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miRNA的作用机制及功能研究进展
中国科学 C辑:
生命科学2009年第39卷第1期:
109113life、scichina、109《中国科学》杂志社SCIENCE INCHINAPRESSMicroRNA作用机制的新 赵爽刘默芳 中国科学院上海生命科学院生物化学与细胞生物学所分子生物学国家重点实验室上海200031联系人 E—mail:
mfliusibs、ac。
cn收稿日期:
2008-09—04接受日期:
2008-11-28 国家重点基础发展计划批准号:
2005CB724603和国家自然科学基金批准号:
30770474资助项目摘要microRNAmiRNA是一种非蛋白质的新型基因表达调控因子对真核生物基因表达起特别重要的调控作用。
关于miRNA的及作用机制方面的是当前生命科学的前沿热点 人员陆续提出了一些假说模型诸如翻译起始抑制、翻译起始后抑制、mRNA降解、P小体ProcessingBodySGStressGranules颗粒扣押靶mRNA等来阐述miRNA 如何抑制其靶基因的表达、此外 最近还有文献报道了一些全新的miRNA作用方式如去抑制和miRNA激活作用等。
本文将简要介绍一些miRNA作用机制的新及相关作用模型、关键词 miRNA 负调控去抑制正调控P小体SG颗粒 准确的基因表达调控对生物体的生长发育和至关重要 基因表达调控异常是疾病发生的主要原因、在过去的数十年间对基因表达调控的主要集中在蛋白质转录因子介导的基因表达调控方面、 发现 它们通过激活或抑制基因转录控制基因的表达在基因组信息转化为分子效应和生物效应过程中发挥着重要的作用。
最近 在动、植物及病毒等生物中发现了一系列小分子非编码RNAsmallnoncoding RNA 包括miRNAmicroRNA siRNAsmallinterfering RNA piRNApiwi—interactingRNA和esiRNAendogenoussiRNA等 它们分别在转录水平、转录后水平及表观遗传水平等方面控制基因的表达组成了RNA调控网络调控包括细胞增殖、分化和凋亡等一系列生理进程影响生物体的生长发育 并与多种人类疾病的发生紧密相关1、这些小分子RNA的发现 揭示了真核生物一种新的基因表达调控方式、 miRNA是小分子非编码RNA家族的重要成员。
miRNA与siRNA共用生成途径和作用途径中多种蛋白质因子、但二者也有一些明显的区别如siRNA主要是由外源提供的小分子RNA通过引发靶mRNA的切割负调控靶基因的表达而miRNA是基因组编码的内源性小分子RNA通常在翻译水平负调控靶mRNA的表达。
miRNA基因由RNA聚合酶Ⅱ或/和Ⅲ转录23、动物miRNA加工成熟一般需要两个RNaseⅢ家族酶—-Drosha和Dicer参与。
最近发现AgoAr—gonaute蛋白在miRNA加工成熟中也发挥作用4、miRNA调控是通过RNA诱导基因沉默复合物RNA— inducedsilencing plexRISC完成的复合物的核心成员是Ago 家族蛋白还有一些未知、非RISC核酸酶活性必需的蛋白成分 如FXRPRNA解旋酶等 也存在于复合物中56。
通常认为 miRNA与Ago1结合组成miRNA效应器复合物miRNA-RISCmiRISC执行靶mRNA翻译抑制而siRNA与Ago2结合组成siRISC执行靶mRNA降解7。
最近有人对这种miRNA/siRNA分选模型进行了校正认为miRNA/siRNA都能够被Ago1或Ago2结合89这为miRNA介导切割提供了可行性。
过去认为Dicer生产的miRNA:
miRNA双链miRNA作为向导链被组装入miRISC互补链miRNA则被迅速降解、 但最赵爽等:
MicroRNA作用机制的新 110近发现尽管miRNA种类不如对应的miRNA丰富但它们常常以适当的生理水平存在并同样能够被Ago蛋白结合10。
miRNA主要是通过5′端被称为种子序列Seed Sequence的7nt序列与位于靶mRNA3′UTR的miRNA调控元件miRNARegulatoryElementMRE相互作用 识别靶mRNA11、 一些靶mRNA的其他特征如MRE附近富含AU序列、靶mRNA与miRNA的1316位碱基配对、MRE距离终止密码子15nt以外、不位于长3′UTR的中间、邻近共表达miRNA的识别位点等可增加miRNA的作用效率12、miRNA与靶mRNA之间的配对程度决定了miRISC抑制靶mRNA的方式:
高度配对的miRNA如大部分植物miRNA将通过类似于siRNA的作用机制导致靶mRNA切割和降解相反在动物中大部分miRNA与靶mRNA不完全配对 则估计是通过翻译抑制发挥作用。
在过去的几年间 者陆续提出了一些不同的、甚至互相矛盾的假说模型来解释miRNA如何抑制其靶基因表达、但对miRNA准确的作用机制目前还没有统一的观点、本文将简述miRNA作用机制的新及miRNA的一些新。
1 miRNA翻译起始抑制机制关于miRNA翻译起始抑制机制目前主要有3种观点:
第一种观点认为miRNA估计通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始13。
因为发现被miRNA沉默的mRNA没有或鲜有偶联完整的核糖体部分者认为miRNA估计通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始13。
这种观点被至少两个新近的证据支持:
Thermann等人14在一个体外中发现 果蝇的miR-2抑制全能性核糖体的前体—48S翻译复合物的组装该复合物添加60S亚基后即形成全能性核糖体 Chendrimada等人15发现EIF6是一种能够抑制核糖体40S和60S亚基结合、阻断80S全 能性核糖体形成的蛋白 与Ago/RISC直截了当相互作用 同时在哺乳动物和线虫中缺失EIF6影响miRNA介导基因沉默、然而RISC是否通过与EIF6相互作用诱导40S和60S核糖体解聚还有待于进一步的、第二种观点依照miRNA抑制要求靶mRNAm7G帽子的存在认为miRISC估计抑制翻译起始复合物的形成1316、这个假说最近也找到了一些新证据:
者在一个体外系统中发现增加eIF4F复合物含有m7G帽子结合蛋白、翻译起始因子eIF4E水平可回复miRNA翻译抑制17与之一致的是另一个组18发现Ago2中间结构域类似于eIF4E具有结合m7G帽子的活性推测经miRNA招募到靶mRNA3′UTR的Ago2与起始复合物eIF4E/G竞争结合m7G帽子从而抑制翻译起始复合物的形成。
此外miRNA还估计通过阻止polyA结合蛋白polyAbinding proteinPABP与mRNA结合影响翻译起始、Wakiyama等人19发现miRNA引起靶mRNA脱腺嘌呤反应deadenylation 导致mRNA的polyA尾巴缩短但mRNA的稳定性好像并不受影响 只是polyA尾巴缩短使PABP结合mRNA受阻从而影响了翻译起始、2miRNA翻译起始后抑制 尽管上述证据支持miRNA抑制翻译起始但也有发现一些被miRNA抑制的mRNA与翻译活跃性的多核糖体偶联说明有一些miRNA的抑制作用不是发生在翻译起始2021、此外Petersen等人22发现经内部核糖体进入位点Internal Ribosome En—trySiteIRES起始、不依赖于mRNA m7G帽子的翻译也能够被miRNA抑制这进一步证明miRNA抑制是发生在翻译起始之后、尽管这些证明了miRNA沉默作用确实是发生在翻译起始后、新生多肽完成前但关于miRNA究竟如何在翻译起始后发挥抑制作用目前还没有一致的结论、 者推测miRNA估计引起新生多肽链的翻译同步降解21 或者是在翻译延伸过程中miRNA引发大量的核糖体脱落及高频次的翻译提早终止产生的不完整多肽产物则被迅速降解22、3 miRNA介导mRNA衰减Wu等人23首先发现miRNA能够诱导与之不完全配对靶mRNA的衰减下调靶mRNA的水平。
这种miRNA诱导mRNA衰减的作用机制被随后的证据所支持24如在斑马鱼的早期胚胎发育中 miR-430控制母本mRNA的代谢 表明miRNA介导的mRNA衰减机制具有生理学意义25、与之一致的是Ago蛋白被发现定位于细胞中降解mRNA的RNA颗粒RNA中国科学C辑:
生命科学 2009年第39卷第1期 111granules如P小体processingbodies中这些RNA颗粒中包含常规的mRNA降解酶如脱腺嘌呤酶、脱帽酶、核酸外切酶等提示这些mRNA降解酶估计参与miRNA介导的mRNA衰减2627、此外 miRISC的核心成分-—Ago家族蛋白有多种异构体其中一些成员的内切酶活性也估计协助miRNA介导的mRNA的切割和/或衰减2428。
总之这些证据都表明 miRNA能够直截了当或间接介导靶mRNA的降解这改变了最初认为的miRNA调控仅翻译抑制作用的观点。
4RNA颗粒扣押、降解或储存靶mRNA胞浆的RNA颗粒如P小体和SGStressGran-ules颗粒在转录后水平的基因表达调控中具有重要的作用它们是细胞储存处于翻译抑制状态mRNA的场所、 在此mRNA被降解或/和释放重新进入翻译机器29、P小体含有多种mRNA衰减机器的组分 被认为是细胞的mRNA代谢场所SG颗粒特异性地在受胁迫条件下形成因此被命名为胁迫颗粒StressGranule、从组成成分看来SG颗粒更倾向于沉默mRNA翻译 而不降解mRNA。
P小体和SG颗粒常常相互并列动态关联二者含有一些相同的组分如帽子结合蛋白eIF4E和翻译抑制子rck/p54但它们的成分并不完全相同暗示估计有差别、因为发现它们与miRNA作用相关联估计是miRNA的胞内作用场所这两种RNA颗粒最近受到特别关注。
一些证据表明在miRNA存在下miRISC中的核心组分及与miRISC结合的mRNA定位于P小体和SG颗粒中262730、而且 有证据表明P小体的形成与RNA沉默相关联抑制P小体的形成将抑制miRNA介导的翻译抑制反过来抑制RISC也同样抑制P小体的形成更值得注意的是 一些证明siRNA/miRNA都能够在哺乳动物细胞和果蝇细胞中诱导P小体的形成31、 鉴于P小体和SG颗粒的内在联系能够推测P小体和SG颗粒估计执行相互联系但又不同的、推测被miRISC结合的mRNA进入P小体和SG颗粒中 即被这些RNA颗粒中的翻译抑制子剥夺了与核糖体和翻译机器结合的估计性从而使mRNA处于翻译抑制状态达到了基因沉默的目的、然而扣押的mRNA下一步命运如何尽管不少的证据支持miRNA介导靶mRNA的衰减但也发现 在特别多情况下miRNA仅降低了靶基因的蛋白水平靶基因的mRNA水平却无明显变化。
这使得我们有理由推测在靶mRNA被扣押到RNA颗粒解除翻译后估计随即会进行一个mRNA 衰减或储存的分拣步骤、P小体和SG颗粒极有估计分工执行mRNA降解和储存、在某些胁迫条件下miRISC结合的mRNA是否有估计首先被送到SG颗粒被抑制翻译和临时储存 然后在细胞估算mRNA确实已过量后再转运到富含mRNA代谢酶的P小体中进行降解事实上在miRNA存在下Ago蛋白与SG颗粒呈动态联系 SG颗粒中的酶发挥翻译沉默而不是mRNA衰减的作用30、还有发现一些诱导SG颗粒形成的胁迫作用确实减少了P小体的形成和mRNA衰减32。
但目前还不清楚miRISC偶联mRNA在胁迫条件下聚积到SG颗粒中的生理作用是什么、5 miRNA正调控和去抑制 最近的发现了一些新型的miRNA作用方式如miRNA正调控和去抑制等。
首先Vasudevan实验室33、6。
535发现miRNA不总是基因表达的负调控因子在一些条件下miRNA也上调基因表达、 他们发现在细胞周期过程中 miRNA效应在抑制作用和活化作用间摆动。
在静态细胞中G0期 miRNA活化翻译和上调基因表达 而在其他细胞循环/增殖期则接着发挥抑制作用35、miRNA激活作用与富含腺嘌呤/尿嘧啶元件AU rich element ARE相关33、 ARE是miRNA活化翻译的信号在miRNA指导下 miRISC复合物成员如AgoFXRP被招募到ARE上 激活翻译、上调基因表达34、 ARE元件是一种mRNA不稳定元件位于mRNA3′UTR严重影响其宿主mRNA的稳定性、 已发现ARE元件介导的mRNA衰减调控与miRNA介导的mRNA衰减调控有多种联系36、另外 最近发现在一些条件下miR—10a也正调控基因表达、miR—10a结合到核糖体蛋白mRNA 5′UTR促进其翻译提高核糖体蛋白合成从而刺激核糖体生成进而正调控总蛋白质的合成37。
发现miRNA的抑制作用是可逆的一些RNA结合蛋白估计在这一过程中发挥重要作用38、 在人体细胞中观察到胁迫条件下被miRNA抑制赵爽等:
MicroRNA作用机制的新 112的mRNA能够去抑制重新进入翻译机器HuR 一个ARE元件结合蛋白估计通过促进miRISC-靶mRNA复合体解离和P小体解聚去除miRNA的抑制作用39、 另一个RNA结合蛋白Dnd1在生殖系细胞中与miRNA紧密联系 它估计通过结合在mRNA的U丰富区U—richmRNAregion 屏蔽miRNA的结合位点阻止miRNA接近靶mRNA解除miR—430家族的抑制效应40。
最近 Sandberg等人41还报道了一种逃避miRNA抑制的新方式、他们发现一些在增殖细胞中表达的mRNA3′UTR保守性地缩短导致miRNA的靶位点减少 从而幸免了miRNA的负调控作用。
本实验室对miR-155与它的一个靶基因在部分乳腺癌中同时高表达的原因进行了调查发现在一个乳腺癌样本中该mRNA与miR—155种子序列配对的第8位A估计通过RNA编辑被转变成I/G导致该靶基因不再受miR-155的抑制 提示RNA编辑也估计在miRNA的去抑制中发挥作用未发表资料、 总之 这些新的miRNA调控方式改变了我们过去将miRNA等同于基因表达负调控因子的观点提示miRNA的调控作用具有多样性 估计被动态调节、这些新的miRNA作用方式扩大和加深了我们对miRNA调控作用的认识和理解、6小结和展望众多的证据表明 在不同条件下miRNA确实以不同的作用机制抑制靶基因表达、然而目前还不明白miRNA究竟是如何选择沉默的机制或通路的这估计由特定的miRNA和靶基因或特定的组织和细胞来决定的 也估计受控于不同的信号通路、同样 还有以下问题需要回答:
miRISC中其他成分和辅助因子的作用是什么miRISC结合的靶mRNA是如何分选为衰减和储存的 在胁迫条件下miRISC结合的靶mRNA聚积到SG颗粒中的生理作用是什么 胞浆中的RNA颗粒是如何形成的细胞中有多少种与miRNA沉默作用相关的RNA颗粒这些颗粒的组成成分是什么这些问题的答案将使我们更全面、更准确地了解miRNA的作用机制。
对新型小分子非编码RNA的发现及机制的将是非编码RNA领域的重要发展方向。
目前我们对miRNA的调控作用已有一定的认识但对其他几种内源小分子非编码RNA如piRNAesiRNA等的和作用机制还知之甚少、在过去的一年多本组致力于piwi—piRNA相互作用的 初步的结果表明piRNA估计通过调控组蛋白乙酰化修饰在表观遗传学水平调控基因表达同时估计参与细胞周期的调控未发表资料、 非编码RNA是后基因组时代重要的科学问题阐明小分子非编码RNA的和作用机制将有助于我们深入了解基因组的表达调控、参考文献 1 GuarnieriDJDileoneRJ、MicroRNAs:
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