miRNA的生物学特性和功能.doc

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1、V o.l 27 N o. 5 M ay 2007 上 海 交 通 大 学 学 报 ( 医 学 版 ) Journa l of Shanghai Jiao tong Un iversity(M edical Sc ience) 621 文章编号 : 0258- 5898( 2007) 05- 0621- 03 综 述 m iRNA 的生物学特性和功能 俞焙秦 综述 刘炳亚 审校 ( 上海交通大学 医学院瑞金医院外科 上海市消化外科研究所 , 上海 200025) 摘 要 : 近年来 , 在小分子 RNA 中发现了一类与基因表 达调节密切 相关的分 子 微 RNA ( m iRNA ) 。 m

2、iRNA 是一类 真核生 物 内源性小分子单链 RNA, 长度通常为 21 22 个核苷酸 , 能 够通过与靶 mRNA 特异 性的碱基 配对引起靶 mRNA 的 降解或者抑 制 其翻译 , 从而对基因进行转录后表达的调控。 m i NA 具有控制基因表达 及细胞分化、增殖 和凋亡 等多种 功能 , 可能对 基因功 能 研究、人类疾病防治及生物进化探索有重要意义。该文对 m i NA 的生物学特性及 功能进行综述。 关键词 : m i NA; 生物学特性 ; 肿瘤 ; 基因 ; 转录 中图分类号 : Q 522 文献标志码 : A B io log ica l cha ra cter and

3、fun ct ion o f m iRNA YU Bei qin rev iew er L IU B ing ya rev ise r ( D epartmen t of Surgery, Shanghai Institute of D ig estive Surgery, Ru ijin H osp ital, S chool of M edicine, Shanghai J iao tong University, Shanghai 200025, China) Abstrac t R ecently, a class o f g ene expression re la ted m o

4、lecules have been identified in sm all RNA, ca lled m icroRNA ( m iRNA ). m i NA is endogenous sing le stranded RNA o f 21- 22 nt in euka ryotic organ ism s, wh ich can regulate the com plem enta ry mRNA at the post transcriptiona l leve l through c leavage or transla tion o f the mRNA targets. m i

5、NA is relevant to gene expression, ce ll d ifferentiation, proliferation and apopto sis, wh ich m ay play an i portant ro le in the resea rch o f g ene function, d isease prevention and treatment and b io log ica l evo lution. T h is article reviews the b io log ica l charac ter and function of m iR

6、NA. K ey word s: m i NA; bio log ica l character; tum o; gene; transcr iption 小 RNA 分子是非编码的 RNA 分子 ( noncod ing RNA, ncRNA ) , 其控制着真核细胞的许多功能 , 影响 基因表达、细胞周期和个 体发育等多种行为 。小 RNA 主要包括微 RNA ( m icroRNA, m i NA ) 和小干扰 RNA ( short interfering RNA, siRNA ) 两 类 , 其 中 m iRNA 成 为 继 siRNA 之 后 新 的 研 究 热 点 之 一。 m

7、iRNA 是一类长 度很 短的非 编码 调控 单链 小分子 RNA, 长度约 21 22 个核苷酸 ( 少数小于 20 个核苷 酸 ) , 能够通过与靶 mRNA 特异性的碱基配对引起靶 mRNA 的降解或者抑制其 翻译 , 从而 对基因进行转 录后 表达的调控 。 m iRNA 由一段具有发夹环结构 的长 度为 70 80 个核 苷 酸 的 m iRNA 前体 ( pre m iRNA )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 reg ion, 3 UTR )互 补导致 该 mRNA 分子 的翻译 受到 抑制 。 m iRNA 基因

8、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 , 而是具有调节 其 他基因表达的活性 , 在生物发育过程中发挥着重 作者简介 : 俞焙秦 ( 1982 - ), 女 , 浙江余姚人 , 实习研究员 , 学士 ; 电子信箱 : 通讯作者 : 刘炳亚 , 电子信箱 : L iubyrj yah oo. com. cn。 要作用 , 可能对基因功能研究、人类疾病防治及生物 进化探索具有重要意义。本文对 m i NA 的生物学特 性及功能作一综述。 1 m i NA 的生成 在细 胞核 内 编 码 m iRNA

9、的 基 因 转 录成 初 始 m i NA ( pri m i NA ) 。 pri m i NA 在 一 种 D rosha RN ase 的作用下 , 剪切为约 70 个核苷酸 , 具有茎环结 构的 pre m i NA。 pre m iRNA 在 R an 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。在 D icer 酶 (双链 RNA 专一的 RNA 内 切酶 ) 的作用下 , pre m iRNA 被剪切成 21 22 个核苷 酸的双链 m i NA 。 D icer 酶 是一种 多结构 域的 RN ase!蛋白 , 具有 2 个

10、纵列的 RN ase!结构域、 1 个 ATP 结合基序以及 1 个 dsRNA 结合域 。首先 , 成 熟 m i NA 与其互补序列结合成双螺旋结构 ; 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 silenc ing com plex, R ISC ) 中 , 形成 非对称 R ISC。该复合物会结合到目标靶 mRNA 上。 yubeiqin 126. com。 1 2 3 4 622 上 海 交 通 大 学 学 报 ( 医 学 版 ) Vo.l 27 在大多数情况下 ( 例如在动物中 ) , 复合物中的单链 m iRNA 与靶 mR

11、NA 的 3 UTR 不完全互补配对 , 从而 阻断该基因的翻译过程。 2 m iRNA 的特点 m iRNA 广泛存在于真 核生物中 , 与其他寡核苷 酸相比 , 主要有三点不同 : 没有开放阅读框架及蛋 白质编码基因的特点 , 而是由不同于 mRNA 的独立 转录单位表达的 ; # 通常的长度约为 22 个核苷酸 , 但在 3 端 可以有 几个碱 基的长 度变 化 ; 成熟的 m iRNA 3 端有一磷酸基团 , 3 端为羟基 , 且具有独特 的序列特征 , 其 5 端第一个碱基对 U 有强烈的倾向 性 , 而对 G 却有抗性 , 但第 2 4 个碱基缺乏 U, 一般 来讲 , 除第 4

12、个碱基外 , 其他位置碱基通常都缺乏 C。 3 m iRNA 的作用机制 m iRNA 可能的作用机制是 : 细胞内约 70 个核苷 酸的茎环结构或双链 RNA 分子前体转录物 ( 可以是 分开的两个 RNA 分子互补形成分子间双链 , 也可以 是一个 RNA 分子回折 , 自身互补形 成分子内双链 ) 在双链 RNA 特异性核酸内切酶 D icer 作用下 , 形成具 有特定结构特征 ( 双螺旋 ) 和一定长度 ( 21 22 个核 苷酸 )的小 RNA。一般的前体 RNA 经加工后是对称 的 , 产生 21 25 个核苷酸的双链 RNA, 即 siRNA。而 另一部分前 体 RNA 加工后

13、 , 双链 RNA 只有一条链稳 定而 形 成 单 链 , 即 m i NA; 所 形 成 的 m iRNA 在 m iRN P /R ISC 作用下 , 可以与成熟 mRNA 上任意与之 互补的 序列 相结 合 , 从而抑 制基 因转 录和 ( 或 ) 使 mRNA 降解而抑制基因表达。 m i NA 只与它们靶基 因 3 端非翻译区的特殊位点结合抑制其翻译过程 , 从而调控基因表达 。 4 m iRNA 的功能 在各类小分子 RNA 中 , m iRNA 具有最广泛的基 因调节功能 , 它能对基因 活动 ( 生长、分化、凋亡 及应激反应等 ) 的各个层面进行调节。 m iRNA 的靶 基因

14、一般为动植物中发育基因 , 如在植物中 , 控制分 裂组织同一性的转录因子就是 m i NA 的一个靶点 , 表明 m i NA 在控制 生物发育方面有 不容忽视的作 用。 m iRNA 可参与生命过程中的一系列重要进程 , 包括早期胚胎发育、细胞增殖、细胞凋亡、细胞死亡、 脂肪代谢 , 甚至可通过 m i NA 途径调节干细胞的分 化 , 其对干细 胞通过正常的 G1 /S 检查点是必要的。 m i NA 途径可能是使干细胞对外界信号不敏感而导 致细 胞 周 期 停 止 在 G1 /S 过 渡 期 的 其 中 一 个 机 制 。 m i NA 序列、结构、丰度和表 达方式的多 样性 , 使其

15、可能作为 mRNA 编码蛋白质的调节因子 , 对基因表达、细胞周期调 控乃至个体发育产生重要 影响。总之 , m i NA 可能在基因表达调控领域 中起 着非常重要的作用。 此外 , m iRNA 与人类癌症的发生、发展有密切关 系。科研人员将 m i 15 和 m iR 16 基因定位于淋巴 细胞染色体的 13q14. 3 位置 上 , 在慢性 淋巴细胞白 血病患者中发现这两个基因的表达有缺失或下调现 象存 在 。而 且 编 码 精 氨 酰 - tRNA 合 成 酶 ( RAR S)的 m iR 16, 其靶 mRNA 在 m i 15 和 m i 16 表达下降 的样本 中过 度表达 ;

16、在结、直 肠肿瘤 形成 中 , m i 143 和 m i 145 表达 减少 ; B 细 胞性白血病 中的染色体易位 t( 8; 17) 导致了 m i 142 前体和短 小 MYC 基因的 融合 ; m iR 26a 和 m iR 99a 在肺癌细 胞系中低量表 达 ; 在恶性 淋巴瘤中 , 包括 m i 17 92 多顺反子的 DNA 区域是 13q31 32 扩增的靶基因 ; 在 Burk itt 淋巴瘤中 , m iR 155 过度表达 ; 在人类肺癌中 , let 7 m i NA 低量表达 。总之 , 在一些人类恶性肿 瘤中 , 包括慢性 淋巴细胞白血 病、儿 童 Burkitt

17、 淋巴 瘤、胃癌、肺癌和大细胞性淋巴瘤等 , m i NA 基因表 达有所改变 。在对因缺失运动 神经元生存 ( sur v iva l o f m o tor neuron, SMN ) 基因而引起杜 - 阿二氏 肌萎缩 ( spina l muscular atrophy, SMA ) 的病理研究中 发现 , 组成 SMN 复合 体的两个 蛋白质 ( G erm in3 和 G erm in4 ) 也 出 现 在 m i NA 蛋 白 复 合 体 中。 S tark 等 研究表明 , m i NA 可以调 节肿瘤形成 , 而且暗 示其中的某些簇 (如 m ir 17 92)可能是潜在的人类

18、原 癌基因。这些发现可能会给药物设计和针对性治疗 提供一个新的平台。 5 m i NA 的研究手段 目前有两种方法研究 m i NA, 其中一种方法是 利用 核酸杂 交技术 研究 m i NA 的特 征 , 具体 包括 N orthern 杂交、 RN ase 保护测定、引物延伸、实时定量 - PCR、微阵列杂交、原位杂交及 m i NA 受体转基因 等尖端技术 。 Johnson 等 通过在 let 7 启动子后 加 G FP 基因来 跟踪检测 线虫中 let 7 的 时空 表达。 M ansfield 等 根据 m i NA 的作用机制 , 设计出一种 带 Laz 报告基因的检测方法 ,

19、称为 m i NA senso , 能 特异地从原位检测到 m iRNA 的表达。另一种方法是 8- 9 10 11- 12 N o. 5 俞焙秦 : m iRNA 的生物学特 性和功能 6 LeeY, Jeon K, Lee JT, et a.l M icroRNA maturation: 623 stepw ise p ro 通过 cDNA文库、分子克隆技术和生物信息学分析来 cess ing and subcellu lar loca lization J. EMBO J, 2002, 21 ( 17 ): 发现新的m i NA。 6 m iRNA 的 研究现状与展望 4663 - 46

20、70. 7 LeeY, Ahn C, H an J, et a. The nuclear RNase! D rosha in itiates 目前已发 现了 大量 的小 RNA 分 子 , 它们 在序 m icroRNA p rocess ing J. Natu re, 2003, 425 ( 6956): 415- 419. 8 Lagos QM, Rauhu tR, M eyer J, et a. N ew m icroRNA s from m ouse 列、结构、表达及功能等方面都不同程度地表现出了 and hum an J. RNA, 2003, 9 ( 2): 175 - 179.

21、多样性 , 其中 m i NA 的表现尤为突出 , 它很可能在生 9 H utvagnerG, Zam ore PD. A m icroRNA in am u ltip le tu rnover RNA i 命活动中起着重要作用 , 对基因表达、生长、发育和 en zym e com p lex J. Science, 2002, 297( 5589 ): 2056- 2060. 行为等都具有十分深远和复杂的影响。目前正围绕 10 Ch en CZ. M icroRNAs as oncogen es and tum or suppressors J. N 着 m iRNA 靶基因的分离和 m

22、i NA 真实的生物功能 Engl JM ed, 2005, 353( 17): 1768 - 1771. 11 H atfield SD, ShcherbataHR, F isch er KA, et a. S tem cell d iv is ion 展开深入的研究 , 相信 m i NA 将在生命起源、早期进 化、基因复杂性、病理及疾病治疗等方面的研究中产 is regu lated by th e m icroRNA ( 7044 ): 974 - 978. pathw ay J . N ature, 2005, 435 生更为重要的影响。另外 , m iRNA 加工的单侧倾向、 12

23、 K arp X, Am bros V. Enhan ced: en coun tering m icroRNA s in cell fate 位点识别的 专一性等 问题都 是值得 具体研 究的细 sign aling J. Science, 2005, 310( 5752): 1288- 1289. 节 , 许多新的 m i NA 以及相关的蛋白因子会不断被 13 Ca ldas C, B ren ton JD. S iz ing up m iRNA as cancer genes J. Nat 发现。全面而深入地剖析 m iRNA, 对基于 m i NA 的 M ed, 2005, 11

24、( 7): 712- 714. 20 14 C alin GA, Garzon R, C i m ino A, et a.l M icroRNA s and leuk em i 基因治疗可能会有直接的推动作 用 。如 m iRNA as: H ow strong is th e connection J? Leuk Res, 2006, 30 ( 6): 653 对靶 mRNA 3UTR 并不十分严格的配对要求对容易 - 655. 15 C roce CM, C alin GA. m iRNAs, cancer, and s tem cell d ivision J. 发生变异的病毒也许会是一

25、个很好的选择 , 而人工 构建的 m iRNA 能特异性降解靶 mRNA 的特点也为 Cel, 2005, 122( 1): 6 - 7. 在分子水平 上研究新 一代药 物提供 了另一 个切入 16 Stark A, Brenn ecke J, Ru ssellRB, et a.l Iden tification ofD rosoph 21- 22 ilam icroRNA targets J. PLoS B io, 2003, 1( 3 ): 397 - 409. 点。研究 表明 ,m iRNA 的形状也包含着很多信 17 A rav in A, Tu sch l T. Identifica

26、tion and ch aracterization of sm all 息 , 它可以反映出肿瘤的发育谱系和分化状态 , 并且 已经成功地对低分化肿瘤进 行了分类 , 这可能会对 RNA s involved in RNA s ilencing J. 5830 - 5840. FEBS Lett 2005, 579( 26 ): 肿瘤的诊断有重要意义。 18 Johnson SM, L in SY, S lack FJ, et a. The ti e of appearance of the C. elegan s let 7 m icroRNA is transcriptionally c

27、on trolled utilizing a 参考文献 : temporal regulatory elem en t in 259( 2 ): 364 - 379. its prom oter J . Dev B io, 2003, 1 H e L, Thom son JM, H em ann MT, et a. A m icroRNA polycistron as 19 M ansfield JH, H arfe BD, N issen R, et a. M icroRNA respon sive a poten tial hum an on cogene J. 833. N ature,

28、 2005, 435( 7043 ): 823- & sen sor% regu lated transgenes un cover H ox like and patterns of vertebrate m icroRNA other developm en tally expression J . Nat 2 Zamore PD, H a ley B. R ibo gnom e: the b ig w orld of sm all RNA s G enet 2004, 36( 10): 1079 - 1083. J. Scien ce, 2005, 309( 5740): 1519 -

29、1524. 20 Ford LP. U s ing syn th etic m iRNA m i ics for d iverting cell fate: A 3 O% Donn ellKA, W en tzelEA, ZellerK , et a.l cM yc regulated m i possib ility of m iRNA based th erapeutics J? Leuk R es, ( 5): 511- 513. 2006, 30 croRNA s m odu late E2F1 ( 7043): 839- 843. expression J . Natu re, 20

30、05, 435 21 Lu J, Getz G, M isk a EA, et a. M icroRNA express ion p rofiles clas 4 S tark A, B rennecke J, BushatiN, et a. An i alm icroRNA s con fer s ify hum an cancers J. Nature, 2005, 435( 7043 ): 834 - 838. robu stness to gene exp ress ion and have a sign ificant i pact on 3 UTR 22 C alin GA, Fe

31、rracin M, C i m ino A, et a. A m icroRNA signatu re evo lution J. C el, 2005, 123( 6 ): 1133- 1146. associated w ith p rognos is and progression in ch ron ic lym phocytic leu kem ia J. N Eng l J M ed, 2005, 353 ( 17): 1793- 1801. 5 M eltzer PS. Can cer genem ics: Sm all RNA s w ith b ig i pacts J. 收稿日期 : 2006 - 12 - 12 本文编辑 : 吴 洋 Natu re, 2005, 435 ( 7043): 745- 746.