microrna在動物進(jìn)化中的作用

microrna在動物進(jìn)化中的作用

mirna是一個長度為18.25nt的小rna分子。mirna主要通過與靶基因mrna互補(bǔ)，在編碼過程中通過對蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化（race）控制復(fù)制過程。Lee等人很多miRNAs基因家族在后生動物中具有不同程度的保守性.這些保守的miRNAs在后生動物發(fā)育過程中起著非常重要的調(diào)控作用,比那些非保守的miRNAs具有更高效的表達(dá)及更廣泛的功能1a多聚酶轉(zhuǎn)錄成原mirna成熟miRNAs在動物體內(nèi)具有相同的合成途徑,它們都要在細(xì)胞核內(nèi)和細(xì)胞質(zhì)中各進(jìn)行一次剪切.首先,miRNA基因在細(xì)胞核內(nèi)被RNA多聚酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄成原miRNA(primarymiRNA,pri-miRNA)植物與動物miRNA的作用機(jī)制大致相同,成熟的miRNA與RNA誘導(dǎo)的基因沉默復(fù)合物(RNA-inducedsilencingcomplex,RISC)結(jié)合,通過與靶基因mRNA的3′非翻譯區(qū)(3′untranslatedregion,3′UTR)互補(bǔ)配對來對靶基因的轉(zhuǎn)錄子進(jìn)行翻譯抑制或降低其穩(wěn)定性2mirnas的穩(wěn)定通過克隆、基因芯片、小RNA文庫篩選、高通量測序等各種研究手段從不同動物體內(nèi)尋找到更多的miRNAs家族,使miRNAs的進(jìn)化研究進(jìn)一步深入尤其,一些后生動物的基部類群,如扁形動物、紐形動物、環(huán)節(jié)動物等的miRNAs的發(fā)現(xiàn)檢索最新版本miRNAs數(shù)據(jù)庫(1)后生動物保守的miRNAs.Grimson等人mir-100是一個非常保守的miRNA家族,其成熟序列在果蠅和人中都完全一致,?？某墒煨蛄信c人僅第一個核苷酸不同.大部分后生動物中僅存在1個mir-100基因,只有七鰓鰻(Petromyzonmarinus)的基因組中存在3個mir-100(mir-100a,mir-100b和mir-100c)基因,另外斑馬魚中存在2個mir-100基因:mir-100-1和mir-100-2.(2)兩側(cè)對稱動物保守的miRNAs.由現(xiàn)有數(shù)據(jù)可見,兩側(cè)對稱動物中至少存在32個保守的miRNA家族,表明這些miRNA家族應(yīng)該存在于后口動物與原口動物最近的共同祖先中.mir-216曾被認(rèn)為是脊索動物所特有l(wèi)et-7是所有后生動物中最為保守的一個miRNA家族在32個兩側(cè)對稱動物保守miRNAs中,其中7個僅存在于原口動物和一些低等后口動物中,而在脊椎動物中沒有發(fā)現(xiàn).例如,mir-71,mir-79,mir-242,mir-252和mir-278為多數(shù)原口動物共有,在囊舌蟲(Saccoglossuskowalevskii)、海膽(Strongylocentrotuspurpuratus)和文昌魚(Branchiostomafloridae)中都存在,但在海鞘(Cionaintestinalis)和脊椎動物中未發(fā)現(xiàn)(3)原口動物保守的miRNAs.原口動物中共有的保守miRNAs有13個.其中包括bantam,最初在多種昆蟲中被發(fā)現(xiàn),認(rèn)為是昆蟲特有(4)后口動物保守的miRNAs.在后口動物這一演化支中,共有的miRNAs僅為mir-22和mir-200mir-200在囊舌蟲、海膽、海鞘、文昌魚和脊椎動物中都存在.而在脊椎動物中,mir-200通常與mir-141或mir-429形成基因簇,調(diào)控上皮細(xì)胞向間葉細(xì)胞轉(zhuǎn)化的發(fā)育過程(5)脊索動物保守的miRNAs.目前脊索動物中存在的保守miRNAs有14個,而Heimberg等人(6)脊椎動物保守的miRNAs.作為后生動物一個較大的演化支,脊椎動物中共有的保守miRNAs達(dá)到73個.其中,在無頜類七鰓鰻的基因組中只擁有其中的38個,表明其在脊椎動物基部類群的系統(tǒng)地位.(7)哺乳動物保守的miRNAs.哺乳動物共有的miRNAs有125個.從已知各種哺乳動物的miRNAs來看,哺乳類發(fā)生miRNAs丟失的現(xiàn)象非常少.這些新產(chǎn)生的保守miRNAs可能參與了哺乳類與其他后生動物不同的發(fā)育模式.例如,mir-134與哺乳動物腦部的發(fā)育相關(guān)(8)靈長類保守的miRNAs.靈長類動物在后生動物中屬于較年輕的演化分支,共有116個miRNAs在靈長類保守.一些保守的miRNAs存在于人和黑猩猩(Pantroglodytes)的腦部,這些腦部特有miRNAs與腦部特有基因的表達(dá)相關(guān),控制高等生物的腦部發(fā)育3神經(jīng)管表達(dá)對多種動物miRNAs的時空表達(dá)研究表明,在動物發(fā)育的過程中,一些保守的miRNAs可在不同動物類群中的同源器官中表達(dá),表明它們的功能保守.例如,mir-124在斑馬魚和小鼠的腦部和脊髓中特定表達(dá),在果蠅的腹神經(jīng)管中表達(dá);mir-1的特定表達(dá)部位是心臟和肌肉后生動物中廣泛存在let-7,其成熟序列結(jié)構(gòu)具有較高的保守性,另外其保守性還表現(xiàn)在其作用機(jī)制上.線蟲中,let-7主要調(diào)控hbl-1,lin-41,daf-12和RAS等基因果蠅mir-9a,人mir-9和小鼠mir-9的成熟序列完全相同,它在不同生物中執(zhí)行的功能也具有相似性.果蠅的mir-9a調(diào)控周圍神經(jīng)系統(tǒng)中的senseless基因,控制感覺器官前細(xì)胞(sensoryorganprecursors)的形成mir-183是一個非常保守的miRNA,在后口動物和原口動物中都存在往往越早出現(xiàn)的miRNAs,在動物的發(fā)育中所占位置更為重要,其在生物體中表達(dá)的水平和廣度都比后出現(xiàn)的高4mirna動物進(jìn)化的發(fā)育發(fā)生4.1新mirnas家族的獲得許多研究通過基因組序列比對的方法對各種后生動物存在的miRNA進(jìn)行了系統(tǒng)演化研究Wheeler等人后生動物的各演化支都可獨(dú)立獲得自身的miRNAs,但獲得新miRNAs的速率并不一致.在幾乎相同的地質(zhì)時間里,兩側(cè)對稱動物出現(xiàn),獲得了32個新miRNA家族,而刺絲胞動物僅獲得了1個;脊椎動物出現(xiàn),獲得了40個新miRNA家族,但甲殼動物、環(huán)節(jié)動物、軟體動物及棘皮動物卻僅有5~8個新miRNAs產(chǎn)生;另外,靈長類動物獲得了84個新miRNAs,而嚙齒類僅獲得了16個新miRNAs較大程度的miRNAs革新事件發(fā)生在后生動物演化的4個重要階段miRNA在動物演化中發(fā)生的重要革新事件與生物形態(tài)復(fù)雜性的出現(xiàn)密切相關(guān).人們通常采用比較基因組的方法來探討基因組的大小及含量與后生動物形體復(fù)雜性關(guān)系4.2海劍和尾索動物的基因組從各種研究來看,miRNAs發(fā)生獨(dú)立演化的例子比較少見,但是基因的次生丟失和成熟序列中的核苷酸替代確實(shí)發(fā)生,這些事件使得miRNAs之間的關(guān)系以及動物類群之間的關(guān)系變得模糊.Sperling和Peterson尾索動物海鞘、線蟲的分子進(jìn)化速率都很高,線蟲和海鞘的基因組表現(xiàn)出非常顯著的基因次生丟失線蟲中,一種miRNA只對一個或少數(shù)基因進(jìn)行調(diào)控尾索動物海鞘也丟失了大量的miRNAs.在32個兩側(cè)對稱動物保守的miRNAs中,海鞘僅保留了20個,而頭索動物文昌魚中仍存在30個;海鞘中存在的脊索動物保守的miRNAs有12個,文昌魚中僅具有4個(表2,圖1).因此,從擁有不同進(jìn)化程度的保守miRNAs來看,頭索動物文昌魚中存在著更多的古老miRNAs,而尾索動物海鞘則較文昌魚有更多的起源較晚的脊索動物保守miRNAs.與基因及基因組研究的結(jié)論一致,文昌魚可作為脊椎動物的基部類群,海鞘才是脊椎動物關(guān)系最近的原索動物5新mirnas的發(fā)生機(jī)制既然動物在演化進(jìn)程中,不論是新類群或是新物種的形成,都會產(chǎn)生一些類群特有或是種特有的新miRNAs,那么這些不斷增加的miRNA基因是如何起源的,它們來自本身基因還是外源基因,通過基因倍增還是突變?這些有關(guān)miRNAs基因家族的進(jìn)化問題得到了較多關(guān)注,目前對于新miRNAs的進(jìn)化也得到了一些研究結(jié)果,但這些研究結(jié)果仍處于假想階段,存在較大爭議.第一,新miRNAs的重生(Denovoappearance):一些全新miRNAs來自基因組中具發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA動物演化過程中發(fā)生了4次miRNAs更新事件這些大批量的新miRNAs從何處發(fā)生?Heimberg等人認(rèn)為,這些miRNAs,尤其是保守的古老起源的miRNAs,與基因組倍增事件無關(guān),它們的產(chǎn)生可能是動物祖先類群的偶然發(fā)生事件.動物的基因組中有很多序列都可形成具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA,這些不具功能且能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的RNA會形成新的miRNAs[60,66].動物中的有些miRNA基因位于編碼蛋白基因的內(nèi)含子中.Campo-Paysaa等人Tanzer和Stadler第二,基因復(fù)制事件產(chǎn)生新miRNAs.與上述Heimberg等人關(guān)于新miRNAs的產(chǎn)生觀點(diǎn)相反,一些研究認(rèn)為,新miRNAs的產(chǎn)生與新基因的產(chǎn)生類似,很大程度上與基因復(fù)制事件有關(guān)動物中,miRNAs基因成簇分布的現(xiàn)象非常普遍Tanzer和Stadler第三,基因組中存在的重復(fù)序列或轉(zhuǎn)座因子(transposableelements)可形成miRNAs基因.人類中,5%~20%的miRNAs的成熟序列或是前體序列中包含有較多的重復(fù)序列和轉(zhuǎn)座因子大多數(shù)與轉(zhuǎn)座子相關(guān)的miRNAs通常由單一的轉(zhuǎn)座子插入形成,但也有少數(shù)的miRNAs由2~3個轉(zhuǎn)座子通過嵌套插入的方式形成這些研究表明,轉(zhuǎn)錄因子和動物miRNAs之間的確存在某種聯(lián)系,可能一些重復(fù)序列可以產(chǎn)生miRNAs基因,但相關(guān)的形成機(jī)制或是途徑仍不清楚.此外,后生動物還可通過其他途徑產(chǎn)生miRNAs不斷增加miRNAs的多樣性.miRNA的互補(bǔ)序列miRNA*在特定情況下也會轉(zhuǎn)變成新的miRNAsmiRNA*通常會在代謝過程中降解,并不參與調(diào)控但后來有些miRNA*也會與某些基因位點(diǎn)結(jié)合進(jìn)行基因調(diào)控,從而產(chǎn)生新的miRNA6今后研究的建議短短十幾年的時間,人們在對miRNAs的研究中獲得了很多重要的進(jìn)展和發(fā)現(xiàn).在生物體的發(fā)育和生理過程中,miRNAs都發(fā)揮著重要功能,但很多miRNAs的功能研究還僅限于少數(shù)生物個體,并且眾多的miRNAs的功能及調(diào)控模式還不清楚.目前可知,miRNAs主導(dǎo)著生物體的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),控制著生物體的發(fā)育過程、體內(nèi)平衡和生理等各個方面的機(jī)能.目前,人們對miRNAs的認(rèn)識仍處于起步階段還有很多重要的問題有待發(fā)現(xiàn)和解決.在動物的進(jìn)化史中,每個大的進(jìn)化階段都會出現(xiàn)miRNAs的擴(kuò)張,如本文所述,兩側(cè)對稱動物較刺胞動物增加了32種miRNAs,脊椎動物較頭索和尾索動物增加了73種miRNAs,而哺乳動物的發(fā)生則總共新增了125種miRNAs.這些大批新增的miRNAs是怎樣產(chǎn)生的,如何進(jìn)行進(jìn)化?它們又是如何與新功能基因相適應(yīng)?古老起源的miRNAs與新起源的miRNAs的進(jìn)化速率是否存在差別?還有其他有關(guān)miRNAs的進(jìn)化問題都值得探討.miRNAs在生物體中的發(fā)展是一個動態(tài)的過程,新的miRNAs不斷出現(xiàn),也會不斷消失,同時體內(nèi)仍然保留著很多古老起源