNA的發(fā)現(xiàn)及其作用

微小RNA的發(fā)現(xiàn)及其作用微小RNA(microRNA,miRNA)是一類擁有基因調(diào)節(jié)功能的RNA,它們僅由20幾個核苷酸構(gòu)成，通過與靶基因特定互補序列的結(jié)合而影響其表達。miRNA最早于1993年由Ambros在研究線蟲發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn),但未引起科學(xué)界的注意，直到2001年才掀起研究熱潮。miRNA是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域研究的一個熱點，已在多個物種中發(fā)現(xiàn)其存在，并參與了多種生理過程,同時也與疾病發(fā)生密切相關(guān)，有可能在臨床疾病診斷和治療中發(fā)揮巨大應(yīng)用。1993年，Ambros等在秀麗新小桿線蟲(Caenorhabditiselegan)中發(fā)現(xiàn)了第一個miR-NA lin-4,早期實驗發(fā)現(xiàn)lin-4突變導(dǎo)致功能喪失與突變而獲得功能的編碼蛋白基因lin-14引起的效應(yīng)幾乎一樣，都能致蠕蟲的發(fā)育時序的紊亂。在lin-14位點上，長約22nt的lin-4能通過多重RNA-RNA相互作用即miRNA與其靶基因RNA3'端非編碼區(qū)結(jié)合來調(diào)控比它大許多的lin-14mRNA表達,并預(yù)測miRNA是一種能階段性調(diào)控胚胎發(fā)育的基因。之后,Reinhart等同樣又在線蟲C.ele-gan中發(fā)現(xiàn)了第二個調(diào)控時序性發(fā)育的基因let-7。它們的長度很短(約22nt)而且作用時間也是短暫的，所以最初叫做瞬時RNA,后來發(fā)現(xiàn)了大量類似的RNA,2001年起便統(tǒng)一稱為miRNAs。人類基因組可能含有1000種左右miRNAs,其中小部分不是人類中特有的，但是對人類保持其特異性發(fā)揮了很大作用，目前研究發(fā)現(xiàn)了小RNA基因組中有53種miRNA為靈長類所特有，因為miRNA非常小，所以它們能由大約21nt長的序列復(fù)制和突變成新的miRNA基因從而迅速發(fā)揮效應(yīng)。microRNAs的作用機制根據(jù)與靶基因互補程度的不同，將miRNAs作用機制分為兩種:靶mRNA切割和翻譯抑制°miRNAs同蛋白編碼mRNA完全或幾乎完全互補時,通過RNA介導(dǎo)的干擾途徑(RNAi),即miRNAs相關(guān)的核糖核苷酸和miRNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA-inducedsilencingcomplex,miRISC)聯(lián)合作用，降解靶mRNA,這種miRNA介導(dǎo)的基因沉默機制通常在植物中存在，但在哺乳動物中也有發(fā)現(xiàn);大多數(shù)動物體內(nèi),miRNAs并不直接降解靶mRNA，而是與其3'端非翻譯區(qū)(3'-UTR)不完全互補，同樣通過RISC或RNA干擾途徑明顯抑制轉(zhuǎn)錄后翻譯水平的基因表達°miRNAs運用此機制亦能降低相應(yīng)靶基因的蛋白表達水平，但不影響mRNA本身。近來發(fā)現(xiàn)miRNAs同其靶基因僅僅部分互補結(jié)合也能誘導(dǎo)mRNA降解，但是翻譯抑制是否先于這些靶基因失穩(wěn)仍未清楚。microRNA的生物功能到目前為止，約有200多種miRNAs已經(jīng)被鑒定出來，它們分別存在于不同的物種中,而運用電子計算機手段初步估計人類基因組中編碼miRNAs的基因總數(shù)在200~250之間，線蟲中約123個。2004年，中山大學(xué)的WangJF等人從水稻(Oryzasativa)中又鑒定出20種miRNAs,然而，目前只有為數(shù)極少的miRNAs功能被初步闡明,絕大部分miRNA的功能(特別是在哺乳動物中)還不清楚。miRNAs在生物的整個發(fā)育過程中可能有以下重要的功能。調(diào)節(jié)細(xì)胞早期的發(fā)育研究發(fā)現(xiàn):在基因carpelfactory(car)發(fā)生突變的植物中，有3種miRNAs加工水平降低，基因car的產(chǎn)物CARPELFACTORY是一種類似DICER性質(zhì)的酶,它參與植物正常發(fā)育，當(dāng)car突變后，植物胚芽和葉的發(fā)育出現(xiàn)缺陷。表明這些缺陷是由于miRNAs加工降低的結(jié)果,miRNAs在植物細(xì)胞發(fā)育過程中起了重要作用?？刂浦参锶~片的形態(tài)建成植物中特定miRNA的改變帶來了葉子多向性發(fā)育的缺陷。JAW座位產(chǎn)生一個miRNA,它能夠引導(dǎo)TCPmRNA剪切,從而控制著葉片的正常發(fā)育。而由miRNA引導(dǎo)的TCP4mRNA的剪切是防止TCP基因異常表達的必要條件。并且已在許多植物中發(fā)現(xiàn)了miRNA靶序列的TCP基因,這表明，在形態(tài)各異的葉片形態(tài)建成過程中miRNA調(diào)控是比較保守的。參與細(xì)胞分化和組織發(fā)育一些編碼miRNA基因，例如lin-4,let-7,mirT4,mir-23和bantam已被證實在細(xì)胞分化和組織發(fā)育中起重要作用.其它的miRNA由于具有特異的時空表達的特點，被認(rèn)為具有相似的重要性。Bartel等［9］首次闡述了哺乳動物中miRNA的功能:利用逆轉(zhuǎn)錄病毒作載體使miR-181在鼠科動物的造血祖細(xì)胞中異常地表達，然后用不同的條件處理這些細(xì)胞，分析B淋巴細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)B淋巴細(xì)胞量加倍，而T淋巴細(xì)胞不受影響。暗示miRNA可能在鼠類和人的細(xì)胞發(fā)育分化中起著關(guān)鍵的作用。雙側(cè)不對稱性是很多生物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的正常現(xiàn)象，然而對這種機制現(xiàn)在了解的還很少。Johnston和Hobert［10］發(fā)現(xiàn)在線蟲神經(jīng)細(xì)胞中有一種miRNA（此種miRNA的基因被稱為lsy-6）控制著左/右神經(jīng)細(xì)胞的不對稱基因表達（cog-1是1sy-6miRNA靶基因），這就有望為此種不對稱的基因表達機制的闡明提供了一種可能的途徑。調(diào)控基因的表達miRNA可以通過兩種機制中的一種調(diào)節(jié)靶基因的表達,一是結(jié)合到靶mRNA3,非翻譯區(qū)（3'UTRs）,抑制其翻譯;二是像小干擾RNAs（shortinterferingRNAs,siRNAs,由特殊的Dicer核酸內(nèi)切酶加工相對較長的雙鏈RNA前體而來的一類小的RNA）作用一樣結(jié)合到靶上并降解靶mRNA。miRNA的功能與siRNA相似，并且二者從前體加工過程中都依賴于相同的酶一Dicer的參與。在培養(yǎng)的293T細(xì)胞實驗中發(fā)現(xiàn)miRNA和siRNA可能通過相似的機制抑制mRNA的表達內(nèi)源性的miR-21通過與靶位完全互補誘導(dǎo)mRNAs剪切，這種特性一度被認(rèn)為是siRNA特性之一。相反，將合成的siRNA通過與靶位點錯配可以下調(diào)mRNAs表達，此屬性也曾一度被認(rèn)為是miRNAs特性之一。這些結(jié)果表明miRNA和siRNA可能利用相似的機制抑制mRNA的表達，而最終選擇哪種機制也許在很大程度上甚至完全取決于其與靶mRNA互補的程度。此外，內(nèi)源性的miRNAs還可以作為觸發(fā)RNAi的分子、參與細(xì)胞增殖和死亡、細(xì)胞調(diào)亡和脂肪代謝。miRNAs還可能與轉(zhuǎn)座的抑制、基因重排有關(guān)，可能參與轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達調(diào)控:調(diào)節(jié)染色質(zhì)的修飾、調(diào)整轉(zhuǎn)錄因子活性、影響mRNA的穩(wěn)定性、加工和翻譯等。因此，有人推測miRNA可能和高等真核生物中調(diào)節(jié)基因表達的轉(zhuǎn)錄因子一樣重要。微小RNA的展望以往,人們注意力主要集中于傳統(tǒng)的與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的三種RNA（mRNA、tRNA和rRNA）的研究，自從小RNA（主要包括microRNAs和siRNAs兩類）被發(fā)現(xiàn)之后，立即引起研究者的極大的關(guān)注，它和siRNA、RNAi（生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子mRNA水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過程,即轉(zhuǎn)錄后基因沉默一post-transcriptionalgenesilencinge，PTGS）共同成為目前關(guān)注的熱點之一。我國學(xué)者于1998年在世界上首次提出了以細(xì)胞內(nèi)所有以RNA為終產(chǎn)物的基因為研究對象的RNA組學(xué)一Rnomics。生物中，編碼有功能蛋白質(zhì)的基因只占整個基因組的極少部分，因此人們無法根據(jù)己知的功能來解釋基因組龐大的DNA含量,這就是所謂的C值矛盾(Cvalueparadox)omiRNA在植物中同樣存在，說明在真核生物進化的早期miRNA就已經(jīng)出現(xiàn)，而大量的非編碼序列經(jīng)過漫長的進化過程而被保留下來,必然有其存在的意義。隨著這類小RNA研究的深入,也許能夠給C值矛盾一個比較科學(xué)的解釋。由于我們目前主要采取的是克隆手段和生物信息學(xué)方法(目前還沒有RNA被直接測序)鑒定的200多種miRNA,這也許僅僅是龐大的小RNA世界的極小的一部分。是否在所