小分子核糖核酸

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小分子核糖核酸(miRNA)与mRNA作用的图
miRNA茎环的实例,成熟miRNA显示为红色
甘藍pre-microRNA中的莖環(stem-loop)二級結構

小分子核糖核酸英语:microRNA缩写miRNA)又譯微核糖核酸,是真核生物中廣泛存在的一種長約21到23個核苷酸核糖核酸(RNA)分子,可調節其他基因表达[1][2]。miRNA來自一些從DNA轉錄而來,但無法進一步轉譯蛋白質的RNA(屬於非編碼RNA)。miRNA通過與目標信使核糖核酸(mRNA)结合,進而抑制转录後的基因表达[3], 在调控基因表达、细胞周期、生物体发育时序等方面起重要作用。在动物中,一个微RNA通常可以调控数十个基因。

這些RNA是從初級轉錄本(primary transcript),也就是pri-miRNA,轉變成為稱為pre-miRNA的莖環結構,最後成為具有功能的成熟miRNA。

1989年,Victor发现秀丽隐杆线虫 ( C. elegans) 中有个基因 lin-4 抑制另一个基因 lin-14. 他们认为 lin-4 应该也表达一种调控蛋白质,因为基因转录成RNA并翻译成蛋白质是当时认为的公理。1993年,Victor的学生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了 lin-4,却发现这个基因非常小,而且这个基因的产物不是蛋白质,而是一个长度只有22个核苷酸的RNA。它是由单链的RNA分子产生,这个分子的一端折回来形成不完全的互补配对,称“莖環[4]

pri-miRNA长度大约为300~1000个碱基,pri-miRNA经过一次加工后,成为pre-miRNA即microRNA前体,长度大约为70~90个碱基;pre-miRNA再经过Dicer酶酶切后,成为长约20~24nt的成熟miRNA。实际研究中,pre-miRNA应用最早,也最广泛。近年研究发现microRNA的双臂对成熟miRNA的形成有着十分重要的作用。

与小分子siRNAs相比,miRNA在分子特性等方面是相似的,但也存在不少的差异。siRNA是双股RNA,3‘端有2个非配对碱基,通常为UU; miRNA是单股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下产生,而成熟miRNAs的产生要复杂一些,首先pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为大约70nt的带有茎环结构的Precursor miRNAs (pre-miRNAs), 这些pre-miRNAs再在Exportin-5帮助下转运到细胞核外之后再由胞质Dicer酶进行处理,酶切后成为成熟的miRNAs。

生命的一些重要活动如幼虫的生长发育、细胞的发生和分化、神经系统的分化等都被一些非编码蛋白的小RNA的调控, 而除miRNA、siRNA以外的小RNA我们目前知之甚少。

命名规则[编辑]

miR-前缀后面所跟着的数字,代表命名的顺序,比如,miR-124比miR-456发现得早。

“miR-”代表成熟的miRNA、“mir-”代表pre-miRNA和pri-miRNA、“MIR”代表编码miRNA的基因[5]

miRNA几乎全是独一的编码顺序,但对于拥有一两个碱基不同的则会被标上字母以示,例如,miR-124a与miR-124b。 若成熟的miRNA相同,但pre-miRNA和pri-miRNA和编码他们的基因来自于不同的基因组,则使用数字来表示,例如,mir-194-1和mir-194-2表示两个pre-, pri-miRNA剪切后的成熟miRNA是完全相同的,但却是两个不同的来源。

前缀的三个字母代表了不同的种族来源,例如,hsa-miR-194代表miRNA来源于人类,oar-miR-124来源于绵羊。

对于形成pre-,pri-miRNA莖環的两端miRNA, 通常一端在数量上远远超过另一端。数量优势的一端往往称为guide strand,而另一端被称为passenger strand,通常被大量降解,用*号来表示,例如miR-124和miR-124*。

生物合成機制[编辑]

MiRNA-biogenesis.jpg

有多達40%的miRNA位於其他基因的內含子或甚至外顯子[6]。他們通常(但不限於)在有義方向被發現[7][8],因此它們通常與他們宿主基因一起調節[6][9][10]。 位於DNA模板上的序列,並非成熟miRNA的最終編碼:有6%的人類miRNA有RNA編輯的現象,RNA上特定位置的修飾,會產生和他們DNA不同的產物。這增加了miRNA作用的多樣性和範圍,遠超過了基因組單獨引起的作用。

轉錄[编辑]

miRNA基因通常由RNA聚合酶Ⅱ轉錄[11][12],聚合酶常常會結合到DNA序列附近的啟動子,並將其編碼成前miRNA的髮夾環。 所得到的轉錄產物,上有5'端帽多聚腺苷酸尾並已被剪接。動物的miRNA最初轉錄為約80個核苷酸的RNA莖環,其會交互形成幾百個核苷酸長的miRNA前體,稱作pri-miRNA[11][7]。當在3'UTR(3'非編碼區)中發現莖-環前體時,該轉錄物可以作為pri-miRNA和mRNA[7]。 此外,RNA聚合酶Ⅲ也會轉錄一些miRNA,特別是具有上游Alu元件的、tRNA或哺乳動物寬分散重複(mammalian-wide interspersed repeats)啟動子單元[13]

核加工[编辑]

人類Drosha蛋白的X射線晶體結構與兩個DGCR8分子(綠色)的C端螺旋複合體。Drosha包含兩個核糖核酸酶III結構區域(藍色和橙色),雙鏈RNA結合結構區域(黃色),以及含有結合兩個鋅離子的平台結構域(灰色)。來源:PDB 5B16.

單個pri-miRNA可以含有1至6個miRNA precursor,這些髮夾環結構各自由約70個核苷酸組成,而每個髮夾的側翼包含了RNA加工的必要序列。 在pri-miRNA中髮夾的雙鏈RNA(dsRNA)結構,會被稱為DiGeorge綜合症關鍵區8(DGCR8或無脊椎動物中的“Pasha”)的核蛋白所識別。隨後DGCR8與Drosha酵素結合形成微加工複合體(Microprocessor complex)[14][15]

在該複合物中,DGCR8使Drosha的RNase III催化結構區域定向,藉此從髮夾鹼基中切割約11個核苷酸,從而釋放pri-miRNA的髮夾彎[16][17]。所得產物在其3'端具有兩個核苷酸的突出端,其也具有3'羥基和5'磷酸基團。它通常被稱為前miRNA(pre-miRNA)。有許多對於有效加工重要的pre-miRNA下游的序列基序(Sequence motif),已被識別鑑定了[18][19][20]

而對於那些繞過微加工複合體,直接剪接出內含子的前miRNA,被稱為“Mirtrons”。其最初被認為只存在於果蠅和秀麗隱桿線蟲中,然而現在已經在哺乳動物中發現其存在[21]。 有多達16%的pre-miRNA可以透過核RNA編輯改變[22][23][24],其中最常見地,如腺苷脫氨酶作用於RNA(ADAR)上的腺苷肌苷(A至I)轉換。另外,RNA編輯也能停止核加工(例如pri-miR-142,其會導致核糖核酸酶Tudor-SN的降解),並改變下游流程包括細胞質miRNA的加工與目標專一性(像是改變中樞神經系統中miR-376的種子區域)[22]

核輸出[编辑]

人類exportin-5蛋白(紅色)與Ran-GTP(黃色)複合物和pre-miRNA(綠色)及雙核苷酸突出端識別元件(橙色)。來源:PDB 3A6P.

核細胞穿梭蛋白Exportin-5涉及前miRNA髮夾從細胞核輸出的過程。這種蛋白質是karyopherin家族的一個成員,它會識別前miRNA髮夾的3'末端,由RNase III酶與Drosha遺留的兩個核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated介導運輸到細胞質是能量依賴的(主動運輸),其使用GTP來綁定Ran蛋白。[25]

細胞質加工[编辑]

在細胞質中,前miRNA髮夾會被由RNaseIII酶Dicer所切割[26] ,該內切核糖核酸酶與miRNA髮夾的5'和3'端相互作用並切除連接3'和5'臂的環[27] ,產生長度為22個核苷酸的不完全的miRNA:miRNA*雙鏈體[26] 。整個髮夾長度和環尺寸都會影響Dicer的加工效率。由於RNA的不完全配對性質,miRNA:miRNA*雙鏈體的配對程度也會影響切割[26][28]

此外,一些富含G的pre-miRNA可以潛在地利用G-四聯體,來替代典型的莖-環結構。 例如,人的pre-miRNA 92B就使用G-四聯體,來抵抗Dicer在細胞質中的介導切割。[29] 雖然雙鏈體的任一鏈,皆可作為潛在作用的功能miRNA,但通常只有一條鏈會摻入RNA誘導沉默複合體(RISC)中,在其中該miRNA會與其目標mRNA相互作用。


植物中的生物合成[编辑]

在植物中miRNA的生物合成與動物的最大差異,主要是在於核加工和輸出的過程中:其不像動物使用兩種不同的切割酶(一種位於核內部、一種位於核外部)。植物的兩種切割,都是利用稱為Dicer-like1(DL1)(Dicer同源物)進行,由於DL1僅在植物的細胞核中表達,這表明這兩種切割都在核內發生。在植物miRNA:miRNA *雙鏈體被轉運出細胞核之前,其3'突出端會被稱為Hua-Enhancer1(HEN1)的RNA甲基轉移蛋白甲基化,然後透過稱為Hast(HST)的蛋白質(Exportin 5蛋白的同源物)將雙鏈體從細胞核運出到細胞質中,在那裡它們會分解並且生成成熟的miRNA,來結合到RISC中。[30]

参考文献[编辑]

  1. ^ Ambros, V. The functions of animal microRNAs. Nature. Sep 16, 2004, 431 (7006): 350–5. PMID 15372042. doi:10.1038/nature02871. 
  2. ^ Bartel, DP. MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell. Jan 23, 2004, 116 (2): 281–97. PMID 14744438. doi:10.1016/S0092-8674(04)00045-5. 
  3. ^ Bartel DP. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell. January 2009, 136 (2): 215–33. PMC 3794896. PMID 19167326. doi:10.1016/j.cell.2009.01.002. 
  4. ^ Ruvkun G(1), Giusto J. The Caenorhabditis elegans heterochronic gene lin-14 encodes a nuclear protein that forms a temporal developmental switch. Nature. Mar 1989, 338 (6213): 313–9. PMID 2922060. doi:10.1038/338313a0. 
  5. ^ Wright, MW; Bruford, EA. Naming 'junk': human non-protein coding RNA (ncRNA) gene nomenclature. Human genomics. Jan 2011, 5 (2): 90–8. PMC 3051107. PMID 21296742. doi:10.1186/1479-7364-5-2-90. 
  6. ^ 6.0 6.1 Rodriguez A, Griffiths-Jones S, Ashurst JL, Bradley A; Griffiths-Jones; Ashurst; Bradley. Identification of mammalian microRNA host genes and transcription units. Genome Res. October 2004, 14 (10A): 1902–10. PMC 524413. PMID 15364901. doi:10.1101/gr.2722704. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Cai X, Hagedorn CH, Cullen BR; Hagedorn; Cullen. Human microRNAs are processed from capped, polyadenylated transcripts that can also function as mRNAs. RNA. December 2004, 10 (12): 1957–66. PMC 1370684. PMID 15525708. doi:10.1261/rna.7135204. 
  8. ^ Weber MJ. New human and mouse microRNA genes found by homology search. FEBS J. January 2005, 272 (1): 59–73. PMID 15634332. doi:10.1111/j.1432-1033.2004.04389.x. 
  9. ^ Kim YK, Kim VN; Kim. Processing of intronic microRNAs. EMBO J. February 2007, 26 (3): 775–83. PMC 1794378. PMID 17255951. doi:10.1038/sj.emboj.7601512. 
  10. ^ Baskerville S, Bartel DP; Bartel. Microarray profiling of microRNAs reveals frequent coexpression with neighboring miRNAs and host genes. RNA. March 2005, 11 (3): 241–7. PMC 1370713. PMID 15701730. doi:10.1261/rna.7240905. 
  11. ^ 11.0 11.1 Lee Y, Kim M, Han J, Yeom KH, Lee S, Baek SH, Kim VN; Kim; Han; Yeom; Lee; Baek; Kim. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. EMBO J. October 2004, 23 (20): 4051–60. PMC 524334. PMID 15372072. doi:10.1038/sj.emboj.7600385. 
  12. ^ Zhou X, Ruan J, Wang G, Zhang W; Ruan; Wang; Zhang. Characterization and identification of microRNA core promoters in four model species. PLoS Comput. Biol. March 2007, 3 (3): e37. Bibcode:2007PLSCB...3...37Z. PMC 1817659. PMID 17352530. doi:10.1371/journal.pcbi.0030037. 
  13. ^ Faller M, Guo F; Guo. MicroRNA biogenesis: there's more than one way to skin a cat. Biochim. Biophys. Acta. November 2008, 1779 (11): 663–7. PMC 2633599. PMID 18778799. doi:10.1016/j.bbagrm.2008.08.005. 
  14. ^ Lee, Y; Ahn, C; Han, J; Choi, H; Kim, J; Yim, J; Lee, J; Provost, P; Rådmark, O; Kim, S; Kim, VN. The nuclear RNase III Drosha initiates microRNA processing.. Nature. 25 September 2003, 425 (6956): 415–9. PMID 14508493. doi:10.1038/nature01957. 
  15. ^ Gregory RI, Chendrimada TP, Shiekhattar R; Chendrimada; Shiekhattar. MicroRNA biogenesis: isolation and characterization of the microprocessor complex. Methods Mol. Biol. 2006, 342: 33–47. ISBN 1-59745-123-1. PMID 16957365. doi:10.1385/1-59745-123-1:33. 
  16. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Kim, YK; Jin, H; Kim, VN. The Drosha-DGCR8 complex in primary microRNA processing.. Genes & Development. 15 December 2004, 18 (24): 3016–27. PMC 535913. PMID 15574589. doi:10.1101/gad.1262504. 
  17. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Nam, JW; Heo, I; Rhee, JK; Sohn, SY; Cho, Y; Zhang, BT; Kim, VN. Molecular basis for the recognition of primary microRNAs by the Drosha-DGCR8 complex.. Cell. 2 June 2006, 125 (5): 887–901. PMID 16751099. doi:10.1016/j.cell.2006.03.043. 
  18. ^ Conrad, Thomas; Annalisa, Marsico; Gehre, Maja; Ørom, Ulf. Microprocessor activity controls differential miRNA biogenesis In Vivo.. Cell Reports. Oct 23, 2014, 9 (2): 542–554. PMID 25310978. doi:10.1016/j.celrep.2014.09.007. 
  19. ^ Auyeung, Vincent; Igor, Ulitsky; McGeary, SE; Bartel, DP. Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing.. Cell. Feb 14, 2013, 152 (4): 844–858. PMC 3707628. PMID 23415231. doi:10.1016/j.cell.2013.01.031. 
  20. ^ Ali PS, Ghoshdastider U, Hoffmann J, Brutschy B, Filipek S. Recognition of the let-7g miRNA precursor by human Lin28B. FEBS Letters. 2012, 586 (22): 3986–90. PMID 23063642. doi:10.1016/j.febslet.2012.09.034. 
  21. ^ Berezikov E, Chung WJ, Willis J, Cuppen E, Lai EC; Chung; Willis; Cuppen; Lai. Mammalian mirtron genes. Mol. Cell. October 2007, 28 (2): 328–36. PMC 2763384. PMID 17964270. doi:10.1016/j.molcel.2007.09.028. 
  22. ^ 22.0 22.1 Kawahara Y, Megraw M, Kreider E, Iizasa H, Valente L, Hatzigeorgiou AG, Nishikura K; Megraw; Kreider; Iizasa; Valente; Hatzigeorgiou; Nishikura. Frequency and fate of microRNA editing in human brain. Nucleic Acids Res. September 2008, 36 (16): 5270–80. PMC 2532740. PMID 18684997. doi:10.1093/nar/gkn479. 
  23. ^ Winter J, Jung S, Keller S, Gregory RI, Diederichs S; Jung; Keller; Gregory; Diederichs. Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation. Nat. Cell Biol. March 2009, 11 (3): 228–34. PMID 19255566. doi:10.1038/ncb0309-228. 
  24. ^ Ohman M. A-to-I editing challenger or ally to the microRNA process. Biochimie. October 2007, 89 (10): 1171–6. PMID 17628290. doi:10.1016/j.biochi.2007.06.002. 
  25. ^ Murchison EP, Hannon GJ; Hannon. miRNAs on the move: miRNA biogenesis and the RNAi machinery. Curr. Opin. Cell Biol. June 2004, 16 (3): 223–9. PMID 15145345. doi:10.1016/j.ceb.2004.04.003. 
  26. ^ 26.0 26.1 26.2 Lund E, Dahlberg JE; Dahlberg. Substrate selectivity of exportin 5 and Dicer in the biogenesis of microRNAs. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 2006, 71: 59–66. PMID 17381281. doi:10.1101/sqb.2006.71.050. 
  27. ^ Park, JE; Heo, I; Tian, Y; Simanshu, DK; Chang, H; Jee, D; Patel, DJ; Kim, VN. Dicer recognizes the 5' end of RNA for efficient and accurate processing.. Nature. 13 July 2011, 475 (7355): 201–5. PMID 21753850. doi:10.1038/nature10198. 
  28. ^ Ji X. The mechanism of RNase III action: how dicer dices. Curr. Top. Microbiol. Immunol. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2008, 320: 99–116. ISBN 978-3-540-75156-4. PMID 18268841. doi:10.1007/978-3-540-75157-1_5. 
  29. ^ Mirihana Arachchilage G, Dassanayake AC, Basu S. A Potassium Ion-Dependent RNA Structural Switch Regulates Human Pre-miRNA 92b Maturation. Chem. Biol. 2015, 22: 262–272. PMID 25641166. doi:10.1016/j.chembiol.2014.12.013. 
  30. ^ Lelandais-Brière C, Sorin C, Declerck M, Benslimane A, Crespi M, Hartmann C; Sorin; Declerck; Benslimane; Crespi; Hartmann. Small RNA diversity in plants and its impact in development. Current Genomics. March 2010, 11 (1): 14–23. PMC 2851111. PMID 20808519. doi:10.2174/138920210790217918. 

外部連結[编辑]

參見[编辑]