miRNA的作用機制及功能研究進展參考模板

1、1 / 16中國科學 C輯:生命科學 2009年 第39卷 第1期: 109 113 109 中國科學雜志社 SCIENCE IN CHINA PRESS MicroRNA作用機制研究的新進展 趙爽 劉默芳 中國科學院上海生命科學研究院 生物化學與細胞生物學研究所 分子生物學國家重點實驗室 上海 200031 聯(lián)系人 E-mail: 收稿日期: 2008-09-04 接受日期: 2008-11-28 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃批準號: 2005CB724603和國家自然科學基金批準號: 30770474資助項目 摘要 microRNAmiRNA是一種非蛋白質(zhì)的新型基因表達調(diào)控因子 對真

2、核生物基因表達起非常重要的調(diào)控作用. 關(guān)于miRNA的功能及作用機制方面的研究是當前生命科學研究的前沿熱點 研究人員陸續(xù)提出了一些假說模型 諸如翻譯起始抑制、翻譯起始后抑制、mRNA降解、P小體Processing Body SGStress Granules顆粒扣押靶mRNA等來闡述miRNA 如何抑制其靶基因的表達. 此外 最近還有文獻報道了一些全新的miRNA作用方式 如去抑制和miRNA 激活作用等. 本文將簡要介紹一些miRNA作用機制研究的新進展及相關(guān)作用模型. 關(guān)鍵詞 miRNA 負調(diào)控 去抑制 正調(diào)控 P小體 SG顆粒 準確的基因表達調(diào)控對生物體的生長發(fā)育和功能至關(guān)重

3、要 基因表達調(diào)控異常是疾病發(fā)生的主要原因. 在過去的數(shù)十年間 對基因表達調(diào)控的研究主要集中在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的基因表達調(diào)控方面. 研究發(fā)現(xiàn) 它們通過激活或抑制基因轉(zhuǎn)錄控制基因的表達 在基因組信息轉(zhuǎn)化為分子效應(yīng)和生物效 應(yīng)過程中發(fā)揮著重要的作用. 最近 在動、植物及病毒等生物中發(fā)現(xiàn)了一系列小分子非編碼RNA small noncoding RNA 包括miRNAmicroRNA siRNA small interfering RNA piRNApiwi-interacting RNA和esiRNA endogenous siRNA等 它們分別在轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平及表觀遺傳水平等方面

4、控制基因的表達 組成了RNA 調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 調(diào)控包括細胞增殖、分化和凋亡等一系列生理進程 影響生物體的生長發(fā)育 并與多種人類疾病的發(fā)生密切相關(guān)1. 這些小分子RNA的發(fā)現(xiàn) 揭示了真核生物一種新的基因表達調(diào)控方式. miRNA是小分子非編碼RNA家族的重要成員. miRNA與siRNA共用生成途徑和作用途徑中多種蛋白質(zhì)因子. 但二者也有一些明顯的區(qū)別 如siRNA主 要是由外源提供的小分子RNA 通過引發(fā)靶mRNA的切割負調(diào)控靶基因的表達 而miRNA是基因組編碼的內(nèi)源性小分子RNA 通常在翻譯水平負調(diào)控靶 mRNA的表達. miRNA基因由RNA聚合酶或/和 轉(zhuǎn)錄23. 動物miRNA加工成熟一般

5、需要兩個RNase 家族酶Drosha和Dicer參與. 最近發(fā)現(xiàn)AgoAr- gonaute蛋白在miRNA加工成熟中也發(fā)揮作用4. miRNA調(diào)控是通過RNA誘導(dǎo)基因沉默復(fù)合物RNA- induced silencing complex RISC完成的 復(fù)合物的核心成員是Ago 家族蛋白 還有一些功能未知、非RISC核酸酶活性必需的蛋白成分 如FXRP RNA 解旋酶等 也存在于復(fù)合物中56. 通常認為 miRNA與Ago1結(jié)合 組成miRNA效應(yīng)器復(fù)合物miRNA- RISC miRISC 執(zhí)行靶mRNA翻譯抑制 而siRNA與Ago2結(jié)合 組成siRISC 執(zhí)行靶mRNA降解7. 最近

6、有人對這種miRNA/siRNA分選模型進行了校正 認為miRNA/siRNA都可以被Ago1或Ago2結(jié)合89 這為miRNA介導(dǎo)切割提供了可行性. 過去認為Dicer生產(chǎn)的miRNA: miRNA雙鏈 miRNA作為向?qū)ф湵唤M裝入miRISC 互補鏈miRNA則被迅速降解. 但最 趙爽等: MicroRNA作用機制研究的新進展 110 近研究發(fā)現(xiàn) 雖然miRNA種類不如對應(yīng)的miRNA豐富 但它們常常以適當?shù)纳硭酱嬖?并同樣可以被Ago蛋白結(jié)合10. miRNA主要是通過5端被稱為種子序列Seed Sequence的7 nt序列與位于靶mRNA 3UTR的miRNA調(diào)控元件m

7、iRNA Regulatory Element MRE相互作用 識別靶mRNA11. 一些靶mRNA 的其他特征 如MRE附近富含AU序列、靶mRNA與miRNA的1316位堿基配對、MRE距離終止密碼子15 nt以外、不位于長3UTR的中間、鄰近共表達miRNA的識別位點等 可增加miRNA的作用效率12. miRNA與靶mRNA之間的配對程度決定了miRISC抑制靶mRNA的方式: 高度配對的miRNA 如大部分植物miRNA 將通過類似于siRNA的作用機制 導(dǎo)致靶mRNA切割和降解 相反 在動物中大部分miRNA與靶mRNA不完全配對 則可能是通過翻譯抑制發(fā)揮作用. 在過去的幾年間&#

8、160;研究者陸續(xù)提出了一些不同的、甚至互相矛盾的假說模型 來解釋miRNA如何抑制其靶基因表達. 但對miRNA準確的作用機制 目前還沒有統(tǒng)一的觀點. 本文將簡述miRNA 作用機制研究的新進展及miRNA的一些新功能. 1 miRNA翻譯起始抑制機制 關(guān)于miRNA翻譯起始抑制機制目前主要有3種觀點: 第一種觀點認為miRNA可能通過抑制全能性核糖體的組裝而阻斷翻譯起始13. 因為研究發(fā)現(xiàn)被miRNA沉默的mRNA沒有或鮮有偶聯(lián)完整的核糖體 部分研究者認為miRNA可能通過抑制全能性核糖體的組裝而阻斷翻譯起始13. 這種觀點被至少兩個新近的證據(jù)支持: Thermann等人14在一個體外研究

9、中發(fā)現(xiàn) 果蠅的miR-2抑制全能性核糖體的前體-48S翻譯復(fù)合物的組裝 該復(fù)合物添加60S亞基后即形成全能性核糖體 Chendrimada等人15發(fā)現(xiàn) EIF6是一種可以抑制核糖體40S和60S亞基結(jié)合、阻斷80S全 能性核糖體形成的蛋白 與Ago/RISC直接相互作用 并且在哺乳動物和線蟲中 缺失EIF6影響miRNA介導(dǎo)基因沉默. 然而 RISC是否通過與EIF6相互作用誘導(dǎo)40S和60S核糖體解聚還有待于進一步的研究. 第二種觀點根據(jù)miRNA 抑制要求靶mRNA m7G 帽子的存在 認為miRISC 可能抑制翻譯起始復(fù)合物的形成1316. 這個假說最近也找到了一些新證據(jù): 研

10、究者在一個體外系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn) 增加eIF4F復(fù)合物含有m7G 帽子結(jié)合蛋白、翻譯起始因子eIF4E水平可回復(fù)miRNA翻譯抑制17 與之一致的是 另一個研究組18發(fā)現(xiàn) Ago2中間結(jié)構(gòu)域類似于eIF4E 具有結(jié)合m7G 帽子的活性 推測經(jīng)miRNA招募到靶mRNA 3UTR的Ago2 與起始復(fù)合物eIF4E/G競爭結(jié)合m7G帽子 從而抑制翻譯起始復(fù)合物的形成. 此外 miRNA還可能通過阻止polyA結(jié)合蛋白poly A binding protein PABP 與mRNA結(jié)合影響翻譯起始. Wakiyama等人19發(fā)現(xiàn) miRNA引起靶mRNA脫腺嘌呤反應(yīng)deadenylation 導(dǎo)致 mRN

11、A的polyA尾巴縮短 但mRNA的穩(wěn)定性似乎并不受影響 只是polyA 尾巴縮短使PABP結(jié)合mRNA受阻 從而影響了翻譯起始. 2 miRNA翻譯起始后抑制 雖然上述證據(jù)支持miRNA抑制翻譯起始 但也有研究發(fā)現(xiàn) 一些被miRNA抑制的mRNA與翻譯活躍性的多核糖體偶聯(lián) 說明有一些miRNA的抑制作用不是發(fā)生在翻譯起始2021. 此外 Petersen等人22發(fā)現(xiàn) 經(jīng)內(nèi)部核糖體進入位點Internal Ribosome En-try Site IRES起始、不依賴于mRNA m7G帽子的翻譯也可以被miRNA抑制 這進一步證明miRNA抑制是發(fā)生在翻譯起始之后. 雖然這些研究證明了miRN

12、A沉默作用確實是發(fā)生在翻譯起始后、新生多肽完成前 但關(guān)于miRNA究竟如何在翻譯起始后發(fā)揮抑制作用 目前還沒有一致的結(jié)論. 研究者推測 miRNA可能引起新生多肽鏈的翻譯同步降解21 或者是在翻譯延伸過程中 miRNA引發(fā)大量的核糖體脫落及高頻次的翻譯提前終止 產(chǎn)生的不完整多肽產(chǎn)物則被迅速降解22. 3 miRNA介導(dǎo)mRNA衰減 Wu等人23首先發(fā)現(xiàn) miRNA可以誘導(dǎo)與之不完全配對靶mRNA的衰減 下調(diào)靶mRNA的水平. 這種miRNA誘導(dǎo)mRNA衰減的作用機制被隨后的證據(jù)所支持24 如在斑馬魚的早期胚胎發(fā)育中 miR-430控制母本mRNA的代謝 表明miRNA介導(dǎo)的mRNA衰

13、減機制具有生理學意義25. 與之一致的是 Ago蛋白被發(fā)現(xiàn)定位于細胞中降解mRNA的RNA顆粒RNA 中國科學 C輯: 生命科學 2009年 第39卷 第1期 111 granules 如P小體processing bodies中 這些RNA顆粒中包含常規(guī)的mRNA降解酶 如脫腺嘌呤酶、脫帽酶、核酸外切酶等 提示這些mRNA降解酶可能參與miRNA介導(dǎo)的mRNA衰減2627. 此外 miRISC的核心成分Ago家族蛋白有多種異構(gòu)體 其中一些成員的內(nèi)切酶活性也可能協(xié)助miRNA介導(dǎo)的mRNA的切割和/或衰減2428. 總之 這些證據(jù)都表明 miRNA可以直接或間接介導(dǎo)靶mRNA的降解 這改變了最

14、初認為的miRNA調(diào)控僅翻譯抑制作用的觀點. 4 RNA顆粒扣押、降解或儲存靶mRNA 胞漿的RNA 顆粒 如P小體和SGStress Gran-ules顆粒 在轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達調(diào)控中具有重要的作用 它們是細胞儲存處于翻譯抑制狀態(tài)mRNA 的場所. 在此 mRNA被降解或/和釋放重新進入翻譯機器29. P小體含有多種mRNA衰減機器的組分 被認為是細胞的mRNA代謝場所 SG 顆粒特異性地在受脅迫條件下形成 因此被命名為脅迫顆粒Stress Granule. 從組成成分看來 SG顆粒更傾向于沉默mRNA翻譯 而不降解mRNA. P小體和SG顆粒常常彼此并列 動態(tài)關(guān)聯(lián) 二者含有一些相同的組分

15、 如帽子結(jié)合蛋白eIF4E 和翻譯抑制子rck/p54 但它們的成分并不完全相同 暗示可能有功能差別. 因為發(fā)現(xiàn)它們與miRNA作用相關(guān)聯(lián) 可能是miRNA的胞內(nèi)作用場所 這兩種RNA顆粒最近受到特別關(guān)注. 一些證據(jù)表明 在miRNA存在下 miRISC中的核心組分及與miRISC結(jié)合的mRNA定位于P小體和SG顆粒中262730. 而且 有證據(jù)表明 P小體的形成與RNA 沉默相關(guān)聯(lián) 抑制P小體的形成將抑制miRNA介導(dǎo)的翻譯抑制 反過來 抑制RISC也同樣抑制P小體的形成 更值得注意的是 一些研究證明 siRNA/miRNA都可以在哺乳動物細胞和果蠅細胞中誘導(dǎo)P小體的形成31. 鑒于P小體和

16、SG顆粒的內(nèi)在聯(lián)系 可以推測P小體和SG顆粒可能執(zhí)行相互聯(lián)系但又不同的功能. 推測被miRISC結(jié)合的mRNA進入P小體和SG顆粒中 即被這些RNA顆粒中的翻譯抑制子剝奪了與核糖體和翻譯機器結(jié)合的可能性 從而使mRNA處于翻譯抑制狀態(tài) 達到了基因沉默的目的. 但是 扣押的mRNA下一步命運如何盡管不少的證據(jù)支持miRNA介導(dǎo)靶mRNA的衰減 但也發(fā)現(xiàn) 在很多情況下 miRNA僅降低了靶基因的蛋白水平 靶基因的mRNA水平卻無明顯變化. 這使得我們有理由推測 在靶mRNA被扣押到RNA顆粒解除翻譯后 可能隨即會進行一個mRNA 衰減或儲存的分揀步驟. P小體和SG顆粒極有可能分工執(zhí)行mRNA降解

17、和儲存功能. 在某些脅迫條件下 miRISC結(jié)合的mRNA是否有可能首先被送到SG 顆粒 被抑制翻譯和臨時儲存 然后在細胞估算mRNA確實已過量后再轉(zhuǎn)運到富含mRNA代謝酶的P小體中進行降解事實上 在miRNA存在下 Ago蛋白與SG顆粒呈動態(tài)聯(lián)系 SG顆粒中的酶發(fā)揮翻譯沉默而不是mRNA衰減的作 用30. 還有研究發(fā)現(xiàn) 一些誘導(dǎo)SG顆粒形成的脅迫作用確實減少了P小體的形成和mRNA衰減32. 但目前還不清楚miRISC偶聯(lián)mRNA在脅迫條件下聚積到SG顆粒中的生理作用是什么. 5 miRNA正調(diào)控和去抑制 最近的研究發(fā)現(xiàn)了一些新型的miRNA作用方 式 如miRNA正調(diào)控和去抑制等. 首先

18、Vasudevan實驗室336535發(fā)現(xiàn) miRNA不總是基因表達的負調(diào)控因子 在一些條件下 miRNA也上調(diào)基因表達. 他們發(fā)現(xiàn) 在細胞周期過程中 miRNA效應(yīng)在抑制作用和活化作用間擺動. 在靜態(tài)細胞中G0期 miRNA活化翻譯和上調(diào)基因表達 而在其他細胞循環(huán)/增殖期則繼續(xù)發(fā)揮抑制作用35. miRNA激活作用與富含腺嘌呤/尿嘧啶元件AU rich element ARE相關(guān)33. ARE是miRNA活化翻譯的信號 在miRNA指導(dǎo)下 miRISC復(fù)合物成員如Ago FXRP被招募到ARE上 激活翻譯、上調(diào)基因表達34. ARE元件是一種mRNA不穩(wěn)定元件 位于mRNA 3UTR 嚴重影響

19、其宿主mRNA的穩(wěn)定性. 研究已發(fā)現(xiàn)ARE元件介導(dǎo)的mRNA 衰減調(diào)控與miRNA介導(dǎo)的mRNA衰減調(diào)控有多種聯(lián)系36. 另外 最近研究發(fā)現(xiàn) 在一些條件下 miR-10a也正調(diào)控基因表達. miR-10a結(jié)合到核糖體蛋白mRNA 5UTR 促進其翻譯 提高核糖體蛋白合成 從而刺激核糖體生成 進而正調(diào)控總蛋白質(zhì)的合成37. 研究發(fā)現(xiàn) miRNA的抑制作用是可逆的 一些RNA 結(jié)合蛋白可能在這一過程中發(fā)揮重要作用38. 在人體細胞中觀察到 脅迫條件下 被miRNA 抑制 趙爽等: MicroRNA作用機制研究的新進展 112 的mRNA可以去抑制 重新進入翻譯機器 H

20、uR 一個ARE元件結(jié)合蛋白 可能通過促進miRISC-靶mRNA復(fù)合體解離和P小體解聚 去除miRNA的抑制作用39. 另一個RNA結(jié)合蛋白Dnd1 在生殖系細胞中與miRNA緊密聯(lián)系 它可能通過結(jié)合在mRNA的U豐富區(qū)U-rich mRNA region 屏蔽miRNA的結(jié)合位點 阻止miRNA接近靶mRNA 解除miR-430家族的抑制效應(yīng)40. 最近 Sandberg等人41還報道了一種逃避miRNA抑制的新方式. 他們發(fā)現(xiàn) 一些在增殖細胞中表達的mRNA 3UTR保守性地縮短 導(dǎo)致miRNA的靶位點減少 從而避免了miRNA的負調(diào)控作用. 本實驗室對miR-155與它的一個靶基因在部

21、分乳腺癌中同時高表達的原因進行了調(diào)查 發(fā)現(xiàn)在一個乳腺癌樣本中 該mRNA與miR-155種子序列配對的第8位A可能通過RNA編輯被轉(zhuǎn)變成I/G 導(dǎo)致該靶基因不再受miR-155的抑制 提示RNA編輯也可能在miRNA的去抑制中發(fā)揮作用未發(fā)表資料. 總之 這些新的miRNA調(diào)控方式 改變了我們過去將miRNA等同于基因表達負調(diào)控因子的觀點 提示miRNA的調(diào)控作用具有多樣性 可能被動態(tài)調(diào) 節(jié). 這些新的miRNA作用方式擴大和加深了我們對miRNA調(diào)控作用的認識和理解. 6 小結(jié)和展望 眾多的證據(jù)表明 在不同條件下 miRNA確實以 不同的作用機制抑制靶基因表達. 然而 目前還不知道m(xù)iRNA究

22、竟是如何選擇沉默的機制或通路的 這可能由特定的miRNA和靶基因 或特定的組織和細胞來決定的 也可能受控于不同的信號通路. 同樣 還有以下問題需要回答: miRISC中其他成分和輔助因子的作用是什么 miRISC結(jié)合的靶mRNA是如何分選為衰減和儲存的 在脅迫條件下 miRISC結(jié)合的靶mRNA聚積到SG顆粒中的生理作用是什么 胞漿中的RNA顆粒是如何形成的 細胞中有多少種與miRNA沉默作用相關(guān)的RNA顆粒 這些顆粒的組成成分是什么 這些問題的答案將使我們更全面、更準確地了解miRNA的作用機制. 對新型小分子非編碼RNA的發(fā)現(xiàn)及機制的研究將是非編碼RNA研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向. 目前 我們

23、對miRNA的調(diào)控作用已有一定的認識 但對其他幾種內(nèi)源小分子非編碼RNA 如piRNA esiRNA等的功能和作用機制還知之甚少. 在過去的一年多 本研究組致力于piwi-piRNA相互作用的研究 初步的研究結(jié)果表明 piRNA可能通過調(diào)控組蛋白乙?；揎椩诒碛^遺傳學水平調(diào)控基因表達 同時可能參與細胞周期的調(diào)控未發(fā)表資料. 非編碼RNA是后基因組時代重要的科學問題 闡明小分子非編碼RNA的功能和作用機制將有助于我們深入了解基因組的表達調(diào)控. 參考文獻 1 Guarnieri D J Dileone R J. MicroRNAs: a new class of gene regulat

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