microrna研究进展

生命科学

Chinese Bulletin of Life Sciences

第17卷 第3期2005年6月

Vol. 17, No.3

Jun, 2005

microRNA 研究进展

华友佳，肖华胜*

（生物芯片上海国家工程研究中心，上海 201203）

摘　要：小分子RNA 家族中的一员——microRNA ，是一段非常短的非编码RNA 序列，对多种生物学过程起调控作用。本文试从microRNA 的结构特点、合成及作用机制和功能等方面对microRNA 的研

究进展作一个简单回顾。

关键词：microRNA(miRNA); Drosha ；Dicer ；siRNA 中图分类号：Q522 文献标识码：A

Progresses on the microRNA study

HUA You-Jia, XIAO HUa- Shang*

(National Engineering Center for Biochip at Shanghai, Shanghai 201003 , China)

Abstract: microRNA, one of the small molecular RNA family, is a very small section of non-coding RNA sequence,which can regulate several biological processes. This review tries to have a brief introduction on the progresses of microRNA study, such as the structure, the biogenesis, processing and the function Key words: microRNA （miRNA ）；Drosha ；Dicer ；siRNA

文章编号 ：1004-0374(2005)03-0000-00

收稿日期：2004-12-16；修回日期：2005-02-23

基金项目：“863”项目功能基因组和生物芯片重大专项“2002AA2Z 2002”资助

作者简介：华友佳(1981—)，男，在读博士生；肖华胜(1970—)，男，副研究员，*通讯作者。

作为Science 2002年十大科技突破的第一名——microRNA 成为生物学研究的一大焦点。它在生物的发育时序调控和疾病的发生中起到非常重要的作用。研究发现，它与siRNA 有很多相似之处，但也有很大不同。对microRNA 的研究将会对转录后基因调节领域的发展产生深远影响。1　microRNA 的概念与特征

microRNA(miRNA)是一类长度很短的非编码调控单链小分子RNA ，约20~24 nt(少数小于20 nt 的)，由一段具有发夹环结构的长度为70~80 nt 的单链RNA 前体(pre-miRNA)剪切后生成。它通过与其目标mRNA 分子的3'端非编码区域(3'-untranslated region, 3' UTR)互补匹配导致该mRNA 分子的翻译受到抑制。miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，而且绝大部分定位于基因间隔区。其转录独立于其他基因，并不翻译

成蛋白质，而是在体内代谢过程中起到多种调控作用。miRNA 在各个物种间具有高度的进化保守性，并且在茎部的保守性更强；但在环部可以容许更多的突变位点存在。

最早发现的miR NA 是在线虫中的let -7[1]和lin-4 [2]。运用多种实验方法以及生物信息学方法，已经找到了数百种miRNA(表1)。

许多miRNA 在表达上具有阶段性和组织特异性[3]，例如在拟南芥中，miR-157在幼苗中高表达,miR-171则在花中高表达[4]。这种特异性对miRNA 调控功能的作用有重要意义。

表1　模式生物的miRNA 种类数

模式生物人 小鼠 大鼠 果蝇线虫 拟南芥miRNA

207

214

186

78

116

111

2生命科学第17卷

2　miRNA 的合成和作用机制

图1所示的是miRNA 合成及作用通路(并附siRNA 的通路以作比较)。在细胞核内编码miRNA 的基因转录成pri-microRNA(pri-miRNA)。pri-miRNA 在一种Drosha RNase [5]的作用下，剪切为约70个核苷酸长度，具有茎环结构的m i R N A 前体(p r e -miRNA)。pre-miRNA 在Ran-GTP 依赖的核质/细胞质转运蛋白Exportin 5的作用下，从核内运输到胞质中[6]。在Dicer 酶(双链RNA 专一性RNA 内切酶)[7]

的作用下，miRNA 前体被剪切成21~25个核苷酸长度的双链miRNA [8]。起初，成熟miRNA 与其互

补序列互相结合成所谓miRNA:miRNA* 双螺旋结构(miRNA*是miRNA 的互补序列)[9~11]; 随后，双螺旋解旋，其中一条结合到RNA 诱导的基因沉默复合物(RNA-induced silencing complex ，RISC)中，形成非对称RISC 复合物(asymmetric RISC assembly)[12~13]。该复合物会结合到目标靶mRNA 上，在大多数情况下(例如在动物中)，复合物中的单链miRNA 与靶mRNA 的3' UTR 不完全互补配对，从而阻断该基因的翻译过程。该翻译抑制的详细机理尚不清楚。

Drosha 酶介导从pri-miRNA 到~70 nt pre-miRNA 的剪切过程[5,14]，该过程发生在核内。Drosha 和Dicer 酶均为RNaseIII 家族的成员。RNaseIII 是双链RNA 特异性核酸内切酶，其家族共分三类(图2): 第一类含一个保守的RNaseIII 域和一个与之相邻的双链RNA 结合区域(dsRNA-binding domain ，dsRBD);第二类包括D r os ha 及其同源物，含相继的两个RNase-III 域和一个dsRBD ，以及一段未知功能的氨基末端延伸区域；第三类是D i c e r 及其同源物。Drosha 的剪切位点位于每个茎环结构两侧的茎部，且通常相互错开两个核苷酸(图3)。研究表明，

Drosha 剪切位点的上游~20 nt 和下游25 nt 对Drosha 的剪切起到关键作用[5]，而茎环结构内部的环或突起的改变并不会对剪切过程产生重大影响。减少末端环的长度、破坏茎部的互补配对以及剪切位点所在序列的缺失或突变都会显著减弱Drosha 对pri-miRNA 的剪切效率。

Dicer 酶介导从 ~ 70 nt pre-miRNA 到 ~ 22 nt 成熟mi R N

A

的剪切过程。它含一个假定的螺旋酶

图1　miRNA 合成机制及功能示意图

图3　pre-miRNA 结构模式示意图(标注Drosha

酶作用位点

)

图2　RNaseIII 家族结构模式图

3

第3期

华友佳，等：micro RNA 研究进展

(Helicase)区域、一个DUF283域、一个PAZ(Piwi-Argonaute–Zwille)域、相继的两个RNaseIII 域(RIII a 和RIII b)和一个dsRBD [7](图4)。与其他RNase III 家族的酶相比，Dicer 多了PAZ 域，这个区域对它的功能至关重要[15~17]。Dicer 酶的PAZ 域可识别Dr os ha 剪切产物的末端，并将第二个RNa seIII

(RNaseIII b)定位在miRNA 前体的茎部[18]。Dicer 家族中那些PAZ 域缺失的成员不会介导miRNA 的成熟过程，但是依然具有剪切酶的活性，这点类似于Drosha 酶。在Dicer 的作用过程中，对于双链有效的剪切需要二聚化的RNaseIII 域。这是由于依据已知的RNase III 结构，功能催化位点仅在RNaseIII 二聚体的交界处形成。这就可以理解为何Drosha 家族和Dicer 家族的两个RNaseIII 域均在空间上前后紧密相邻。由于Dicer 包含与Drosha 相似的结构，因此也可以部分替代后者的功能[5]，但效率较低。

有趣的是，在细胞核内也观测到Dic er 的存在，但它不参与miRNA 通路。Drosha 剪切产生的pre-miRNA 必须由转运蛋白Exportin-5转移至核外，再由那里的Dicer 继续剪切过程。这说明Dicer 对miRNA 通路的作用依赖于细胞质环境，但其机制尚不清楚。

在miRNA:miRNA* 双螺旋中，只有其中一条单链可以选择性结合到R I S C 上去而成为成熟miRNA ，随后另一条立即被降解。尽管从理论上来说，成熟miRNA 的产生是随机选择的结果，但由于两条链的稳定性有所不同，导致机会的不等。

图5是miRNA:miRNA* 双螺旋的结构，两条链的3'端均有2个游离核苷酸(2-nuc leot ide 3'overhangs)。此外，它的两条链是不完全配对的：miRNA 链上靠近5'端有一个不与miRNA*链相应位置配对的小突起。这个小突起显著地减弱了miRNA 链5'端的稳定性。由于成熟miRNA 的产生总是趋向于选择更不稳定的5'端[12~13]，因此，miRNA 链

被选中的机会要大大多于miRNA*链(大约100倍)。结果往往是双链解开后miRNA 链结合到RISC 中以

作靶识别，而miRNA*链则迅速被降解。这样极度不对称的选择性的好处是，不会因为miRNA*链结合到RISC 中的比例过多而显著降低microRNA 对翻译的抑制效率。另外，成熟miRNA 5'端的8~10 nt 在与靶mRNA 的结合中比后12~14 nt 更为重要，这可能与5'端的小突起有关。反之，在极少的情况下，miRNA ∶miRNA* 双螺旋的两条链具有相似的稳定性，其分别结合到RISC 上的概率也相似，这已经为实验所证实[12]。同样地，如果改变siRNA 双链的结构，使两条链的稳定性有差异，则5′端更不稳定的那条链将更有可能结合到R I S C 上去[12~13]。

3　miRNA 功能意义

在植物中，大多数的miRNA 介导其靶mRNA 的降解。例如，最近发现的mir-196即介导其靶基因Hoxb8的mRNA 剪切[19]。植物中的miRNA 与相应的靶mRNA 近似完全配对，并且互补区域散布在靶mRNA 的转录区域内而非仅仅局限在3' UTR ，使得miRNA 会结合到包括编码区域在内的多个位点上去，从而直接降解mRNA 而非抑制其翻译。图1虚线箭头所示的即为这一功能。唯一例外的是mir-172，它在拟南芥的花朵发育中介导翻译抑制。与动物miRNA 不同的是，mir-172的互补位点与其靶基因APETALA 2(AP2)的互补位点落在编码区域而非3' UTR [20]。可以发现，植物中的miRNA 功能与siRNA 的功能非常相似。

在动物中，针对数种模式生物(人、小鼠、果蝇、线虫)的miRNA 所做的研究已经非常深入。最早发现的miRNA 基因是线虫中的lin-4，它编码一段22 nt 长度的RNA 片段，调控其靶基因lin-14[21~22]和lin-28[23]的表达，对线虫幼虫发育起重要的调节作用。第二个发现的是let-7，调控其靶基因lin-41[1,24]和hbl-1[25~26]的表达。在小鼠中的组织特异性筛选揭示了大约20种脑部特异性miRNA ，其中mir -124是含量最丰富的脑部特异性miRNA [27~28]。在果蝇中，mir-14抑制细胞死亡并参与脂肪代谢[29]。一些脑部特异性miRNA 在类维生素A 酸诱导的胚胎肿瘤细胞神经系统分化中处于上游调控的位置。在线虫中，lsy-6介导化学感受器左/右不对称表达[30]。此外，还猜测miRNA 在突触连接过程中起作用，例如在记忆形成过程中保证输入特异性的假想机制[31]。

图4　Dicer 域结构模式图(

线虫

DCR-1)

图5　miRNA ∶miRNA* 双螺旋

结构示意图

4生命科学第17卷

一些m i R N A所处的位点很特殊，例如mir-175的基因编码序列就位于与Waisman综合症相关的基因组区域[32]，Waisman综合症是早期肇端帕金森病以及X染色体偶联智力缺陷的一种形式。

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