小分子核糖核酸

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小分子核糖核酸(miRNA)與mRNA作用的圖
miRNA莖環的實例,成熟miRNA顯示為紅色
甘藍pre-microRNA中的莖環(stem-loop)二級結構

小分子核糖核酸英語:microRNA縮寫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,可調節其他基因表達[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)結合,進而抑制轉錄後的基因表達[3], 在調控基因表達、細胞周期、生物體發育時序等方面起重要作用。在動物中,一個微RNA通常可以調控數十個基因。

這些RNA是從初級轉錄本(primary transcript)出來的,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發現秀麗隱杆線蟲 ( C. elegans) 中有個基因 lin-4 抑制另一個基因 lin-14. 他們認為 lin-4 應該也表達一種調控蛋白質,因為基因轉錄成RNA並翻譯成蛋白質是當時認為的公理。不過1993年,Victor的學生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了 lin-4,卻發現這個基因非常小,不足以做出蛋白質,而且這個基因的產物確實也不是蛋白質,而是一個長度只有22個核苷酸的RNA,後來人們又發現此miRNA可以和其他蛋白質結合,阻斷其他表現,最終產生上述的基因抑制現象。它是由單鏈的RNA分子產生,這個分子的一端折回來形成不完全的互補配對,稱「莖環[4]

pri-miRNA長度大約為300~1000個鹼基,pri-miRNA經過一次加工後,成為pre-miRNA即microRNA前體,長度大約為70~90個鹼基;pre-miRNA再經過Dicer酶酶切後,成為長約20~24nt的成熟miRNA。實際研究中,pre-miRNA應用最早,也最廣泛。近年研究發現microRNA的雙臂對成熟miRNA的形成有着十分重要的作用。

與小分子siRNAs相比,miRNA在分子特性等方面是相似的,但也存在不少的差異。siRNA是雙股RNA,3『端有2個非配對鹼基,通常為UU; miRNA是單股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下產生,而成熟miRNAs的產生要複雜一些,首先pri-miRNA在核內由一種稱為Drosha酶處理後成為大約70nt的帶有莖環結構的Precursor miRNAs (pre-miRNAs), 這些pre-miRNAs再在Exportin-5幫助下轉運到細胞核外之後再由胞質Dicer酶進行處理,酶切後成為成熟的miRNAs。

生命的一些重要活動如幼蟲的生長發育、細胞的發生和分化、神經系統的分化等都被一些非編碼蛋白的小RNA的調控, 而除miRNA、siRNA以外的小RNA我們目前知之甚少。

命名規則[編輯]

miR-前綴後面所跟着的數字,代表命名的順序,比如,miR-124比miR-456發現得早。

「miR-」代表成熟的miRNA、「mir-」代表pre-miRNA和pri-miRNA、「MIR」代表編碼miRNA的基因[5]

miRNA幾乎全是獨一的編碼順序,但對於擁有一兩個鹼基不同的則會被標上字母以示,例如,miR-124a與miR-124b。 若成熟的miRNA相同,但pre-miRNA和pri-miRNA和編碼他們的基因來自於不同的基因組,則使用數字來表示,例如,mir-194-1和mir-194-2表示兩個pre-, pri-miRNA剪切後的成熟miRNA是完全相同的,但卻是兩個不同的來源。

前綴的三個字母代表了不同的種族來源,例如,hsa-miR-194代表miRNA來源於人類,oar-miR-124來源於綿羊。

對於形成pre-,pri-miRNA莖環的兩端miRNA, 通常一端在數量上遠遠超過另一端。數量優勢的一端往往稱為guide strand,而另一端被稱為passenger strand,通常被大量降解,用*號來表示,例如miR-124和miR-124*。

生物合成機制[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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[編輯]

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]

參考文獻[編輯]

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外部連結[編輯]

參見[編輯]