microRNA 的转录后调节
MiRNA与转录后调控

976
Cell,2005
计算机预测各种生物中miRNA靶基因的数目
Summary of major programs for the identification of animal miRNA targets
Name
Species
Number of target Ref.
TargetScan, TargetScanS Vertebrates
2,000 5,651 4,824 25,500 18,424 13,600 24,500
RNA的分类
Coding RNA
mRNA中的编码区(ORF)
Non-coding RNA (ncRNA)
除ORF以外的所有RNA品种和片段
ncRNA的数量
反转座子基因占基因组的45% 可变剪接占多外显子基因的41-60% 反向转录的占基因总数的10-20%
2003年,发现pre-rRNA(核糖体RNA)的形成过程中的一类RNase III类核酸酶Drosha负责 pri-miRNAs的加工。
2003年,发现pre-miRNA的出核运输依赖于Exportin-5。
2004年,发现pri-miRNAs末端有poly(A)尾;注入alpha amanitin(蝇蕈素)使人类细胞的pri-miRNAs水平剧减。提示miRNAs 基因由RNA polymerase II转录。
(I) MicroRNA 简介
(1)长度为21nt左右核苷酸的内源性单链小分子RNA;(2)存在65nt左右 的发夹结构前体;(3)基因座位在蛋白质基因间隔区;(4)其DNA序列在近 源物种间高度保守。
miRNA具有十分重要的调控功能,它们主要参与基因转录后水平的调控 。 能够通过与靶mRNA特异性的碱基配对引起靶mRNA的降解(植物中较为常见) 或者抑制其翻译(动物中较为常见),从而影响了靶mRNA的表达。
miRNA简介

miRNA简介Micro RNA简介1.关于microRNAmicroRNAs (简称miRNA)是⼀类进化上⾼度守的⼩分⼦⾮编码RNA,长度⼤约22nt左右,具有转录后调控基因表达的功能。
第⼀个microRNA 于1993 年被发现。
2000年之后,关于miRNA 的研究取得了很⼤进展,⽬前已经有1000多个⼈类被发现,这些miRNA调控⾄少 30% 以上的基因表达,参与多种⽣理病理过程。
编码miRNA的基因可能位于功能基因编码区、⾮编码区,可能成簇表达或独⽴表达。
在细胞核内,基因组DNA 转录⽣成较长的pri-pre-microRNA,之后被Drosha酶切割pri-pre-miRNA 成形成长度⼤约70-100 碱基的、具发夹结构的pre- microRNA。
这些发夹结构的RNA 被核输出蛋⽩exportin5转运到细胞质,在呗胞浆中的Dicer 酶切割形成19-23nt ⼤⼩的成熟的miRNAs 产物。
成熟的单链miRNAs 与⼀系列蛋⽩形成miRNA诱导的沉默复合物(miRISC),结合于靶mRNA的3ˊ-UTR区,阻⽌所结合的mRNA 的翻译或直接降解靶miRNA。
每个miRNA可以调控多个(甚⾄上百个)靶基因,⽽特定靶miRNA也可以同时被多个miRNAs调节。
成熟的miRNA具有如下特点:(1)通常的长度为20~24 nt , 但在3′端可以有1~2 个碱基的长度变化;(2)5′端有⼀磷酸基团, 3′端为羟基, 这⼀特点使它与⼤多数寡核苷酸和功能RNA 的降解⽚段区别开来;(3)具有⾼度保守性、时序性和组织特异性。
序列(特别是种⼦序列)⾼度同源的miRNA被归为⼀个miRNA家族,但这些miRNA并不⼀定是成簇表达的。
例如miR-34 家族3个成员miR-34a、b、c,其中,miR-34a位于1号染⾊体1p36基因座位,单独表达;⽽miR-34b和-34c位于11号染⾊体11q23基因座位,成簇表达(图1),但它们都具有相同的种⼦序列(图1),并且都受到转录因⼦TP53的调控。
MicroRNA—125 的生理功能及其在疾病中的作用

MicroRNA—125 的生理功能及其在疾病中的作用MicroRNAs(miRNAs)是一类小的非编码RNA分子,其可以在转录后水平调节基因表达。
miR-125是在不同种属生物中高度保守的miRNA。
miR-125家族的成员已经被证实能够在多种不同类型的疾病中表达改变,并调控疾病的发生。
此外,miR-125在免疫宿主防御,尤其是在对细菌或病毒的感染中起到至关重要的作用。
本文着重总结了miR-125家族的生理功能以及其在肿瘤以及免疫系统疾病、造血系统恶性疾病、心血管疾病中的作用,也讨论了miRNA家族在未来作为生物标志物和治疗靶点的发展前景。
[Abstract] MicroRNAs (miRNAs)are emerging as small non-coding RNA molecules that regulate gene expression at a post-transcriptional level. miR-125 is a highly conserved miRNA throughout diverse species. Members of miR-125 family have been validated to be changed,exhibiting its different roles in many different types of diseases. Furthermore,miR-125 plays a crucial role in immunological host defense,especially in response to bacterial or viral infections. In this review,summarizes the pathophysiological functions of miR-125 family in various diseases,focusing on carcinoma and host immune responses,malignant diseases in hematopoietic system,cardiovascular diseases and so on,also discuss the potential of miRNA family as promising biomarkers and therapeutic targets for different diseases in future.[Key words] miR-125;Carcinoma;Autoimmune disease;Malignant diseases in hematopoietic system;Cardiovascular diseaseMicroRNAs(miRNAs)是一类18~25 nt长度的小分子非编码单链RNA,miRNAs通过不完全或完全结合到靶基因mRNA的3′非翻译区(3′UTR),从而降解靶基因mRNA或抑制其翻译,实现对靶基因表达水平的转录后调控,从而参与调控个体发育、细胞代谢、增殖、分化和凋亡等多种生物学过程[1-3]。
microRNA反转和定量引物设计

microRNA反转和定量引物设计microRNA(miRNA)是一类长度约为18-25个核苷酸的小分子非编码RNA,它们能够通过与靶向mRNA配对而引起转录后基因沉默、翻译后调控等作用。
miRNA在生物体内广泛存在,对于肿瘤发生和发展、免疫应答、细胞分化等生物学过程起着重要作用。
首先,让我们来了解一下miRNA反转的原理。
miRNA反转是将miRNA通过逆转录酶酶(Reverse Transcriptase)转录成DNA的过程。
反转录过程中需要两个基本核酸片段:miRNA的反向亚基(RT primer)和反转录引物(RT primer)。
RT基质是由具有未匹配的末端,可以与miRNA互补配对的引物分子。
反转录过程通过与RT引物的匹配,引发RNA链延长的启动,使得miRNA转录成DNA。
这个反应需要RNA酶H(RNase H)的参与来降解RNA模板。
最终通过PCR扩增获得足够的DNA产物用于后续实验。
然后,我们来了解一下miRNA定量引物设计的步骤。
miRNA定量引物设计主要包括两个部分:上游引物和下游引物。
上游引物被设计成能够特异性结合到miRNA的3’端,而下游引物结合到miRNA的5’端。
这样,当PCR扩增时,上下游引物与miRNA的结合使得DNA在目标区域扩增。
设计定量引物需要考虑以下几个因素:1.引物的长度:通常上游引物长度为19-25个核苷酸,下游引物长度为18-22个核苷酸。
引物长度的选择应遵循引物结合的特异性和扩增效率。
2. 引物的Tm值:Tm值是引物与模板的熔解温度。
建议设计上游引物和下游引物的Tm值在55-65℃之间,以提高引物与miRNA的结合特异性。
3. 引物的序列特异性:为了确保引物能够特异性地结合于目标miRNA,应尽量避免引物与其他miRNA或基因组的序列匹配。
4. 引物的其他特性:引物的GC含量、自身二聚体形成和hairpin结构等也需要考虑。
在设计引物时,可以借助一些在线工具和软件,如Primer3、miRprimer和OligoAnalyzer等,这些工具可以帮助用户进行引物设计和评估引物的特性、特异性和二聚体形成等。
miRNA调控机制及其生物学意义

miRNA调控机制及其生物学意义miRNA(MicroRNA),又称微RNA,是一种长度为18-25个核苷酸的非编码RNA分子。
它们主要通过靶向在翻译前或翻译后调节蛋白质的表达。
miRNA基因是由RNA聚合酶Ⅱ转录出的pri-miRNA,初级转录物在细胞核中被切割为70-100个核苷酸的预miRNA,内质网起泡体中再被Dicer酶切割为2链miRNA。
miRNA是典型的post-transcriptional调节因子。
通过精准的“信息检索”机制靶向调节基因表达,影响了生物的多种生理和病理过程。
miRNA为细胞调控提供了新的机制,生物进化中也扮演着越来越重要的角色。
miRNA调节的生物学意义主要体现在以下几个方面:1. 疾病诊断和治疗miRNA与疾病的发生、发展密切相关。
例如,在某些肿瘤中,miRNA失调导致了肿瘤的高度增殖、侵犯和转移。
因此,研究清楚miRNA调控的靶点和机制,对于诊断和治疗临床相关疾病有着积极的作用。
2. 基因表达调控miRNA调节基因表达,并能通过调节基因表达控制多个细胞及生物过程,如细胞增殖、分化、凋亡等。
研究miRNA的特异性靶向调控机制,有助于揭示基因表达的调控网络。
3. 生物进化调控miRNA作为一种越来越重要的调节因子,在生物进化中发挥着重要的作用。
通过在调控基因表达和进化中发挥的作用,miRNA使得生物特征逐渐发生改变,有助于物种适应环境变化。
在人类免疫系统中,miRNA也扮演着重要的角色。
miRNA与T细胞、B细胞以及其他重要的细胞类型是密切相关的。
比如miR-155,是一种在免疫细胞中高表达的miRNA,在细胞分化和功能上具有显著的调控作用。
当人类体内的免疫细胞受到内外部刺激时,它的表达能够迅速上调,发挥免疫调节作用。
研究表明,miRNA与免疫系统的关联在炎症、自身免疫疾病、病原体感染、肿瘤等多种重要临床应用领域中有广泛的应用前景。
总之,miRNA作为一种重要的非编码RNA调控因子,在碧波荡漾的生物深潭中发挥着举足轻重的作用。
MicroRNA在植物药用天然活性物质代谢途径中的调控作用

刘天怡ꎬ金朝霞.MicroRNA在植物药用天然活性物质代谢途径中的调控作用[J].江苏农业科学ꎬ2019ꎬ47(16):34-38.doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2019.16.008MicroRNA在植物药用天然活性物质代谢途径中的调控作用刘天怡ꎬ金朝霞(大连工业大学生物工程学院ꎬ辽宁大连116034)㊀㊀摘要:植物体中含有丰富的具有生理活性的化合物ꎬ其代谢过程错综复杂且受多元调控ꎮMicroRNA(miRNA)是约23nt大小的非编码RNA分子ꎬ属于参与基因调控的反式作用因子ꎮ在植物中ꎬmiRNA主要通过与靶基因的特异性结合来对其进行转录后水平的调控ꎮ近年来ꎬ关于植物miRNA的研究发展得非常迅速ꎮ越来越多的研究表明ꎬmiRNA几乎参与调控了植物各个生长阶段的生理过程ꎮ药用天然活性物质主要来源于相关植物的次生代谢ꎮmiRNA主要通过靶向作用植物细胞次生代谢途径上的酶及转录因子ꎬ或者通过影响植物激素的信号转导来调控次生代谢产物化学成分的合成ꎮ本文介绍了miRNA的生物合成㊁作用机制和生理功能ꎬ以及与植物化学相关的次生代谢的常见途径ꎬ主要综述了近年来国内外对miRNA在一些具有药用活性的植物天然化学产物合成过程中的调控作用的研究进展ꎬ并且展望了未来对药用植物中miRNA的研究方向ꎮ㊀㊀关键词:miRNAꎻ药用植物ꎻ次生代谢ꎻ植物化学ꎻ活性物质㊀㊀中图分类号:Q946.8ꎻQ943.2㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1002-1302(2019)16-0034-05收稿日期:2019-06-10基金项目:国家自然科学基金(编号:31670604㊁31570303)ꎻ辽宁省自然科学基金(编号2015020659)ꎮ作者简介:刘天怡(1993 )ꎬ女ꎬ辽宁鞍山人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为代谢调控与合成生物学ꎮE-mail:liu_tianyee@sina.comꎮ通信作者:金朝霞ꎬ副教授ꎬ主要从事天然活性物质与次生代谢调控研究ꎮE-mail:jinzx2018@163.comꎮ1 概述1.1㊀MicroRNA简介MicroRNA(miRNA)是一类由21~24个核苷酸所组成的单链非编码RNA分子ꎬ由真核生物内源产生ꎬ通过RNA聚合酶Ⅱ转录之后演变为对应的茎环结构ꎬ随后进行相应的剪切加工处理ꎬ进而获得成熟状态的miRNAꎮ其主要功能是在转录后水平通过翻译抑制㊁靶标mRNA切割和表观遗传学修饰等方式下调基因表达[1-2]ꎮ1993年ꎬLee等在秀丽新杆小线虫(Caenorhabditiselegan)中鉴定出第1条miRNA分子lin-4[3]ꎻ2000年ꎬReinhart等在线虫中鉴定出第2条miRNA分子let-7[4]ꎮ2002年ꎬReinhat实验室在拟南芥中鉴定出16条miRNA分子[5]ꎬ从此ꎬ科学家们开始了关于植物中的miRNA的研究ꎮ迄今为止ꎬ越来越多的研究表明ꎬmiRNA是很多植物中最重要的基因表达调控元件之一ꎬ参与调控几乎所有的植物生理代谢过程ꎬ例如干细胞的维持和分化㊁器官发育㊁信号转导㊁调控次生代谢ꎬ并参与响应非生物胁迫及再生的过程[6]ꎮ1.2㊀miRNA的作用机制1.2.1㊀植物miRNA合成㊀植物miRNA的合成实际上是MIRNA基因表达的过程ꎬ关系到转录㊁转录后剪切加工以及与AGO蛋白结合生成RISC复合体等步骤ꎮ植物的初级miRNA(pri-miRNA)主要由MIRNA基因通过RNA聚合酶Ⅱ转录而来ꎮ大多数保守的MIRNA基因的启动子结构与编码蛋白质的基因启动子很相似ꎬ具备TATA框及转录因子结合位点ꎬ所以miRNA的生物合成与蛋白质的翻译也会受到相关转录因子的影响[7]ꎮ转录因子是真核生物中可以和一些特定基因的启动子区域的顺式元件产生特异性相互作用的DNA结合蛋白ꎬ这些蛋白依靠特异性相互作用而激活或是抑制相关基因的转录ꎬ进一步调控下游基因的表达ꎮ例如拟南芥转录因子TCP(TEOSINTEBRANCHED/CYCLOIDEA/PCF)家族ꎮ最早的研究发现与cycloidea(CYC)和teosintebranched1(TB1)蛋白基因编码相似的蛋白ꎬ都可以演变为非典型的螺旋-环-螺旋[non-canonialbasic-Helix-Loop-Helix(bHLH)][8]ꎬ在水稻PCFDNA结合蛋白中也发现这种bHLH结构的存在[9]ꎮ将含有这种保守结构域的转录因子定义为TCP转录因子家族ꎮ拟南芥基因组编码了24个TCP转录因子ꎮ其中TCP3能直接结合到miR164a的启动子ꎬ激活其表达[10]ꎮ随后ꎬ在Dicer酶DCL1配合SE蛋白和HYL1蛋白的共同作用影响下ꎬ剪切植物的初级RNA演变为miRNA的前体物质pre-miRNA[1ꎬ11]ꎮDicer酶是一种特殊的双链RNA专一性内切酶ꎬ针对特定的双链或茎环结构进行切割处理ꎬ进而获得长度为21nt或22nt的双链切割产物[12]ꎮ自N末端开始ꎬDicer酶依次由RNA解旋酶结构㊁PAZ结构域㊁2个RNA降解催化区等多个结构构成[13]ꎮ拟南芥中ꎬ已被发现的Dicer酶有4种ꎬ分别是DCL1㊁DCL2㊁DCL3㊁DCL4ꎬ用来加工花器官及叶片中的miRNA[14]ꎮ随后在pre-miRNA上进行第2次剪切操作ꎬ从而获得对应的双链miRNA-miRNA∗[15]ꎻ这一双链在HEN1(miRNA43 江苏农业科学㊀2019年第47卷第16期甲基转移酶)的作用下ꎬ3ᶄ端末尾的核苷酸发生甲基化[16]ꎻ甲基化之后ꎬ在HASTY蛋白的作用之下ꎬ将其自细胞核转运至细胞质[17]ꎻ最后ꎬ双链裂解演变为2个单链ꎬ已经接近成熟的miRNA和靶基因之间进行整合ꎬ在AGO(Argonaute)蛋白的作用下ꎬ加入到RNA沉默复合体(RISC)的组装环节中ꎬ另外一个互补链(miRNA∗)则大部分被降解ꎬ其中仅有较少的具备相关功能的部分被保存下来[18]ꎮAGO蛋白是一类庞大的蛋白质家族ꎬ是RISCs复合物的主要成员ꎬ其序列高度保守ꎬ是转录因子EIF2C的同源物[19]ꎮAGO蛋白主要包含2个结构域:PAZ结构域和PIWI结构域ꎮ研究表明ꎬPAZ结构域结合到siRNA的3ᶄ的二核苷酸突出端ꎻ一些AGO蛋白的PIWI结构域赋予slicer以内切酶的活性ꎮ这2个结构域对于siRNA和目标mRNA相互作用ꎬ从而导致目标mRNA的切割或翻译抑制过程是必不可少的ꎮmiRNA和转录因子一样ꎬ都属于参与基因表达调控的反式作用因子ꎬ通过与DNA结合来调节真核基因的转录ꎮmiRNA与转录因子一样ꎬ具有基因表达调控的时空特异性ꎬ通过激活和阻遏特定基因的表达来决定细胞分化的方向ꎮmiRNA的靶基因大多是转录因子基因ꎬ主要调控转录因子的表达ꎬ并且受转录因子的负调控ꎬ同时1个miRNA可有多个靶基因ꎬ例如拟南芥miR156及其靶基因SPL家族ꎮ1.2.2㊀植物miRNA的作用机制㊀在植物中ꎬmiRNA-RISC对靶基因mRNA的作用主要通过与靶基因完全互补结合ꎬ切断靶基因的mRNA分子ꎬ作用的方式和功能与siRNA(smallinterferingRNA)十分相似ꎮ在miRNA的切割环节内ꎬ5ᶄ端的2~8位残基作为和靶mRNA存在互补效应的特殊元件ꎬ切割位点是miRNA第10~第11位所对应的靶mRNA的ORF区[20-21]ꎮmiRNA的另一种作用方式为抑制靶基因的翻译ꎮ发生这种作用时ꎬmiRNA与靶基因不完全结合ꎬ依靠调整靶mRNA中核糖体的数量或特异性地降解多肽进一步约束mRNA的翻译[22]ꎮ这种作用方式在植物中较为少见ꎮ但是互补程度与作用机制的关系并不绝对ꎮ例如拟南芥miR172与转录因子APETALA2的ORF序列完全互补ꎬ但却是通过翻译抑制来调节其表达的[23]ꎬ甚至切割和抑制2种模式大多是彼此协同而进行调控的[24]ꎮ此外ꎬmiRNA也可通过其他的模式来调控ꎬ例如通过与其他RNA竞争结合蛋白来实现靶基因的表达沉默[25]ꎮ1.3㊀植物次生代谢与植物天然活性物质的简介㊀㊀植物次生代谢是相对于植物的初生代谢而言的ꎬ即植物利用初生代谢产物ꎬ在一系列酶的催化作用下ꎬ通过进一步合成或分解代谢ꎬ产生诸如生物碱㊁黄酮类㊁挥发油等物质ꎮ此类代谢的基础定义最初源自于Kossel在1891年的分析ꎬ随着研究的不断深入ꎬ人们发现ꎬ此类产物尽管并非细胞活动的必备物质ꎬ但其在植物与生态环境的关系中充当了重要的角色ꎬ赋予植物环境适应性和防御等能力[26]ꎮ同时ꎬ次生代谢产物具有较大的应用性ꎬ很多传统中草药的有效成分主要是植物的次生代谢产物ꎮ例如生物碱有着抗菌㊁消炎以及抗癌等多方面的功能[27]ꎻ黄酮类在抗菌㊁消炎以及抗艾滋病等方面有着显著的效果[28]ꎻ植物酚酸类在清除氧自由基等方面有着良好的表现ꎬ进而可以优化循环和恢复控制损伤以及硬化等问题[29]ꎮ此类药用植物的天然次级代谢活性物质对人类医学的发展有着重要的意义ꎮ㊀㊀植物体内天然活性物质的次生代谢合成途径核心为:依靠甲羟基戊酸等方式来获得所需求的萜类物质ꎻ依靠醋酸-丙二酸等方式来获得脂肪酸类以及酚类等相关的物质ꎻ依靠氨基酸等方式来获得生物碱类ꎻ依靠桂皮酸等方式来获得苯丙素类及黄酮类化合物等等[30]ꎮ这些代谢途径因为次生代谢产物具有多样性ꎬ其合成途径也极为复杂并且易受外界影响ꎬ所以次生代谢的过程具有复杂的调节机制ꎬ研究人员可依靠针对次生代谢合成的有效控制ꎬ从而调整此类代谢物的实际产出规模ꎮ大量研究表明ꎬ植物miRNA的调控功能涉及到植物几乎所有的代谢过程ꎬ例如参与植物的生长阶段转变㊁器官形态的建成㊁对环境胁迫的应答和相关的次生代谢效应ꎮ次生代谢使植物在长时间的进化过程中ꎬ对于生态环境产生适应性效果ꎬ在植物与生态环境之间的关系中发挥了显著的影响作用ꎮ很多植物在面临病原以及恶劣的环境威胁的情况下ꎬ会生成并且同时积累大量的次生代谢产物ꎬ以此来获得更具有适应性的免疫力以及抵抗力ꎮ而且相关的代谢途径涉及到许多转录因子㊁植物激素以及酶的调控ꎮ近些年关于该领域的众多试验结果表明ꎬmiRNA可通过靶向作用植物次生代谢途径中的转录因子或关键酶的基因来调控植物次生代谢产物的合成过程ꎮ本文将结合miRNA的合成调控及其生物学功能ꎬ主要介绍目前已报道的部分植物miRNA在植物次生代谢合成调控过程中的作用ꎮ2㊀植物miRNA参与调控植物次生代谢产物的生物合成2.1㊀miRNA对拟南芥次生代谢途径的调控作用㊀㊀研究表明ꎬ模式植物拟南芥中主要存在着以下几类miRNA所介导的天然活性化合物的代谢合成调控现象ꎬ它们有些直接作用于靶向合成酶基因及转录因子ꎬ有些则通过间接调控植物激素合成及其信号传导来介导次生代谢的途径ꎮ花青素(anthocyanidins)是自然界中一类广泛存在于植物体内的水溶性天然色素ꎬ具有向顶性ꎬ通常在植物的叶子和茎中积累ꎬ能够反映光照量及营养水平ꎮ花青素和黄酮醇都是酚类化合物ꎬ由苯丙氨酸通过苯丙烷素类合成途径合成而来ꎮ二氢黄酮醇是两者的共同中间前体物质ꎮ二氢黄酮醇由黄酮醇合成酶催化生成黄酮醇ꎻ由二羟黄酮醇4-还原酶催化则生成花青素ꎮ拟南芥中ꎬ花青素的积累受miR156及其靶基因SPL9的负调控ꎮ在miR156活性高的情况下ꎬ花器官以及茎的连接位置存在较多的花青素ꎻmiR156活性低的情况下ꎬ其中的花青素会急剧减少ꎬ黄酮醇则高水平积累ꎮ试验证实ꎬ转录因子SPL9依靠和TT8(TransparentTesta8)竞争结合PAP1(productionofanthocyaninpigment1)从而限制MYB-BHLH-WD40转录复合体的演变ꎬ进一步控制花青素合成基因DRF(dihydroflavonolrefuctase)的表达ꎬ负调控花青素的合成[31]ꎮ拟南芥中另一保守的miRNA-miR828靶向作用TAS4(transactingsiRNAgene4)和MYB113ꎮ源自TAS4的ta-siRNA的靶向PAP1㊁PAP2㊁MYB113蛋白均属于MYB转录的基础构成之一ꎬ加入到控制黄酮类等产物的合成过程中[32]ꎮmiRNA通过直接作用于靶向合成酶基因及转录因子来调控拟南芥中花青素以及黄酮醇的积累ꎮ53江苏农业科学㊀2019年第47卷第16期拟南芥miR163是新近进化的miRNAꎬ在拟南芥中表达量很高ꎮmiR163靶向参与次生代谢途径的甲基转移酶SABATH家族蛋白基因的表达调控ꎬ包括水杨酸羧基甲基转移酶(salicylicacidcarboxylmethyltransferasesꎬSAMT)㊁苯甲酸羧基甲基转移酶(benzoicacidcarboxylmethyltransferasesꎬBAMT)和可可碱合酶(theobrominesynthase)㊁麝油酸甲基转移酶(farnesoicacidO-methyltransferaseꎬFAM)[20ꎬ33]ꎮ麝油酸甲基转移酶也是miR163的靶标ꎬ它能把麝油酸(FA)转化为甲基麝油酸(MeFA)ꎮ植物中的甲基麝油酸能干扰昆虫的生长发育ꎬ是重要的次生代谢产物之一[34]ꎮ茉莉酸类物质(jasmonatesꎬJAs)是茉莉酸(jasmonicacidꎬJA)㊁挥发性衍生物的茉莉酸甲酯(methyl-jasmonateꎬMeJA)以及氨基酸衍生物的总称ꎬ是高等植物中较为常见的植物激素之一ꎮ拟南芥miR319靶向作用转录因子TCP的mRNAꎬTCP依靠控制JA合成环节中的重要酶基因LOX2从而限制JA的合成ꎮ植物中miR319的表达水平越高ꎬ转录因子TCP的数量也相对较小ꎬ从而限制相关茉莉酸的具体合成量ꎬ减缓植物存在的衰老问题[35]ꎮ茉莉酸通过激活或抑制相应转录因子的活性进而调控与植物次生代谢相关的关键酶基因的表达或者活性ꎬ从而对次级代谢进行调控ꎮ脱落酸(abscisicacidꎬABA)也属于较为关键的植物激素ꎬ重点控制种子的萌发㊁生长ꎬ叶片气孔活动和植物的适应性等问题ꎮ用ABA处理拟南芥后ꎬ拟南芥miR167表达量明显下调ꎮmiR167的靶基因已被证实是生长素应答因子ARF6和ARF8ꎬ它们在雌蕊群和雄蕊群的发育以及成熟度的调控中起到重要作用ꎬ它们的过量表达可导致植物早熟[36]ꎮ2.2㊀植物miRNA参与部分具有药用活性的次生代谢产物合成2.2.1㊀miRNA对红豆杉中紫杉醇次生代谢的调控作用㊀紫杉醇(paclitaxelꎬPTX)别名红豆杉醇ꎬ是二萜类生物碱化合物ꎬ是目前已发现的最优秀的天然抗癌药物ꎬ也是红豆杉最主要的次生代谢产物ꎮ通过降解组测序技术对红豆杉miRNA进行靶点预测的结果显示ꎬ红豆杉miR164及miR171以此控制合成环节的13α-羟基化酶(taxane13α-hydroxylase)和紫杉二烯2α-O-苯甲酰转移酶(taxane2α-benzoyltransferases)基因ꎬ表明此类miRNA或许参与了紫杉醇的合成调控[37]ꎮ2.2.2㊀miRNA对白木香中沉香次生代谢的调控作用㊀沉香(Agarwood)具有相对较高的医药价值ꎬ是药用植物白木香最为关键的代谢物ꎬ可制香㊁入药ꎬ但均是在白木香受到外伤或病虫侵害时才产生ꎮGao等利用miRNA高通量测序技术并围绕454个转录组进行针对性的探讨ꎬ从而在其中发现了27条新的miRNA以及25个家族的74条保守miRNAꎮ采用实时荧光定量PCR(QuantitativeReal-timePCR)技术来研究10条保守miRNA在木茎各个时期的表达状态ꎬ最终得出miR160和miR398或许和其中存在的沉香成分存在一定的联系ꎮ除此之外ꎬ研究asi-miR408和asi-miR408∗(asi-novel-miR2)在白木香植物的根㊁茎以及愈伤组织中的表达状态ꎬ发现植物组织中的asi-miR408∗相对于asi-408有着更多的积累ꎬ表明有些miRNA发挥了特殊的影响[38]ꎮ2.2.3㊀miRNA对丹参中丹酚酸次生代谢的调控作用㊀丹酚酸(phenolicacid)是著名中草药丹参的次级代谢产物ꎬ从丹参的根㊁茎中提取获得ꎮ丹酚酸具有很强的抗氧化作用ꎬ能消除氧自由基㊁抑制脂质过氧化反应ꎬ是目前已知的抗氧化作用最强的天然产物之一ꎬ可以抑制血栓的形成ꎬ对心脑血管疾病有着重要的医疗效果ꎮ对丹酚酸的代谢途径以及调控机制的研究是尤为重要的ꎮ研究表明ꎬ丹酚酸的代谢与丹参多酚氧化酶家族(SalviamiltiorrhizaispolyphenoloxidasesꎬSmPPOs)有密切的关系ꎮ对miRNA进行高通量测序及降解组测序的试验结果显示ꎬmiR1444介导了PPOs的调控ꎮ与此相反ꎬSmPPOs被一种新发现的miRNA-Smi-miR12112在转录后水平调节ꎮ这个发现为揭示与PPOs相关的丹酚酸的生物合成及次生代谢提供了重要线索[39]ꎮ2.2.4㊀miRNA在其他药用植物次生代谢途径中的调控作用㊀油菜(BrassicanapusL.)是一种常见的油料作物ꎬ具有非常丰富的营养价值及药用价值ꎮ油菜中含量最高的营养成分即为萜类化合物类胡萝卜素(carotenoids)ꎬ是一种较为关键的代谢物ꎮ类胡萝卜素作为在自然环境中较为多见的基础色素之一ꎬ属于含有较多共轭双键的特殊的萜烯基团类物质ꎬ在抗氧化以及抗衰老等方面有着一定的效果ꎬ和身体的健康存在着紧密的联系ꎮ所以高类胡萝卜素油菜的培育是后续的重点研究趋势之一ꎮ在油菜株系的相关种子内过表达拟南芥miR156ꎬ可使类胡萝卜素含量提高ꎮ试验证实ꎬSPL15能选择性地结合类胡萝卜素裂解双加氧酶(carotenoidcleavagedioxygenaseꎬCCD)或9-顺-环氧类(9-cis-epoxycarotenoiddioxygenaseꎬNCED)家族的配套启动子来调控类胡萝卜素的积累[40]ꎮ熟地黄(RehmanniaglutinosaL.)是一种常见的传统中药ꎬ主治由肝肾阴虚引起的各种病症ꎬ其中的主要药用成分为环烯醚萜类物质ꎮ环烯醚萜类化合物是广泛存在于双子叶植物中的一类化合物ꎬ具有广泛的生物学活性ꎬ是次生代谢途径中重要的化合物之一ꎮ熟地黄rgl-miR164靶向作用细胞色素P450(cytochromeP450ꎬCYP450)蛋白家族ꎬ该细胞色素参与了一些植物萜类代谢途径中的重要化学反应[41]ꎮ多年生草本植物广藿香(Pogostemoncablin)是一种常见的中药ꎬ用于治疗湿浊中阻㊁脘痞呕吐㊁暑湿表证㊁湿温初起㊁发热倦怠㊁胸闷不舒㊁寒湿闭暑㊁腹痛吐泻㊁鼻渊头痛等症状ꎮYu等发现广藿香中的miR156靶向的转录因子SPL9能够结合相关的倍半烯合成酶TPS21基因来有效地启动对应的启动子区ꎬ以此来激活其中的基础表达ꎬ参与了次生代谢产物广藿香油主要成分倍半萜烯的合成过程[42](表1)ꎮ3 结语㊀㊀药用植物在中国传统医药学中扮演着重要的角色ꎮ中国有着数量较多的药用资源ꎬ而植物在中药材中的占比约为87%ꎮ后续在药用植物中提取所需的化学成分来研制新药ꎬ对人类的医学发展具有重要的意义ꎬ因此对药用植物次生代谢途径的研究也将变得愈发重要ꎮ植物miRNA在维持植物营养㊁发育㊁应对环境以及胁迫等领域起到了显著的影响ꎬ参与了绝大多数植物细胞代谢的过程ꎬ包括植物生长周期的阶段性转变㊁植物器官形态的形成发育㊁在植物受到外界胁迫时的信号传导及激素应答等等ꎬ作为最为关键的调控因子ꎮ所63 江苏农业科学㊀2019年第47卷第16期表1㊀部分与植物次生代谢有关的miRNA物种名称miRNA靶向的调控因子功能参考文献拟南芥miR156转录因子SPL9调控花青素和黄酮醇的积累[31]miR828TAS4和MYB113蛋白[32]miR163甲基转移酶家族SABATH调控多个次生代谢物合成[34]miR319转录因子TCP通过调控茉莉酸的合成来调控次生代谢[35]miR167生长素应答因子ARF6和ARF8通过调控脱落酸的合成来调控次生代谢[36]红豆杉miR16413α-羟基化酶参与紫杉醇的合成[37]miR171紫杉二烯2α-O-苯甲酰转移酶参与紫杉醇的合成[37]白木香miR160㊁miR398待研究与沉香的代谢有一定联系[38]丹参Smi-miR12112多酚氧化酶家族PPO参与了丹酚酸的合成[39]菠菜miR156转录因子SPL15调控类胡萝卜素的积累[40]熟地黄miR164细胞色素P450参与萜类代谢产物的合成[41]广藿香miR156转录因子SPL9参与倍半萜烯化学成分的合成过程[42]以ꎬ系统地探讨植物的miRNA对于发展新时代的高产以及优质的中药材而言存在较为关键的价值ꎮ由于科学家们对miRNA的研究多数集中在动物细胞或肿瘤细胞上ꎬ对植物的miRNA研究相对较少ꎬ并且更多地集中在调控植物生长方面ꎬ对miRNA在次生代谢中的调控还不是很多ꎮ但近几年来ꎬ很多相关的研究者已发现了很多的植物miRNAꎬ并进而研究了它们在次生代谢环节所产生的调控效应ꎬ取得了较为理想的研究结果ꎮ笔者认为在后续的分析环节中ꎬ关于miRNA的深入研究会基于下述几个角度来推进:(1)运用相关技术ꎬ鉴定各个类别的药用植物的miRNAꎻ(2)探讨相同类别的植物内ꎬ各个器官以及不同生长阶段的miRNA的表达情况ꎻ(3)探讨miRNA在各种生物以及环境影响效应下存在的应答变化ꎻ(4)预测miRNA对应的靶基因信息ꎻ(5)利用基因工程的手段ꎬ研究其在各个生长环节中所发挥的功能以及配套的调控网络ꎻ(6)着重探讨miRNA在植物中对于药用活性物质合成途径中的特殊调控作用ꎮ伴随对miRNA研究的持续深化ꎬ后续期望通过调节miRNA的技术来优化相关植物的遗传效果ꎬ来解决更加关键的问题 野生药用植物的有效成分相对较少ꎬ而进行化学合成不仅需要耗费更高的成本ꎬ同时也需要复杂的化工程序ꎬ带来显著的污染问题ꎬ而系统地探究相关植物中miRNA在次生代谢产物合成环节产生的影响ꎬ能够为更好地利用生物技术来提升特殊产物的合成量进行有效的铺垫ꎮ参考文献:[1]BartelDP.MicroRNAs:genomicsꎬbiogenesisꎬmechanismꎬandfunction[J].Cellꎬ2004ꎬ116(2):281-297.[2]AmbrosVꎬBartelBꎬBartelDPꎬetal.AuniformsystemformicroRNAannotation[J].RNAꎬ2003ꎬ9(3):277-279. 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生物体内微小RNA对基因表达调控

生物体内微小RNA对基因表达调控在生物体内,微小RNA(miRNA)是一类长度约为22个核苷酸的非编码RNA分子,能够在转录或翻译过程中调节基因表达。
miRNA通过与靶基因的mRNA结合,可以产生翻译抑制或降解靶基因mRNA的效果,从而影响靶基因的表达水平。
miRNA对基因表达调控的功能广泛,涉及到生物体的发育、生理过程以及疾病的发生发展等多个方面。
首先,miRNA可以在生物体发育过程中发挥重要作用。
一些miRNA对于胚胎的发育和器官形成起着关键的调节作用。
例如,在果蝇的发育过程中,miRNA miR-1和miR-124被发现与肌肉细胞分化和神经元形成密切相关。
通过抑制特定靶基因的表达,它们能够促进或抑制特定细胞类型的发育。
类似地,一些miRNA也在植物的根系、茎和叶子的分化中发挥作用。
通过调控基因表达,miRNA可以帮助生物体实现对称分化和器官发育的正常进程。
其次,miRNA对于生理过程的调控也至关重要。
在生物体内,miRNA可以通过抑制或降解特定基因的mRNA,参与调控多个重要的生理过程。
例如,在人类免疫系统的调节中,miRNA能够通过调控与免疫细胞活化、增殖和分化相关的基因表达,参与免疫细胞的免疫应答。
同样,在生物体的代谢过程中,一些miRNA 也能够调控与脂质代谢、葡萄糖代谢和胰岛素分泌相关的基因表达,从而对整体代谢状态产生影响。
这些生理过程的异常调控可能导致疾病的发生,例如免疫系统的失调可能导致自身免疫性疾病,代谢异常可能导致肥胖和糖尿病等。
此外,miRNA也在某些疾病的发生发展中发挥着重要的作用。
miRNA在癌症中的调控机制尤为重要。
多个研究表明,癌细胞的miRNA表达模式与正常细胞存在显著差异。
一些miRNA能够表现出肿瘤抑制基因或肿瘤促进基因的功能,通过调控与肿瘤增殖、侵袭和转移相关的基因表达,参与肿瘤的发生和发展。
研究者通过研究和分析肿瘤相关的miRNA,在肿瘤精准医学中已经发现了一些潜在的治疗靶点和生物标志物。
MicroRNA参与了个体基因表达调控

MicroRNA参与了个体基因表达调控基因表达是指指导蛋白质合成的基因信息被转录和转译的过程。
在这个过程中,许多调控因子参与其中,其中一个重要的调控因子就是MicroRNA(miRNA)。
miRNA是一类非编码RNA,它们起着调控基因表达的重要作用。
本文将探讨miRNA在个体基因表达调控中的功能和机制。
首先,miRNA是如何参与基因表达调控的呢?miRNA作为一种小分子RNA,在细胞中通过与mRNA结合形成RNA-蛋白质复合物,从而在转录或翻译水平上调控特定基因的表达。
miRNA的调控可以通过多种方式实现,包括抑制转录、降解mRNA和抑制蛋白质翻译等。
miRNA的调控机制主要是通过与靶基因的3'非翻译区(3'UTR)结合实现的。
miRNA识别和结合靶基因的方式是通过与靶基因mRNA序列的互补配对。
一旦miRNA与目标mRNA配对,就会产生一系列的生物学效应,导致靶基因的表达受到抑制。
miRNA与3'UTR的结合可以抑制靶基因mRNA的稳定性、导致mRNA降解和阻止翻译等。
miRNA的调控在个体发育和疾病中起着重要的作用。
在个体发育方面,miRNA参与了多种生理过程,如细胞增殖、分化和器官形成等。
miRNA可以通过调控关键基因的表达来影响这些生理过程的进行。
在某些情况下,miRNA甚至可以影响胚胎的干细胞分化,从而影响整个个体的发育进程。
此外,miRNA在疾病的发生和发展中也发挥着重要的作用。
研究表明,miRNA的异常表达与多种疾病的发生和发展密切相关。
例如,某些miRNA的过度表达与癌症的发展有关,而某些miRNA的缺失则与神经系统疾病(如阿尔茨海默病和帕金森病)的发生有关。
因此,miRNA可能成为疾病诊断和治疗的潜在靶点。
近年来,研究人员还发现miRNA的调控网络非常复杂。
miRNA与靶基因之间存在着复杂的相互作用关系,一个miRNA可能同时调控多个靶基因,而一种靶基因可能也受多个miRNA的调控。
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Basic silencing model II
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
•Simple to analyze this in steady-state •Critical parameter q - how much miRna is degraded per degraded mRNA (in processed state)
Effective silencing requires
that s > Q m+, where =ms/.
Sharp silencing threshold
Threshold Effect
Cartoon
vs
Reality
•RyhB miRNA regulation of sodB •Threshold-linear units, similar to some neuron models •Also, fluctuations reduced in silenced state •From E. Levine, T. Hwa lab
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n o t s u p p o r te d
Local vs. Global parameters
Complex interplay of local and global parameters
• Different protocols can give opposite answers if these are not carefully controlled
Voinnet (2005)
Effective equations:
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n o t s u p p o r te d
with
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n model, the repression ratio can be altered by cell state (global) variables such as the transport into and out of the processed state, and miRNA loss (q)
RISC = RNA-induced Silencing Complex
MicroRNA formation
miRNA’s are processed from several precursor stages
Mammalian genomes seem to have 100’s of miRNA’s
Post-trancriptional Regulation by microRNA’s
Herbert Levine Center for Theoretical Biological Physics, UCSD
with: E. Levine, P. Mchale, and E. Ben Jacob (Tel-Aviv)
Local vs. Global parameters
Global control through the effective parameter
M a c in to s h P IC T im a g e fo r m a t
is n o t s u p p o r te d
Gives different repression ratios for same system of miRNA and target, different cellular context
• q=0 miRNA is completely recycled (catalytic mode) • q>0 miRNA is partially degraded (stoichiometeric) • q<0 amplification (occurs for siRNA)
Results
Local vs. Global parameters
• Data on silencing has been very controversial, with disagreements as to whether there is both mRNA and protein repression or only protein repression
– Motivation: Complementary expression patterns
• And, the miRNA might diffuse from cell to cell
– Motivation - intercellular transport of siRNA in plants – Could this be an actively maintained front with q<0?
– Simple physics but complex biology
Spatial sharpening
• What happens if we have a miRNA expressed with the opposite spatial pattern from its target mRNA?
Outline:
Introduction Basic model Spatial sharpening Temporal Sequencing
What are MicroRNA’s?
• MicroRNA’s (miRNA’s) are small noncoding RNA molecules that regulate eukaryotic gene expression at the translation level