About microRNA
microRNA(miRNA)是一类由内源基因编码的长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA分子,它们在动植物中参与转录后基因表达调控。动物miRNA主要是通过翻译抑制来调控基因的表达。不同的是, 植物miRNA主要是引起靶基因mRNA的降解。大多数miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇(cluster) 的形式存在于基因组中。研究表明大约70 %的哺乳动物miRNA 基因是位于TUs区( transcription units , TUs ), 且其中大部分是位于内含子区。在人基因组中已经发现1000多个microRNA, 调控超过30%的人编码基因的表达。在不同的物种中累积发现了数千个microRNA。依据生物信息学数据预测,人基因组中编码着超过25,000个microRNA,绝大部分仍然有待实验数据发现和证实。
microRNA在进化中受到很强的选择压力,其序列在多细胞生物物种之间呈现高度的保守性,表明其参与许多重要的生物学事件包括细胞增值,分化,凋亡,代谢和压力应激等。microRNA在表观遗传学和疾病发生中也有重要作用。
microRNA的发现
第一个microRNA基因,lin-4,分别由Gary和Victor于1993年研究线虫发育缺陷时发现的,它通过与靶基因lin-14mRNA3′UTR 区互补配对, 从而抑制Lin-14 蛋白质的翻译表达。这些研究在科学界并没有引起太多的重视,直到2000年Gary在线虫中发现第二个microRNA基因,let-7,并在人基因组中找到同源基因。至此,人们认识到microRNA代表了一种高度保守的基因表达调控机制。但研究microRNA的浪潮并没有因此展开,直到1年之后在Science杂志同期刊登的三篇标志性的文章分别发现在果蝇,线虫和哺乳动物细胞中存在着大量的,非编码的小RNA家族。至此,这一类新型小RNA分子有了其新的名字,microRNA,对这类分子的研究迅速扩展到整个科学界。
microRNA的生物发生机制
编码microRNA的基因,许多成簇分布在基因组中,并以多顺反子形式串联在一起转录。还有一些单独表达或者编码在蛋白表达基因中。依据其在基因组中的分布,可以将microRNA分为以下2类:
1,基因间microRNA,microRNA编码基因位于蛋白编码基因之间。
2,基因内microRNA,microRNA编码基因位于蛋白编码基因内。
研究发现这一类microRNA可以位于蛋白编码基因的内含子,外显子 ,3’UTR和 5’UTR 区。现有数据表明,人microRNA编码基因大部分位于基因间(42%)和蛋白编码基因的内含子区(44%)。显然,microRNA编码基因可以独立存在或者依托于蛋白编码基因存在,因此其转录表达机制也相应被分为两类(见图1和图2)。整个过程大致可以分为5个步骤:图示基因间microRNA的生成:基因间microRNA有独立的编码基因,主要由RNA聚合酶III转录产生。
 
1),转录产生初始microRNA(pri-miRNA): 转录microRNA。基因间microRNA主要由RNA聚合酶II或III转录产生一个初始的长转录链,称为pri-miRNAs,在完成5’端加帽和3’添加polyA尾后,可以达到几Kb长。内含子microRNA在RNA聚合酶II转录产生mRNA后,经由RNA剪切产生初始microRNA。
2),产生microRNA前体(pre-miRNA):内切酶剪切pri-miRNAs。RNA内切酶III(Drosha),以及DGCR8 /Pasha负责将pri-miRNA剪切成60至100 nts长的pre-miRNAs。含有初始miRNA的内含子被称为mirtron,其从编码蛋白的初始mRNA的内含子区剪切出来后,折叠成一个和pre-miRNAs结构非常类似的发夹结构,并随后进入miRNA加工程序。
3),将pre-miRNA从核内运输至细胞质中:这个过程主要由RanGTP和exprotin-5完成。
4),产生成熟的miRNA:内切酶剪切pre-miRNA。在细胞质中,Dicer进一步将pre-miRNA剪切成约22nt长的双链成熟miRNA。图示基因内microRNA的生成:基因内microRNA(多为内含子miRNA)经由蛋白编码基因的mRNA剪切产生,因此主要由RNA聚合酶II转录产生。
5),形成miRISC。成熟miRNA双链的结合RNA诱导沉默复合物(RNA-induced silencing complex, RISC)。成熟的miRNA双链只有一条向导链可以进入RISC复合物,另一条链则被去除。miRISC复合物中含有Dicer,TRBP,PACT和Gemin3,然而直接和miRNA结合的是Argonaute因子,其可以介导miRNA和目的mRNA的序列匹配以导致随后的翻译抑制。人Ago2因子同时还具有核酸酶活性,所以其不仅可以参与组成miRISC复合物,还与其它蛋白形成siRISC(siRNA-induced silencing complex)复合物,负责处理外源的siRNA。
microRNA的作用机制
microRNA以双链形式存在,激活时呈单链形式,并且通过miRISC复合物发生作用。miRISC复合物中的单链miRNA的5’端的第2至第8nt的序列部分与目的mRNA的靶序列部分完全匹配,miRNA的这部分序列被称为种子序列(seed site),是miRNA发挥作用的核心序列。其它序列的部分匹配有助于稳定miRNA:mRNA相互作用。其中间和3’端部分有助于形成miRISC复合物。mRNA的5’端和3’端 UTR区以及内含子区,编码区都发现有miRNA的结合位点。依据具体情况的不同,miRNA既可以抑制目的基因的翻译,也可以降解目的mRNA。
1), 完全匹配的序列的长度。匹配序列越长,越倾向于降解目的mRNA。至今发现的大部分都是部分匹配。只有种子序列的或者种子序列之外的部分匹配度不高的miRNA主要通过翻译抑制沉默基因表达。
2), 目的mRNA中miRNA识别位点的数目。数目越多,其作用机制越倾向于降解途径。
3), 识别位点的空间位阻。空间位阻决定了miRNA:mRNA序列匹配能力,因此也决定了降解和翻译抑制机制的选择。
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