microRNA靶基因數(shù)據(jù)庫

第十六章MicroRNA與復(fù)雜疾病

CHAPTER16MICRORNAANDCOMPLEXDISEASE第一節(jié)引言Section1Introduction

microRNA簡稱miRNA，一類非編碼的小RNA分子（約22個(gè)核苷酸），通過和靶基因3’非翻譯區(qū)結(jié)合引導(dǎo)RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RNA-inducedsilencingcomplex，簡稱RISC）降解其靶mRNA或阻礙其靶的翻譯。隨著miRNA在復(fù)雜疾病中的研究深入，研究者發(fā)現(xiàn)在疾病的發(fā)生發(fā)展過程中起著巨大的作用，其功能異常能夠?qū)е赂鞣N人類復(fù)雜疾病的發(fā)生。這將使miRNA可能成為疾病診斷、預(yù)后的新的生物學(xué)標(biāo)記（biomark），并為更進(jìn)一步理解復(fù)雜疾病的發(fā)病機(jī)理提供了新的手段。第二節(jié)miRNA與靶基因

Section2miRNAsandTheirTargets一、miRNA生物起源（一）

miRNA的發(fā)現(xiàn)

miRNA首次發(fā)現(xiàn)于1993年，是在對(duì)秀麗新小桿線蟲發(fā)育過程的研究中發(fā)現(xiàn)的，命名為Lin-4，它通過與Lin-14的3’UTR相互作用，調(diào)節(jié)線蟲的發(fā)育。隨后，在線蟲、果蠅、Hela細(xì)胞、斑馬魚、人類、擬南芥和水稻等多種真核模式生物中找到了上百個(gè)類似的小分子RNA，并將其稱miRNA。（二）microRNA生物起源細(xì)胞miRNA

基因初始miRNAmiRNA前體轉(zhuǎn)錄細(xì)胞核剪切轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Dicer酶剪切成熟miRNA和miRNA*

RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物成熟miRNAmiRNA*降解細(xì)胞質(zhì)miRNA種子區(qū)與靶mRNA完全互補(bǔ)則降解靶mRMA3’端miRNA種子區(qū)與靶mRNA不完全互補(bǔ)則抑制翻譯（三）miRNA的特點(diǎn)序列特點(diǎn)miRNA本身不具有開放閱讀框ORF，不編碼蛋白質(zhì)成熟的miRNA5’

端由單一磷酸基團(tuán)，3’端為羥基表達(dá)特點(diǎn)miRNA具有時(shí)序性以及組織特異性在特定的時(shí)間，組織中才會(huì)表達(dá)調(diào)控特點(diǎn)miRNA與其靶基因間是多對(duì)多的關(guān)系一個(gè)miRNA可能調(diào)控多個(gè)靶基因一個(gè)基因也可能受多個(gè)miRNA調(diào)控物理位置特點(diǎn)miRNA傾向于成簇出現(xiàn)在染色體上通常定義50kb的距離為一簇保守型特點(diǎn)在物種間高度miRNA的作用機(jī)制抑制或降解取決于miRNA與靶mRNA種子區(qū)域的互補(bǔ)程度種子區(qū)域通常指miRNA5’

端第二位到第八位的核苷酸序列兩者完全互補(bǔ)降解兩者不完全互補(bǔ)抑制翻譯

二、基于序列的miRNA靶基因預(yù)測方法miRNA靶基因預(yù)測遵循的基本原則

miRanda

TargetScan

RNAhybrid

TargetBoost和miTarget

其它方法

（一）miRNA靶點(diǎn)類型

miRNA

的靶點(diǎn)通常分為兩類：

5‘

端主導(dǎo)型（5’-dominant）3'端補(bǔ)充型（3'-compensatory）5‘端主導(dǎo)型又分為5’端主導(dǎo)的“標(biāo)準(zhǔn)型”（canonical）和“種子型”（seed）（二）miRNA靶基因預(yù)測遵循的原則和基本步驟

miRNA的“種子區(qū)”與mRNA的3′UTR序列堿基互補(bǔ)靶點(diǎn)在多物種間的序列保守性miRNA與mRNA形成雙鏈結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性靶基因二級(jí)結(jié)構(gòu)和靶點(diǎn)外的序列對(duì)靶基因預(yù)測的影響遵循的原則基本步驟在3′UTR上探尋和miRNA“種子區(qū)”完全互補(bǔ)的序列；計(jì)算miRNA和這些序列結(jié)合產(chǎn)生的自由能下降值，對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行篩選；對(duì)靶點(diǎn)進(jìn)行物種間序列比對(duì)，利用物種保守性進(jìn)一步篩選。

（三）miRanda

第一個(gè)利用生物信息學(xué)方法開發(fā)的基于序列的miRNA靶基因預(yù)測算法/research/sander/data/miRNA2003/miranda_new.htmlmiRanda算法的基本步驟對(duì)miRNA和mRNA的3′UTR序列進(jìn)行堿基互補(bǔ)分析，堿基互補(bǔ)遵循4個(gè)規(guī)則；miRanda采用一種類似于Smith-Waterman的算法來構(gòu)建打分矩陣；miRNA與靶基因形成二聚體的熱力學(xué)穩(wěn)定性方面,miRanda利用Vienna軟件包中的RNAlib

計(jì)算miRNA與mRNA3′UTR結(jié)合的自由能；miRanda要求靶點(diǎn)在多物種間保守，即靶點(diǎn)在多物種3′UTR序列比對(duì)中相同位置具有相同的堿基。（四）TargetScanTargetScan主要考慮物種間保守的miRNA靶基因，并且在TargetScan中首次提出了“種子匹配”（seedmatch）的概念。http:///TargetScan算法的基本步驟在TargetScan算法中，“種子匹配”被定義為miRNA5′端的第2-8位堿基與mRNA3′UTR上的一段7nt（nucleotide）序列完全互補(bǔ)，miRNA上的這7個(gè)核苷酸被稱為miRNA“種子區(qū)”。從種子區(qū)開始向miRNA兩側(cè)尋找互補(bǔ)堿基，允許G-U配對(duì)，直到出現(xiàn)堿基錯(cuò)配為止。在物種保守方面，TargetScan算法發(fā)現(xiàn)隨著物種數(shù)目的增多,預(yù)測的靶基因數(shù)目逐漸減少,但預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確率得到提高。（五）RNAhybrid算法RNAhybrid考慮了靶基因結(jié)合自由能對(duì)預(yù)測結(jié)果的影響。該算法利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法尋找一條短鏈RNA（miRNA）和一條長鏈RNA（mRNA3′UTR)雜交時(shí)的最優(yōu)自由能鑒別miRNA的靶點(diǎn)。與其它的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件mfold、RNAfold等相比，RNAhybrid除了具有明顯的速度優(yōu)勢外，RNAhybrid算法還禁止miRNA

分子間和靶基因間雜交產(chǎn)生二聚體。RNAhybrid沒有考慮靶基因的物種間保守性，允許用戶自己定義自由能的閾值、P值，也允許用戶自己設(shè)置miRNA“種子區(qū)”的位置和長度以及是否允許出現(xiàn)G-U錯(cuò)配等。

（六）機(jī)器學(xué)習(xí)方法通過在少量實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miRNA靶基因集合內(nèi)提取miRNA與靶基因的結(jié)合特征，并利用這些特征訓(xùn)練分類器來預(yù)測miRNA的靶基因。如TargetBoost和miTarget等miRNA靶基因預(yù)測算法都是基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法開發(fā)的，這些算法從實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miRNA靶基因集出發(fā)，評(píng)估m(xù)iRNA與靶基因結(jié)合的序列特征、二聚體結(jié)構(gòu)特征和熱力學(xué)特征等參數(shù)，最后對(duì)預(yù)測的靶基因進(jìn)行打分。（七）二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響在miRNA與靶基因結(jié)合的過程中,mRNA的3′UTR二級(jí)結(jié)構(gòu)起著重要作用。miRNA靶點(diǎn)幾乎都落入3′UTR的二級(jí)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，通過計(jì)算mRNA的3′UTR二級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞、形成或破壞堿基互補(bǔ)配對(duì)、形成miRNA-mRNA二聚體時(shí)獲得或損失的自由能，可以鑒別miRNA靶基因；通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高靶點(diǎn)附近序列二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大大降低了miRNA對(duì)靶基因的作用。（八）靶點(diǎn)周圍序列的影響靶點(diǎn)外的序列也對(duì)miRNA調(diào)節(jié)靶基因起到重要作用。靶點(diǎn)后的一段序列對(duì)miRNA與靶基因的識(shí)別起著重要的作用，對(duì)該段序列突變后miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控作用明顯減弱，而將該段序列完全刪除后miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控作用完全消失。在miRNA調(diào)控靶基因的過程中,靶點(diǎn)外的其他序列甚至整個(gè)3′UTR序列都起到了關(guān)鍵作用，這些序列可能是RNA結(jié)合蛋白的作用位點(diǎn)。三、基于表達(dá)信息或?qū)嶒?yàn)結(jié)果預(yù)測miRNA靶基因

研究人員認(rèn)為miRNA結(jié)合在mRNA的3′UTR上抑制mRNA翻譯成蛋白質(zhì)，降低蛋白質(zhì)豐度，并不會(huì)影響到相應(yīng)mRNA的表達(dá)水平?，F(xiàn)在已經(jīng)明確認(rèn)為：在許多情況下，miRNA還能直接對(duì)mRNA的表達(dá)產(chǎn)生影響?？蒲腥藛T已經(jīng)開發(fā)了整合表達(dá)信息的miRNA靶基因預(yù)測算法，并證明了表達(dá)信息在miRNA靶基因預(yù)測上的重要價(jià)值。Huang等人利用在88個(gè)組織中同時(shí)檢測了miRNA和mRNA表達(dá)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合貝葉斯方法開發(fā)了靶基因預(yù)測算法GenMiR++，得到了104個(gè)人類miRNA的高精度靶基因，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了預(yù)測的let-7b靶基因，結(jié)果表明，與基于序列的方法相比，利用相同樣本中同時(shí)檢測miRNA和mRNA的表達(dá)譜可以更準(zhǔn)確的預(yù)測miRNA靶基因。（Huang,UsingexpressionprofilingdatatoidentifyhumanmicroRNAtargets.Nat.Methods.）人民衛(wèi)生出版社8年制及7年制臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)用《生物信息學(xué)》Gennarino等人通過研究miRNA宿主基因（hostgene）的表達(dá)情況，開發(fā)了miRNA靶基因預(yù)測算法HOCTAR。HOCTAR是第一個(gè)利用miRNA宿主基因表達(dá)與mRNA表達(dá)信息進(jìn)行miRNA靶基因預(yù)測的算法，它基于兩者表達(dá)的逆相關(guān)（inverselycorrelated）特征對(duì)預(yù)測的miRNA靶基因進(jìn)行篩選。通過對(duì)178個(gè)人類miRNA的宿主基因分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)測準(zhǔn)確性優(yōu)于現(xiàn)存的基于序列的預(yù)測方法，HOCTAR減少了基于序列算法預(yù)測的靶基因數(shù)量。（V.A.Gennarino,MicroRNAtargetpredictionbyexpressionanalysisofhostgenes.GenomeRes.）人民衛(wèi)生出版社8年制及7年制臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)用《生物信息學(xué)》Bandyopadhyay等人利用miRNA的表達(dá)譜和mRNA表達(dá)譜構(gòu)建一組陰性樣本集，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法開發(fā)了miRNA靶基因預(yù)測算法TargetMiner。由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miRNA靶基因陰性數(shù)據(jù)較少，用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測miRNA靶基因常具有較高的假陽性率，作者從miRNA和mRNA的表達(dá)譜中得到了300多個(gè)組織特異的陰性樣本，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miRNA靶基因數(shù)據(jù)，利用支持向量機(jī)（SVM）方法開發(fā)了新的miRNA靶基因算法。

(SanghamitraBandyopadhyay,TargetMiner:microRNAtargetpredictionwithsystematicidentificationoftissue-specificnegativeexamples.Bioinformatics.)四、其它方法：整合已有知識(shí)預(yù)測miRNA靶基因

在當(dāng)前的miRNA靶基因預(yù)測研究中，研究人員逐漸意識(shí)到單一依靠序列信息或表達(dá)信息已不能繼續(xù)提高miRNA靶基因預(yù)測效能。整合功能信息、蛋白質(zhì)互作信息、表達(dá)信息、序列信息以及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miRNA靶基因等已有資源預(yù)測miRNA靶基因十分必要。高通量的實(shí)驗(yàn)方法預(yù)測miRNA靶基因也在不斷的發(fā)展中，這些研究將對(duì)最終揭示miRNA功能和參與的生物學(xué)過程、找出miRNA誘導(dǎo)的疾病發(fā)生機(jī)制、以及最終將miRNA用于治療癌癥等相關(guān)疾病具有重要意義。五、miRNA數(shù)據(jù)資源：靶基因與表達(dá)（一）TarBase數(shù)據(jù)庫

TarBase數(shù)據(jù)庫目前使用廣泛的存儲(chǔ)真實(shí)miRNA與靶基因間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址：http://diana.cslab.ece.ntua.gr/tarbase/數(shù)據(jù)庫以Excel文件形式存儲(chǔ)，可供用戶下載本地化使用。microRNA靶基因數(shù)據(jù)庫-TarBase（二）miRBase數(shù)據(jù)庫miRBase集miRNA序列，注釋信息以及預(yù)測的靶基因數(shù)據(jù)為一體的數(shù)據(jù)庫，是目前存儲(chǔ)miRNA信息最主要的公共數(shù)據(jù)庫之一網(wǎng)址：http://www.ebi.ac.uk/enright-srv/microcosm/htdocs/targets/v5/主要采用miRanda算法預(yù)測靶基因microRNA靶基因數(shù)據(jù)庫-miRBase（三）miRGen數(shù)據(jù)庫miRGen整合了miRNA靶基因數(shù)據(jù)（Targets庫），基因組注釋信息（Genomics庫）以及位置關(guān)系（Clusters庫）的綜合數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址：/miRGen/v3/miRGen.html靶基因庫中，采用四種常用的靶基因預(yù)測算法DIANA-microT，miRanda，PicTar，TargetScanS對(duì)miRNA的靶基因進(jìn)行預(yù)測microRNA靶基因數(shù)據(jù)庫-miRNAMap

miRNAMap數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)miRNA及其靶基因信息包括四種類型的哺乳動(dòng)物人類，小鼠，大鼠和犬網(wǎng)址：http://.tw/index.php（四）RNA22數(shù)據(jù)庫RNA22數(shù)據(jù)庫主要為了算法RNA22而建立該算法不要求與物種間的保守性提出miRNA靶位點(diǎn)可能存在于5’UTR已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)與多數(shù)忽略或僅考慮少量miRNA5’UTR影響的算法相比具有其特定的生物學(xué)意義。網(wǎng)址：/rna22.html（五）microRNA.org數(shù)據(jù)庫microRNA.org數(shù)據(jù)庫包含miRNA靶基因以及表達(dá)譜數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http:///microrna/home.domiRNA靶基因數(shù)據(jù)主要是利用miRanda算法預(yù)測得來miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)來自一個(gè)針對(duì)人類主要器官和細(xì)胞系的小RNA庫測序計(jì)劃microRNA綜合數(shù)據(jù)庫-microRNA.org查詢功能已知miRNA尋找其調(diào)控的靶基因選擇導(dǎo)航條中的“miRNA”，選擇物種，輸入miRNA的部分名稱已知一個(gè)基因，尋找它被哪些miRNA調(diào)控及其位點(diǎn)選中導(dǎo)航條中的“TargetedmRNA”然后輸入基因名稱，從匹配的基因列表中選擇感興趣的基因（具有同樣名稱的基因通常都是有相同3’UTR）已知一個(gè)或一個(gè)miRNA集合，尋找其在組織中的表達(dá)情況選擇導(dǎo)航條中的“miRNA”，輸入全部或部分microRNA名稱，在結(jié)果列表中選擇“viewexpressionprofile”，將得到排在前20位的組織已知一個(gè)或多個(gè)組織，尋找哪些microRNA在其中表達(dá)選擇導(dǎo)航條上的“miRNAExpression”在結(jié)果中選擇感興趣的物種和組織，將得到在這個(gè)組織中排名前20的的miRNA第三節(jié)miRNA多態(tài)和復(fù)雜疾病

Section3miRNApolymorphismsandcomplexdisease介紹

miRNA多態(tài)(miRNApolymorphisms)被認(rèn)為是影響miRNA功能的多態(tài)，可能發(fā)生在miRNA形成和行使功能的任一個(gè)過程，以插入、刪除、擴(kuò)增或染色體異位的形式出現(xiàn)，最終導(dǎo)致miRNA位點(diǎn)或者功能的缺失（獲得），是人類基因組一類新的功能多態(tài)。位于miRNA基因內(nèi)部，影響miRNA的表達(dá)以及對(duì)靶向基因的調(diào)控。影響蛋白質(zhì)參與miRNA合成與成熟，導(dǎo)致新的miRNA生成和靶基因的調(diào)控。位于靶基因3’UTR區(qū)域，miRNA靶點(diǎn)或者靶點(diǎn)附近，影響miRNA與靶基因的結(jié)合影響miRNA的藥物反應(yīng)和表觀遺傳調(diào)控一、位于miRNA基因內(nèi)部的miRNA多態(tài)——影響miRNA生物學(xué)形成在染色體基因組水平上單個(gè)核苷酸變異引起的miRNA序列多態(tài)性對(duì)miRNA的轉(zhuǎn)錄、形成、輸出和調(diào)控具有重要影響。Saunders,M.A.等對(duì)人類474個(gè)miRNAs的SNPs進(jìn)行系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)單核苷酸多態(tài)在miRNA序列內(nèi)的密度低于其周圍的側(cè)翼序列。49個(gè)pre-miRNAs內(nèi)存在65個(gè)SNPs位點(diǎn)，其中3個(gè)miRNAs的種子序列存在SNPs。（一）位于pri/pre-miRNA內(nèi)部Saunders,M.A.和Duan等人利用生物信息學(xué)的方法研究發(fā)現(xiàn)在pri/pre-miRNA內(nèi)部存在單核苷酸多態(tài)。位于pri/pre-miRNA內(nèi)部的多態(tài)會(huì)影響miRNA的表達(dá)，產(chǎn)生新的miRNA以及影響miRNA與靶基因的結(jié)合，甚至與疾病的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。1.影響miRNA的表達(dá)Duan等人在研究miR-125是發(fā)現(xiàn)，該基因位點(diǎn)存在SNP，含有miR-125a-G/U兩種等位，其中miR-125a-U能夠顯著影響DGCR8與pri-miRNA-125a的結(jié)合與剪接，使成熟的miR-125a生成減少，使miR-125a對(duì)靶基因Lin-128的翻譯抑制作用減弱。1.影響miRNA的表達(dá)Calin,G.A.和Raveche,E.S.等人在一些家族的慢性淋巴細(xì)胞白血病患者中發(fā)現(xiàn)miR-15a/miR-16的初級(jí)轉(zhuǎn)錄本（pri-miRNA）內(nèi)部存在C>T改變，此多態(tài)與miR-15a/miR-16表達(dá)的減少相關(guān)，這兩個(gè)miRNA在幾乎70%的白血病患者中具有比較低的表達(dá)水平。這意味著位于miR-15a/miR-16初級(jí)轉(zhuǎn)錄本的多態(tài)與白血病的生成有關(guān)。2.產(chǎn)生新的miRNAmiR-146a前體會(huì)產(chǎn)生miR-146a（正鏈）和miR-146a*（負(fù)鏈）兩種miRNA。在miR-146a前體的莖環(huán)上存在的SNP（rs2910164）不僅會(huì)影響miR-146a的表達(dá)，而且會(huì)導(dǎo)致miR-146a*C和miR-146a*G兩種miRNA的產(chǎn)生。2.影響miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控，與疾病風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)位于miR-146a前體的多態(tài)（rs2910164）會(huì)產(chǎn)生兩種miR-146a*，兩種miRNA分別作用不同的靶基因，例如miR-146a*C調(diào)控PTC1基因，miR-146a*G調(diào)控IRAK1基因。這可以解釋此多態(tài)位點(diǎn)CG雜合子基因型患甲狀腺的風(fēng)險(xiǎn)降低，而CC和GG兩種純和的基因型患病的風(fēng)險(xiǎn)增加。（二）、位于成熟miRNA內(nèi)部成熟的miRNA與mRNA的3’UTR區(qū)域結(jié)合對(duì)mRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。miRNA與mRNA結(jié)合的區(qū)域包括兩部分：一部分是miRNA的5’端第2-7個(gè)堿基，稱為種子區(qū)域，這一部分區(qū)域要求與mRNA完全匹配；另一部分是種子區(qū)域附近的3’端方向，允許一定的程度的錯(cuò)配稱為3’容錯(cuò)區(qū)域（3’MTR）。位于成熟miRNA序列的這些多態(tài)會(huì)影響對(duì)靶基因的調(diào)控，消除、弱化、增強(qiáng)或者產(chǎn)生新的結(jié)合靶點(diǎn)。1.位于成熟miRNA種子區(qū)域根據(jù)Saunders,M.A.等人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于miRNA種子區(qū)域的SNP不足1%。而目前的研究發(fā)現(xiàn)，位于miRNA種子區(qū)域的多態(tài)會(huì)影響miRNA的表達(dá)以及與靶基因的結(jié)合。位于miRNA種子區(qū)域的多態(tài)會(huì)影響miRNA的表達(dá)以及與靶基因的結(jié)合。位于miR-125a種子區(qū)域的多態(tài)顯著的抑制了pri/pre-miRNA過程，導(dǎo)致miRNA表達(dá)的減少。miR-206調(diào)控ERα的表達(dá)，miR-206存在兩個(gè)與ERα結(jié)合的靶點(diǎn)。位于miR-206種子區(qū)域的多態(tài)導(dǎo)致兩個(gè)靶點(diǎn)都失活，消除了與原來靶的結(jié)合。位于miRNA種子區(qū)域的多態(tài)可以增強(qiáng)、減弱、消除原來的結(jié)合靶點(diǎn)或者產(chǎn)生新的靶基因。由于miRNA調(diào)控成百上千的mRNA，那么理論上講位于miRNA種子區(qū)域的多態(tài)會(huì)影響成百上千的基因的表達(dá)，但是這需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。2.位于miRNA的3’容錯(cuò)區(qū)域（3’MTR）

3’MTR區(qū)域不同于種子區(qū)域，允許一定堿基的錯(cuò)配。然而，在這一區(qū)域存在的多個(gè)SNPs、插入、刪除或者異位可能會(huì)對(duì)miRNA調(diào)控靶基因產(chǎn)生影響。但是，目前沒有發(fā)現(xiàn)確切的效應(yīng)還需要將來進(jìn)一步的研究。3.影響蛋白質(zhì)參與miRNA的形成

miRNA的生物學(xué)形成過程中，存在一些蛋白質(zhì)參與其中。影響這些蛋白質(zhì)參與miRNA形成的多態(tài)可能會(huì)影響miRNA的表達(dá)和調(diào)控，很可能會(huì)導(dǎo)致miRNA的下調(diào)。Gottwein等人研究皰疹病毒相關(guān)的miRNA時(shí)發(fā)現(xiàn)，位于pri-miR-K5的SNP顯著地抑制了Drosha對(duì)pri-miR-K5的剪切，使得pre-miR-K5和成熟的miR-K5的表達(dá)顯著降低。由于miRNA表達(dá)的降低或者升高在細(xì)胞內(nèi)有嚴(yán)重的后果，因此影響蛋白質(zhì)參與miRNA形成的多態(tài)會(huì)廣泛的影響miRNA的轉(zhuǎn)錄、加工、輸出和靶向，在細(xì)胞內(nèi)具有不利的影響。二、miRNA靶點(diǎn)的多態(tài)

miRNA靶點(diǎn)的多態(tài)性指的是靶基因上影響miRNA與靶基結(jié)合事件發(fā)生的序列多態(tài)性。這些多態(tài)性位點(diǎn)通過影響miRNA與靶基因的結(jié)合，影響miRNA對(duì)靶基因表達(dá)的調(diào)控。從而與多種疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，并成為目前遺傳藥理學(xué)研究的重要內(nèi)容。miRNA靶點(diǎn)的多態(tài)miRNA靶點(diǎn)多態(tài)可分為：

miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性miRNA結(jié)合位點(diǎn)上下游的多態(tài)性（一）、miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性與疾病對(duì)miRNA與靶基因的結(jié)合機(jī)制的研究表明，一個(gè)19～22堿基的靶結(jié)合位點(diǎn)可以分為種子區(qū)域和非種子區(qū)域。種子區(qū)域一般為結(jié)合位點(diǎn)的前2～7個(gè)堿基，miRNA結(jié)合靶位點(diǎn)時(shí)對(duì)此區(qū)域的序列匹配程度要求很高，SNP的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響miRNA與靶基因的結(jié)合。非種子區(qū)域則允許有一定程度的堿基錯(cuò)配，因此也將其稱為錯(cuò)配容忍區(qū)。（一）、miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性與疾病靶基因miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性位點(diǎn)通過影響miRNA與靶基因的結(jié)合，影響miRNA對(duì)靶基因表達(dá)的調(diào)控，從而與多種疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。與疾病相關(guān)的miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性舉例位于整聯(lián)蛋白基因-4(IGBT-4)miRNA結(jié)合位點(diǎn)的SNP（rs743553）與乳腺癌發(fā)病密切相關(guān)(Brendle等)。位于GEMIN3基因miRNA結(jié)合位點(diǎn)的SNP（rs197414）與膀胱癌發(fā)病密切相關(guān)(Yang等)。CD86基因和INSR基因上miRNA靶點(diǎn)SNP變異純合子均可以顯著增加結(jié)腸直腸癌的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)(Landi等)。（二）、miRNA結(jié)合位點(diǎn)上下游的多態(tài)性與疾病位于靶點(diǎn)附近的多態(tài)位點(diǎn)可能會(huì)改變mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)從而影響miRNA與靶基因的結(jié)合miRNA與靶mRNA的結(jié)合事件的發(fā)生除了需要miRNA與靶位點(diǎn)的序列匹配外，還需要一些輔助蛋白，如RISC蛋白等的參與。然而，轉(zhuǎn)錄出來的靶mRNA的3‘-UTR區(qū)域在細(xì)胞中不是以單鏈的形式存在的，它會(huì)自我折疊形成由各種莖環(huán)和柄組成的二級(jí)結(jié)構(gòu)。因此它的某些部分可能是不能或不容易與蛋白質(zhì)或microRNA結(jié)合的，因此mRNA和蛋白質(zhì)或microRNA是否能相互作用還要依賴于靶mRNA上是否具有某些特定二級(jí)結(jié)構(gòu)的元件。（二）、miRNA結(jié)合位點(diǎn)上下游的多態(tài)性與疾病位于結(jié)合靶點(diǎn)上下游的SNP會(huì)影響miRNA與3‘-UTR上其他調(diào)控元件的協(xié)同作用靶基因3’UTR上除miRNA結(jié)合位點(diǎn)外，還包含很多順式作用元件和功能結(jié)構(gòu)元件，例如CPEARE序列（3’UTR中的AuUUA重復(fù)序列）等。位于miRNA結(jié)合位點(diǎn)附近的多態(tài)性會(huì)影響miRNA與其他位于3’UTR的順式調(diào)控元件的作用，從而影響miRNA對(duì)靶基因的調(diào)控。（二）、miRNA結(jié)合位點(diǎn)上下游的多態(tài)性與疾病與疾病相關(guān)的miRNA結(jié)合位點(diǎn)上的多態(tài)性舉例與Tourette綜合征發(fā)生密切相關(guān)的基因SLITRK13’UTR區(qū)的SNP可導(dǎo)致其與miR-189的結(jié)合增強(qiáng)，因而使得miR-189下調(diào)SLITRK1基因表達(dá)的作用增強(qiáng)(Abelson等)。HLA-G基因3’UTR區(qū)的SNP影響miR-148a，miR-148b和miR-152與HLA-G結(jié)合，從而與哮喘的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)(Zheng等)。位于二氫葉酸還原酶基因（DHFR）3’UTR區(qū)與miR-24結(jié)合序列下游14bp處的SNPC-829T可影響miR-24與DHFRmRNA的結(jié)合，該SNP使miR-24下調(diào)DHFR基因表達(dá)作用減弱，從而導(dǎo)致甲氨喋呤抵抗(Prasun等)。三、miRNA多態(tài)影響藥物反應(yīng)miRNA多態(tài)性位點(diǎn)作為一類新的功能多態(tài)位點(diǎn)，可以通過影響miRNA與藥物作用蛋白的結(jié)合，從而增強(qiáng)藥物敏感性或者導(dǎo)致藥物抗藥性。miRNA多態(tài)性影響藥物反應(yīng)現(xiàn)象有研究表明，人類基因3’UTR區(qū)域的SNPs與α-地中海貧血，人類乳頭瘤病毒感染，胰島素敏感，尿石癥和5-氟尿嘧啶化療治療的敏感性相關(guān)。作為人類基因3’UTR區(qū)域上的調(diào)控因子，miRNA靶點(diǎn)上或者臨近區(qū)域的SNPs能夠影響miRNA-靶基因的結(jié)合，從而產(chǎn)生新的miRNA調(diào)控關(guān)系或者失活已有的miRNA調(diào)控關(guān)系，從而導(dǎo)致疾病或者抗藥性的產(chǎn)生。miRNA多態(tài)性與氨甲葉酸的抗藥性PrasunJMishra等人的研究發(fā)現(xiàn)，miRNA多態(tài)性位點(diǎn)的出現(xiàn)與氨甲葉酸（MTX：一種抗腫瘤藥物）的抗藥性有關(guān)。當(dāng)DHFR基因3’UTR上miR-24靶點(diǎn)附近的SNP829等位基因型為T時(shí)，miR-24將不能與DHFR上的靶點(diǎn)結(jié)合，miR-24的功能失活導(dǎo)致DHER基因mRNA和蛋白的堆積，堆積的DHFR直接導(dǎo)致了氨甲葉酸抗藥性的產(chǎn)生。miRNA多態(tài)性導(dǎo)致抗藥性的機(jī)制miRNA多態(tài)性能夠產(chǎn)生新的miRNA靶向關(guān)系當(dāng)藥物作用蛋白是藥物靶點(diǎn)（drug-target）蛋白時(shí)，新產(chǎn)生的miRNA-藥物靶點(diǎn)蛋白調(diào)控對(duì)下調(diào)藥物靶點(diǎn)蛋白的表達(dá)，從而增強(qiáng)藥物敏感性；當(dāng)藥物作用蛋白是藥物激活（drug-effector）蛋白時(shí)，新產(chǎn)生的miRNA-藥物激活蛋白調(diào)控對(duì)會(huì)下調(diào)藥物激活蛋白的表達(dá)，從而導(dǎo)致藥物抗藥性。

miRNA多態(tài)性能夠失活已有的miRNA-藥物作用蛋白調(diào)控對(duì)靶向關(guān)系當(dāng)藥物作用蛋白是藥物靶點(diǎn)蛋白時(shí)，失活的調(diào)控關(guān)系會(huì)導(dǎo)致靶點(diǎn)蛋白的過量表達(dá)，從而導(dǎo)致藥物抗藥性；當(dāng)藥物作用蛋白是藥物激活蛋白時(shí)，失活的調(diào)控關(guān)系增加激活蛋白的表達(dá)，從而增強(qiáng)藥物敏感性。圖16-4miRNA多態(tài)對(duì)物反應(yīng)的影響miRNA藥物基因組學(xué)miRNA藥物基因組學(xué)可以被定義為通過分析miRNA和影響miRNA功能的多態(tài)性，從而預(yù)測藥物作用效果和提高藥物作用有效性的學(xué)科。

miRNA藥物基因組學(xué)應(yīng)用前景miRNA藥物基因組學(xué)有著很強(qiáng)的臨床應(yīng)用前景。miRNA是很誘人的藥物靶點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兡軌蛘{(diào)控細(xì)胞中一些關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，同時(shí)其自身在癌癥和正常組也差異表達(dá)。miRNA多態(tài)性能夠?qū)е耺iRNA對(duì)藥物靶點(diǎn)蛋白調(diào)控的失活從而產(chǎn)生抗藥性。因此，通過促進(jìn)根據(jù)病人的基因型值來確定病人對(duì)藥物的耐受程度的研究方法的發(fā)展，miRNA多態(tài)性位點(diǎn)能夠作為臨床藥物作用效果的預(yù)測因子，降低藥物使用過量發(fā)生的可能性。四、miRNA多態(tài)影響表觀遺傳調(diào)控很多miRNA由于異常的高甲基化受表觀遺傳沉默的影響。miRNA的表觀沉默最初在乳腺癌的發(fā)展中被發(fā)現(xiàn)。LehmannU等人針對(duì)71例乳腺癌患者研究發(fā)現(xiàn)miR-9-1、miR-124a3、miR-148、miR-152和miR-663在34%-86%的患者中具有異常的高甲基化。miRNA的異常高甲基化會(huì)導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。引起miRNA表觀遺傳調(diào)控改變的多態(tài)是一個(gè)新的還沒有探索的領(lǐng)域，由于miRNA多態(tài)導(dǎo)致的原癌基因或腫瘤抑制基因表觀遺傳調(diào)控的缺失或者獲得在細(xì)胞中可能具有毀滅性的影響。因此，可以利用改變表觀遺傳調(diào)控的miRNA多態(tài)研究疾病發(fā)生的機(jī)制。五、數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫dbSMR

http://miracle.igib.res.in/polyreg/是一個(gè)分析基因3’UTR上的SNP對(duì)miRNA與靶點(diǎn)結(jié)合關(guān)系影響的數(shù)據(jù)庫。

五、數(shù)據(jù)資源數(shù)據(jù)庫PolymiRTS

/miRSNP/

整合了序列多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)和基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，來挖掘潛在的可以用于解釋表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)和表型數(shù)量性狀位點(diǎn)效應(yīng)的microRNA靶基因的結(jié)合區(qū)域上的多態(tài)性位點(diǎn)，并把這些多態(tài)稱作PolymiRTS。

第四節(jié)MicroRNA表達(dá)譜與人類疾病

Section4MicroRNAExpressionProfileandComplexDisease癌癥的本質(zhì)歸結(jié)為各種原因引起的基因結(jié)構(gòu)和功能的異常一、miRNA表達(dá)譜識(shí)別癌癥相關(guān)miRNA

致癌基因的高表達(dá)

抑癌基因的低表達(dá)miRNA作為一類重要的基因負(fù)調(diào)控子，其表達(dá)變化將會(huì)對(duì)靶基因的活動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響復(fù)雜疾病的診斷和治療研究中必定會(huì)引入miRNA（一)miRNA表達(dá)譜一、

miRNA的特征片段小、低豐度、組織特異性、發(fā)育階段特異性、疾病狀態(tài)特異性二、

miRNA表達(dá)檢測技術(shù)Northern印跡、克隆（cloning）、定量PCR擴(kuò)增、SAGE技術(shù)、磁珠技術(shù)和寡核苷酸芯片技術(shù)一、miRNA表達(dá)數(shù)據(jù)來源：（二）利用miRNA表達(dá)譜尋找復(fù)雜疾病miRNAGeneExpressionOmnibus（GEO）數(shù)據(jù)庫ArrayExpress

數(shù)據(jù)庫二、miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：中值處理mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法并不能簡單地應(yīng)用于miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)，目前仍沒有統(tǒng)一有效的標(biāo)準(zhǔn)化方法可用于miRNA表達(dá)譜三、差異表達(dá)分析—尋找異常miRNA比較癌組織和正常組織中的miRNA表達(dá)水平方法：倍數(shù)改變、T檢驗(yàn)、

SAM算法、方差分析為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)異常miRNA進(jìn)行生物學(xué)證實(shí)四、靶基因功能注釋靶基因預(yù)測算法：Targetscan，miRanda，PicTar

對(duì)異常miRNA的靶基因集進(jìn)行GO功能注釋和KEGG通路分析，得到靶基因顯著富集的生物學(xué)過程五、miRNA功能預(yù)測和病理假設(shè)

基于miRNA的靶基因的功能富集來預(yù)測miRNA的功能疾病中，異常miRNA通過參與調(diào)節(jié)靶基因富集的生物學(xué)

過程，進(jìn)而導(dǎo)致功能失調(diào)引發(fā)疾病。二、miRNA表達(dá)譜分類人類癌癥許多研究已經(jīng)表明編碼蛋白的轉(zhuǎn)錄本(mRNA)可以有效地區(qū)分各種癌癥。這些與癌癥相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本作為一種可靠的生物學(xué)標(biāo)記（biomark）已被廣泛應(yīng)用于各種癌癥的分型研究。我們將采用Lu等人發(fā)表于2005年nature期刊miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)來探索基于miRNA表達(dá)水平的癌癥分類。

首先GEO數(shù)據(jù)庫GSE2564獲取所有相關(guān)數(shù)據(jù)，其中包括334個(gè)樣本的原始miRNA表達(dá)數(shù)據(jù)，預(yù)處理后的miRNA表達(dá)數(shù)據(jù)，探針信息，樣本信息等。包含用兩個(gè)芯片平臺(tái)檢測的334個(gè)樣本的miRNA表達(dá)譜。該表達(dá)譜數(shù)據(jù)包含用兩個(gè)芯片平臺(tái)檢測的334個(gè)樣本的miRNA表達(dá)譜。所采用的預(yù)處理過程包括基于控制探針的標(biāo)準(zhǔn)化，修正表達(dá)強(qiáng)度偏低的探針，刪除所有控制探針，以及對(duì)表達(dá)值進(jìn)行以2為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。

預(yù)處理過程包括基于控制探針的標(biāo)準(zhǔn)化，修正表達(dá)強(qiáng)度偏低的探針，刪除所有控制探針，以及對(duì)表達(dá)值進(jìn)行以2為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。對(duì)miRNA表達(dá)譜進(jìn)行過濾，刪除那些在所有樣本中不表達(dá)或表達(dá)值很低的miRNA。如果某一miRNA在某一樣本中的表達(dá)值低于7.25，則認(rèn)為該miRNA在該樣本中不表達(dá)或者其所檢測的表達(dá)值過低。隨后，對(duì)每個(gè)miRNA的表達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1的標(biāo)準(zhǔn)。采用層次聚類方法：平均鏈路算法，皮爾森相關(guān)系數(shù)可以明顯看出具有共同組織發(fā)育起源的樣本被聚到一起。

除了上述所用到218個(gè)樣本，該數(shù)據(jù)還包括了檢測自73個(gè)急性淋巴細(xì)胞白血病患者骨髓樣本的miRNA表達(dá)水平。

來自結(jié)腸，肝，胰腺以及胃部的樣本被很好的聚在一塊。反映出它們共同起源胚胎的內(nèi)胚層，進(jìn)一步表明對(duì)樣本的miRNA表達(dá)譜進(jìn)行聚類分析能夠揭示出樣本的組織發(fā)展史。數(shù)據(jù)集中還包括了來自218個(gè)樣本中的89個(gè)組織的mRNA表達(dá)水平。當(dāng)利用大約16000個(gè)mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)對(duì)同樣的樣本聚類時(shí)，起源相同的組織并未被聚到一起。

利用t檢驗(yàn)方法對(duì)正常組織與腫瘤組織的miRNA表達(dá)水平進(jìn)行比較，并使用隨機(jī)擾動(dòng)的方法為每個(gè)miRNA產(chǎn)生一個(gè)p值，最后對(duì)p值進(jìn)行bonferroni校正。

為了進(jìn)一步的證實(shí)miRNA表達(dá)譜能否用于腫瘤的診斷，選取了68個(gè)高分化的腫瘤樣本（代表11種腫瘤類型），并利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法方法對(duì)這些樣本的miRNA與mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)分別訓(xùn)練產(chǎn)生相應(yīng)的多類別分類器。隨后，利用所產(chǎn)生的分類器來預(yù)測17個(gè)低分化的腫瘤樣本的組織類型。

miRNA表達(dá)的分類器正確分類了17個(gè)低分化腫瘤樣本中的12個(gè)，而利用mRNA構(gòu)建的分類器只正確的分類了其中的一個(gè)樣本。

利用miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)能夠更有效的預(yù)測出低分化腫瘤樣本的組織類型?？傊?，miRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)為癌癥的診斷提供了潛在的可能性。

互作網(wǎng)絡(luò)三、

miRNA表達(dá)譜與mRNA表達(dá)譜的整合分析隨著檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，生物學(xué)資源的大量涌現(xiàn)，生物信息學(xué)研究者已經(jīng)不僅僅局限于使用一種數(shù)據(jù)資源

表達(dá)數(shù)據(jù)

SNP

表型數(shù)據(jù)整合整合多種類型的生物數(shù)據(jù)（如各種表達(dá)譜數(shù)據(jù)、互作網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、

SNP數(shù)據(jù)、表型數(shù)據(jù)等）來解決特定復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)問題

以2005年Lu采用磁珠流式細(xì)胞式檢測技術(shù)得到的89個(gè)人類多種組織樣本中的miRNA和mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)作為一個(gè)案例（一）整合miRNA-mRNA表達(dá)譜研究疾病第一步：數(shù)據(jù)獲得與處理miRNA表達(dá)譜mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)篩選151個(gè)miRNA11114個(gè)mRNA第二步：表達(dá)相關(guān)性分析（皮爾森相關(guān)系數(shù)）（一）miRNA-miRNA表達(dá)相關(guān)性（二）miRNA-mRNA表達(dá)相關(guān)性一些miRNA對(duì)之間存在著高度的表達(dá)一致性（圖中紅色曲線）149個(gè)miRNA-mRNA對(duì)也具有共表達(dá)的現(xiàn)象（皮爾森相關(guān)系數(shù)>0.4）第三步：共表達(dá)的miRNA-mRNA網(wǎng)絡(luò)

miR-99a同時(shí)與7個(gè)基因（ACTG2，MYH11，PRUNE2，GCSH，EDNRA，ACSL1，CCDN2）具有較高的表達(dá)一致性

ACTG2，MYH11，PRUNE2，GCSH，EDNRA，ACSL1，CCDN2的GO功能注釋結(jié)果顯示,其中4個(gè)基因共同參與了催化活性生物學(xué)過程預(yù)測miR-99a可能參與催化活性作用第四步：差異表達(dá)miRNA和mRNA對(duì)于其中的12個(gè)前列腺組織樣本,利用SAM算法,分別對(duì)其miRNA和mRNA表達(dá)進(jìn)行差異表達(dá)分析60個(gè)差異表達(dá)miRNA485個(gè)差異表達(dá)mRNA靶預(yù)測算法miRNA靶向的mRNA集合GO功能注釋四、

miRNA：一種新的生物標(biāo)記一、生物標(biāo)記特征生物標(biāo)記能夠潛在地應(yīng)用于各種醫(yī)療條件,在臨床診斷和治療上具有顯著作用和效果。生物標(biāo)記組織樣本容易獲取。例如非侵入的組織,血液或尿液之類的體液。二、miRNA在癌癥中的特征

已檢測到大約1000個(gè)人類miRNA中很多與癌癥有關(guān)，大部分位于染色體脆性位點(diǎn)區(qū)域,在癌癥發(fā)生過程中趨向于導(dǎo)致染色體擴(kuò)增、缺失或異位等異常。許多研究也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)癌癥相關(guān)的miRNA在癌癥演化過程中具有致癌和抑癌的作用，這些miRNA可以作為一種新的“致癌基因”和“抑癌基因”用于癌癥檢測和研究。三、miRNA表達(dá)模式

大量的miRNA表達(dá)譜研究表明某些特定條件下miRNA能更好的分類癌癥樣本。例如，在丙型肝炎患者肝組中，miR-122的表達(dá)水平能夠預(yù)測干擾素治療的反應(yīng)在福爾馬林固定石蠟包埋的腫瘤樣本中，miR-205的表達(dá)可以區(qū)分鱗狀和非鱗狀小細(xì)胞肺癌；通過分析乳腺癌的正常組織樣本和惡性腫瘤組織樣本的表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)mir-125b，mir-145，mir-21和mir-155能夠有效地區(qū)分惡性乳腺癌組織與正常組織。四、與其它生物標(biāo)記相比較

miRNA片段小而表達(dá)量大，使得研究者獲取組織樣本體液樣本中并利用定量的PCR技術(shù)檢測miRNA的表達(dá)水平更加容易。血清中miRNA能夠作為一種穩(wěn)定的生物分子用于癌癥的檢測。因此，一些研究者開始通過檢測miRNA在血液中的表達(dá)水平應(yīng)用于癌癥診斷。五、miRNA可以作為新的生物標(biāo)記根據(jù)miRNA的特征，miRNA作為一類特異的并具有高信息量的生物分子，可以成為一種新的潛在的生物標(biāo)記應(yīng)用于肝癌、肺癌、腸癌、卵巢癌和白血病等各類癌癥診斷的新的生物標(biāo)記和治療藥物作用的靶點(diǎn)。第五節(jié)microRNA調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)

Section5miRNARegulationofmolecularnetworks簡介生物網(wǎng)絡(luò)是生物體內(nèi)各種分子通過相互作用來完成各種復(fù)雜的生物功能的一個(gè)體系。網(wǎng)絡(luò)水平的研究，有助于我們從整體上理解生物體內(nèi)各種復(fù)雜事件發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制。microRNA(miRNA)是一類重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子。miRNA靶基因功能類型也很廣泛，比如包括轉(zhuǎn)錄因子，信號(hào)蛋白，骨架蛋白，代謝中的酶等。因此miRNA的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控必然與目前所研究的生物網(wǎng)絡(luò)有著各種各樣的聯(lián)系。揭示這種關(guān)系對(duì)闡明miRNA的調(diào)控規(guī)律起到重要的作用。這節(jié)重點(diǎn)討論了miRNA對(duì)四種分子網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控特征，分別為細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。此外，還總結(jié)了miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)模體(motif)，揭示轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控兩個(gè)層面的聯(lián)系?？蚣躮iRNA調(diào)控細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控蛋白互作網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)模體框架miRNA調(diào)控細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控蛋白互作網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)模體miRNA調(diào)控細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是處理早期細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外信號(hào)的最重要的復(fù)雜系統(tǒng)，它作為高級(jí)交流系統(tǒng)會(huì)完成一系列的任務(wù)，比如生長，細(xì)胞存活和發(fā)育等等。通過手工注釋或者高通量實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了大量信號(hào)通路信息，它們相互交織組成一個(gè)大的復(fù)雜的信號(hào)傳遞網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)蛋白間的關(guān)系對(duì)決定細(xì)胞行為和維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)起到關(guān)鍵的作用。信號(hào)蛋白對(duì)應(yīng)的基因的表達(dá)及調(diào)控子的失調(diào)都會(huì)在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出來，同樣帶來發(fā)育終點(diǎn)的異常，比如癌癥或其他疾病。miRNA是轉(zhuǎn)錄后調(diào)控子，因此認(rèn)為miRNA調(diào)控信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是合理的。待回答的問題信號(hào)蛋白作為一類特殊蛋白，其相應(yīng)的mRNA是否傾向被miRNA調(diào)控？miRNA傾向調(diào)控哪種類型的信號(hào)蛋白，是細(xì)胞表面的信號(hào)蛋白還是細(xì)胞核內(nèi)的信號(hào)蛋白呢？信號(hào)網(wǎng)絡(luò)可以用圖的方式表示，其中點(diǎn)代表信號(hào)蛋白，有向邊代表蛋白間的激活或者抑制關(guān)系，無向邊則代表簡單的物理互作。因此可以找到信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的模塊，miRNA又傾向調(diào)控哪種類型的模體？

2006年，Cui等把miRNA靶基因數(shù)據(jù)映射到信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上，揭示了人類中miRNA調(diào)控信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的一些策略。數(shù)據(jù)microRNA靶基因數(shù)據(jù)Targetscans和PicTar的交集部分信號(hào)網(wǎng)絡(luò)手工注釋的包含540個(gè)蛋白，1258條邊的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)人民衛(wèi)生出版社8年制及7年制臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)用《生物信息學(xué)》（一）miRNA對(duì)不同類型信號(hào)蛋白的調(diào)控傾向性29.4%的信號(hào)蛋白是miRNA的靶基因，而人類基因組（大約兩萬多基因）在該數(shù)據(jù)中只有17%被miRNA調(diào)控，表明miRNA的調(diào)控在信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中有相對(duì)更重要的作用。連接蛋白（Adaptors）連接蛋白下游成分的多少可以將連接蛋白分成兩組：高連接組（下游有多于4個(gè)的信號(hào)蛋白）低連接組（下游有不多于4個(gè)的信號(hào)蛋白）計(jì)算兩組中下游信號(hào)蛋白中被miRNA靶向的比例，其中36.1%的高連接組下游的信號(hào)蛋白被miRNA調(diào)控，低連接組只有24.2%，miRNA傾向調(diào)控前者的下游信號(hào)成分。（二）miRNA對(duì)不同類型信號(hào)蛋白的調(diào)控傾向性miRNA對(duì)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)模體的選擇性調(diào)控miRNA不傾向靶向負(fù)向調(diào)控模體中的蛋白，但是傾向調(diào)控正向調(diào)控模體中的蛋白。正向反饋環(huán)（id98），miRNA的負(fù)向控制能夠增強(qiáng)對(duì)這些噪聲或者波動(dòng)放大的過濾或者緩沖作用在某種模體中，Ra=正向調(diào)控邊/所有有向邊的比例小結(jié)上面這些規(guī)律表明在人類中，miRNA用多種方式調(diào)控信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。通過選擇性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的大部分下游蛋白、多下游成分的連接蛋白、正向調(diào)控模體，miRNA能夠終止以前存在的信息并快速促進(jìn)和穩(wěn)定對(duì)新信號(hào)的響應(yīng)。另一方面，miRNA不傾向調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的上游成分，比如配體、基本細(xì)胞機(jī)器共享的蛋白和負(fù)向調(diào)控模體中的信號(hào)蛋白?？蚣躮iRNA調(diào)控細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控蛋白互作網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)模體miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)許多代謝產(chǎn)物可以被不同的代謝通路共享，且互相交織形成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。代謝網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)制是復(fù)雜的，涉及到轉(zhuǎn)錄水平，轉(zhuǎn)錄后水平和翻譯水平三個(gè)水平上的調(diào)控。通常我們認(rèn)為代謝網(wǎng)絡(luò)中的酶被轉(zhuǎn)錄因子緊緊控制。miRNA是新發(fā)現(xiàn)的一類豐富的負(fù)向調(diào)控子，因此我們認(rèn)為miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)也是合理的。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了miRNA調(diào)控氨基酸代謝，膽固醇的生物合成等代謝過程。miRNA對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控是否也存在一些類似與信號(hào)網(wǎng)絡(luò)或者代謝網(wǎng)絡(luò)特有的原則呢？

人民衛(wèi)生出版社8年制及7年制臨床醫(yī)學(xué)等專業(yè)用《生物信息學(xué)》數(shù)據(jù)準(zhǔn)備從KEGG數(shù)據(jù)庫中獲取人類代謝通路數(shù)據(jù)，把代謝網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成以反應(yīng)為節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)A和B分別表示兩個(gè)反應(yīng)對(duì)應(yīng)的酶（可以是一個(gè)也可以是多個(gè)）

把TargetScan預(yù)測得到的人類整個(gè)基因組的miRNA靶點(diǎn)數(shù)據(jù)映射到該代謝網(wǎng)絡(luò)上miRNA顯著調(diào)控代謝反應(yīng)反應(yīng)只有一個(gè)酶催化，那么如果酶被miRNA調(diào)控，我們就認(rèn)為該反應(yīng)被miRNA調(diào)控；反應(yīng)涉及多個(gè)酶（不少于2個(gè)酶），統(tǒng)計(jì)這些酶中是miRNA靶基因的數(shù)目，如果比隨機(jī)高，且具有顯著性，也認(rèn)為該反應(yīng)被miRNA調(diào)控。AB底物1產(chǎn)物1產(chǎn)物2ABmiRNA調(diào)控多酶反應(yīng)的隨機(jī)方法隨機(jī)擾動(dòng)miRNA與所有酶的調(diào)控關(guān)系在擾動(dòng)后的網(wǎng)絡(luò)中重新統(tǒng)計(jì)每個(gè)反應(yīng)涉及的酶中是miRNA靶基因的數(shù)目，重復(fù)5000次然后利用經(jīng)驗(yàn)概率P估計(jì)顯著性，即統(tǒng)計(jì)5000次隨機(jī)中，比真實(shí)情況高的比例因?yàn)槎嗝傅姆磻?yīng)都進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，所以需要進(jìn)行多重檢驗(yàn)驗(yàn)證，可以通過R的Qvalue包進(jìn)行多重檢驗(yàn)校正校正后的顯著性水平設(shè)為0.25，低于該值的都被認(rèn)為是被miRNA顯著調(diào)控的反應(yīng)。miRNA對(duì)不同類型代謝反應(yīng)的調(diào)控傾向性計(jì)算每類節(jié)點(diǎn)中miRNA靶基因的比例過渡節(jié)點(diǎn)避免被miRNA調(diào)控且和隨機(jī)比較是顯著的；而miRNA靶點(diǎn)顯著富集在hub和切割點(diǎn)兩個(gè)集合上上游節(jié)點(diǎn)HUB下游節(jié)點(diǎn)切割點(diǎn)過渡節(jié)點(diǎn)不同類型代謝反應(yīng)的顯著性為了計(jì)算每類節(jié)點(diǎn)是富集還是避免被miRNA調(diào)控的顯著性，通過從整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)抽取和每類節(jié)點(diǎn)數(shù)目相同的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算被miRNA調(diào)控的比例，重復(fù)這種操作5000次，計(jì)算兩種類型的經(jīng)驗(yàn)概率，即隨機(jī)情況中高于真實(shí)情況和低于真實(shí)情況，取0.05作為顯著性水平。miRNA對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)局部模塊化結(jié)構(gòu)調(diào)控傾向性局部模塊化結(jié)構(gòu)線性模式支化模式分叉型匯集型依據(jù)每種類型中節(jié)點(diǎn)被miRNA調(diào)控的數(shù)目進(jìn)一步進(jìn)行劃分，最后檢驗(yàn)這些更細(xì)模式在網(wǎng)絡(luò)中的富集和缺失情況富集和缺失的顯著性統(tǒng)計(jì)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中每種更細(xì)模式的數(shù)目，共隨機(jī)10000次兩種經(jīng)驗(yàn)概率隨機(jī)情況中高于真實(shí)情況的比率隨機(jī)情況中低于真實(shí)情況的比率。所有的線性模式都被miRNA富集靶向。不管是匯集型還是分叉型，其中不包含任何miRNA靶點(diǎn)的模式在網(wǎng)絡(luò)中是顯著出現(xiàn)的，而至少包含2個(gè)miRNA靶點(diǎn)的模式在網(wǎng)絡(luò)中是顯著缺失的線性模式支化模式匯集型分叉型小結(jié)在人類中，miRNA也存在多種方式調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)。通過選擇性調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)的HUB、切割點(diǎn)及線性代謝流，而避免調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)的過渡節(jié)點(diǎn)及支化代謝流。許多基本的代謝通路被miRNA廣泛調(diào)控，比如氨基酸合成/降解和某些脂類代謝，暗示著miRNA在細(xì)胞中心代謝活動(dòng)中起作用?？蚣躮iRNA調(diào)控細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控代謝網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控蛋白互作網(wǎng)絡(luò)miRNA調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)模體miRNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)描述轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控的基因之間的關(guān)系。理論上，整個(gè)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)包含所有可能發(fā)生的基因調(diào)控關(guān)系和實(shí)現(xiàn)某種生物功能的不同調(diào)控關(guān)系的組合機(jī)制。哺乳動(dòng)物的基因調(diào)控信息還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們不能進(jìn)行前面兩種網(wǎng)絡(luò)那樣分析，現(xiàn)在提出一種新的研究模式。先在有限的試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)中尋找到miRNA對(duì)其的調(diào)控規(guī)律，然后再在預(yù)測的轉(zhuǎn)錄調(diào)控?cái)?shù)據(jù)中進(jìn)行驗(yàn)證和拓展分析miRNA與試驗(yàn)獲得的轉(zhuǎn)錄調(diào)控?cái)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)2005年Boyer通過ChIP-chip測了三個(gè)轉(zhuǎn)錄因子在人類胚胎干細(xì)胞中的調(diào)控靶點(diǎn)OCT4，NANOG和SOX2miRNA的靶點(diǎn)數(shù)據(jù)PicTar因?yàn)檗D(zhuǎn)錄調(diào)控和前面兩種網(wǎng)絡(luò)不同，是一般網(wǎng)絡(luò)，所以分析轉(zhuǎn)錄調(diào)控的靶基因是否傾向被miRNA靶向是沒有意義的。miRNA的靶點(diǎn)富集在被多個(gè)（大于等于2）轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的基因集合上（Fisher精確檢驗(yàn)）即被越多轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的基因，就越可能被miRNA調(diào)控miRNA與預(yù)測的轉(zhuǎn)錄調(diào)控?cái)?shù)據(jù)為了證實(shí)上面結(jié)果的魯棒性，進(jìn)一步地在基因組范圍內(nèi)的調(diào)控信息中進(jìn)行同樣的分析。計(jì)算預(yù)測的轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)據(jù)----2005年Kreketal基因擁有的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)越多，即這個(gè)基因被越多的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，該基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制就越復(fù)雜按照miRNA的調(diào)控?cái)?shù)目將基因分組miRNA的調(diào)控?cái)?shù)目和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的平均數(shù)是顯著正相關(guān)的總之，在人類基因組中，轉(zhuǎn)錄后水平上miRNA的調(diào)控復(fù)雜度和轉(zhuǎn)錄水平上轉(zhuǎn)錄因子對(duì)基因的調(diào)控復(fù)雜度是正相關(guān)的對(duì)具有較多轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)和被較多miRNA靶向的基因進(jìn)行功能富集分析富集在某些特定生物過程中，特別是那些和發(fā)育相關(guān)的生物過程還沒有人類或者嚙齒類生物的關(guān)于基因的正向或負(fù)向轉(zhuǎn)錄調(diào)控關(guān)系的數(shù)據(jù)，所以現(xiàn)在還不能進(jìn)行類似信號(hào)網(wǎng)絡(luò)局部模塊