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: 109 113 https://www.360docs.net/doc/9e14581460.html, https://www.360docs.net/doc/9e14581460.html, 109 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS MicroRNA作用机制研究的新

进展赵爽刘默芳中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所分子生物学国家重点实验室上海200031 联系人E-mail: https://www.360docs.net/doc/9e14581460.html, 收稿日期:

2008-09-04 接受日期: 2008-11-28 国家重点基础研究发展计划批准号: 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非常重要的调控作用. 关于miRNA的功能及作用机制方面的研究是当前生命科学研究的前沿热点研究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Processing Body SGStress Granules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作用机制研究的新进展及相关作用模型. 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

体的生长发育和功能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研究

主要集中在蛋白质转录因子介导的基因表达调控方面. 研究

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RNA small noncoding RNA 包括miRNAmicroRNA siRNA small interfering RNA piRNApiwi-interacting RNA和esiRNA endogenous siRNA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密切

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RNase Ⅲ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- induced silencing complex RISC完成的复合物的核心成员是Ago 家族蛋白还有一些功能未知、非RISC核酸酶活性必需的蛋白

成分如FXRP RNA 解旋酶等也存在于复合物中56. 通常认为miRNA与Ago1结合组成miRNA效应器复合物miRNA- RISC miRISC 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都可以被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作用机制研究的新进展 110 近研究发现虽然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可以被Ago蛋白结合10. miRNA主要是通过5′端被称为种子序列Seed Sequence的7 nt序列与位于靶mRNA 3′UTR的miRNA调控元件miRNA Regulatory Element MRE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15 nt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

配对则可能是通过翻译抑制发挥作用. 在过去的几年间研究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 作用机制研究的新进展及miRNA的一些新功能. 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可能通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始13. 因为研究发现被miRNA沉默的mRNA没有或鲜有偶联完整的核糖体部分研究者认为miRNA可能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在一个体外研究中发现果蝇的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是一种可以抑制核糖体40S和60S亚基结合、阻断80S全能性核糖体形成的蛋白与Ago/RISC直接相互作用并且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研究. 第二种观点根据miRNA 抑制要求靶mRNA m7G 帽子的存在认为miRISC 可能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: 研究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研究组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mRNA 3′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还可能通过阻止polyA结合蛋白poly A binding protein PABP 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的稳定性似乎并不受影响只是polyA 尾巴缩短使PABP结合mRNA受阻从而影响了翻译起始. 2 miRNA翻译起始后抑制虽然上述证据支持miRNA抑制翻译起始但也有研究发现一些被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-try Site IRES起始、不依赖于mRNA m7G帽子的翻译也可以被miRNA抑制这进一步证明miRNA抑制是发生在翻译起始之后. 虽然这些研究证明了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. 研究者推测miRNA可能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前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可以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111 granules 如P小体processing bodies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降解酶可能参与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可能协助miRNA介导的mRNA的切割和/或衰减2428. 总之这些证据都表明miRNA可以直接或间接介导靶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. 4 RNA颗粒扣押、降解或储存靶mRNA 胞浆的RNA 颗粒如P小体和SGStress Gran-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Stress Granule. 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颗粒常常彼此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可能有功能差别. 因为发现它们与miRNA作用相关联可能是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研究证明siRNA/miRNA都可以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颗粒的内在联系可以推测P小体和SG颗粒可能执行相互联系但又不同的功能. 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可能性从而使mRNA处于翻译抑制状态达到了基因沉默的目的. 但是扣押的mRNA 下一步命运如何尽管不少的证据支持miRNA介导靶mRNA 的衰减但也发现在很多情况下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颗粒解除翻译后可能随即会进行一个mRNA 衰减或储存的分拣步骤. P小体和SG颗粒极有可能分工执行mRNA降解和储存功能. 在某些胁迫条件下miRISC结合的mRNA是否有可能首先被送到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. 还有研究发现一些诱导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研究发现了一些新型

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/增殖期则继续发挥抑制作用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Ago FXRP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mRNA 3′UTR 严重影响其宿主mRNA的稳定性. 研究已发现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. 另外最近研究发现在一些条件下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. 研究发现miRNA的抑制作用是可逆的一些RNA 结合蛋白可能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作用机制研究的新进展 112 的mRNA可以去抑制重新进入翻译机器HuR 一个ARE元件结合蛋白可能通过促进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 紧密联系它可能通过结合在mRNA的U丰富区U-rich mRNA region 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mRNA 3′UTR保守性地缩短导致miRNA的靶位点减少从而避免了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可能通过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编辑也可能在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可能被动态调节. 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. 然而目前还不知道miRNA究竟是如何选择沉默的机制或通路的这可能由特定的miRNA和靶基因或特定的组织和细胞来决定的也可能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的发现及机制的研究将是非编码RNA研究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piRNA esiRNA等的功能和作用机制还知之甚少. 在过去的一年多本研究组致力于

piwi-piRNA相互作用的研究初步的研究结果表明piRNA可能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可能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的功能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 Guarnieri D J Dileone R J. MicroRNAs: a new class of gene regulators. Ann Med 2008 403: 197—208 2 Lee Y Kim M Han J et al. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase Ⅱ. EMBO J 2004 2320: 4051—4060 3 Borchert G M Lanier W Davidson B L. RNA polymerase Ⅲtranscribes human microRNAs. Nat Struct Mol Biol 2006 1312: 1097—1101 4 Diederichs S Haber D A. Dual role for argonautes in microRNA processing and posttranscriptional regulation of microRNA expres-sion. Cell 2007 1316: 1097—1108 5 Hutvagner G Simard M J. Argonaute proteins: key players in RNA silencing. Nat Rev Mol Cell Biol 2008 91: 22—32 6 Farazi T A Juranek S A Tuschl T. The growing catalog of small RNAs and their association with distinct Argonaute/Piwi family members. Development 2008 1357: 1201—1214 7 Okamura K Ishizuka A Siomi H et al. Distinct roles for Argonaute proteins in small RNA-directed RNA cleavage pathways. Genes Dev 2004 1814: 1655—1666 8

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