miRNA的作用机制及功能研究进展.docx

1、miRNA的作用机制及功能研究进展中国科学C辑:生命科学 09年 第39卷 第期: 0 11 lif、cihina、 109 中国科学杂志社 SCIENCEIN CHINA PES MioRNA作用机制的新赵爽 刘默芳中国科学院上海生命科学院 生物化学与细胞生物学所 分子生物学国家重点实验室 上海 2003 联系人Ei:flibs、ac。cn 收稿日期: 20-0904 接受日期: 0082国家重点基础发展计划批准号: 205CB72403和国家自然科学基金批准号: 3774资助项目 摘要 miroRNAmRNA是一种非蛋白质的新型基因表达调控因子 对真核生物基因表达起特别重要的调控作用。 关

2、于miRN的及作用机制方面的是当前生命科学的前沿热点人员陆续提出了一些假说模型 诸如翻译起始抑制、翻译起始后抑制、mN降解、P小体Processin Bd SGStress Ganles颗粒扣押靶mRNA等来阐述mRNA如何抑制其靶基因的表达、 此外最近还有文献报道了一些全新的iRNA作用方式 如去抑制和RNA 激活作用等。本文将简要介绍一些miRNA作用机制的新及相关作用模型、 关键词miRNA负调控 去抑制 正调控 P小体 SG颗粒准确的基因表达调控对生物体的生长发育和至关重要基因表达调控异常是疾病发生的主要原因、 在过去的数十年间 对基因表达调控的主要集中在蛋白质转录因子介导的基因表达调

3、控方面、发现它们通过激活或抑制基因转录控制基因的表达 在基因组信息转化为分子效应和生物效 应过程中发挥着重要的作用。最近在动、植物及病毒等生物中发现了一系列小分子非编码RNA smll noingRNA包括miRNAmicrNAsiRNA sal itererinRNApiRNAwineracting 和eiRNA endognou iRNA等它们分别在转录水平、转录后水平及表观遗传水平等方面控制基因的表达 组成了RN 调控网络 调控包括细胞增殖、分化和凋亡等一系列生理进程 影响生物体的生长发育并与多种人类疾病的发生紧密相关1、 这些小分子RNA的发现揭示了真核生物一种新的基因表达调控方式、m

4、iNA是小分子非编码R家族的重要成员。 miRN与RA共用生成途径和作用途径中多种蛋白质因子、 但二者也有一些明显的区别 如iRNA主 要是由外源提供的小分子RNA 通过引发靶mRNA的切割负调控靶基因的表达 而iRA是基因组编码的内源性小分子RNA 通常在翻译水平负调控靶 RA的表达。 iRA基因由聚合酶或/和 转录23、 动物miR加工成熟一般需要两个Rs 家族酶-Drosha和Dicr参与。 最近发现gA gnute蛋白在miNA加工成熟中也发挥作用、 mRA调控是通过RA诱导基因沉默复合物RNnducd ilnciglex RIS完成的 复合物的核心成员是Ago家族蛋白 还有一些未知、

5、非RISC核酸酶活性必需的蛋白成分如FXRP RA 解旋酶等也存在于复合物中56。通常认为miRA与go1结合 组成miRNA效应器复合物miRNA- RISC iRSC 执行靶mRNA翻译抑制 而N与Ag2结合 组成iSC 执行靶RA降解。 最近有人对这种iRN/iRNA分选模型进行了校正 认为RN/siRNA都能够被Ao1或2结合8 这为miRA介导切割提供了可行性。 过去认为Dcer生产的miRA: miNA双链 mRA作为向导链被组装入iIS 互补链iRA则被迅速降解、但最 赵爽等: MicroRA作用机制的新110 近发现 尽管miRNA种类不如对应的mRNA丰富 但它们常常以适当的

6、生理水平存在 并同样能够被go蛋白结合10。 miRN主要是通过5端被称为种子序列SedSquence的7 t序列与位于靶NA 3UR的miRNA调控元件mRN tory Elmen M相互作用识别靶mRNA11、一些靶mRNA 的其他特征 如ME附近富含AU序列、靶RA与miN的31位碱基配对、RE距离终止密码子15 nt以外、不位于长3UTR的中间、邻近共表达miRNA的识别位点等 可增加RNA的作用效率12、 mNA与靶RN之间的配对程度决定了iRSC抑制靶NA的方式:高度配对的iRNA 如大部分植物mRNA 将通过类似于iRNA的作用机制 导致靶mRA切割和降解 相反 在动物中大部分m

7、NA与靶mA不完全配对则估计是通过翻译抑制发挥作用。在过去的几年间者陆续提出了一些不同的、甚至互相矛盾的假说模型 来解释iRA如何抑制其靶基因表达、 但对iR准确的作用机制 目前还没有统一的观点、 本文将简述mR 作用机制的新及miRNA的一些新。 1miNA翻译起始抑制机制 关于mNA翻译起始抑制机制目前主要有3种观点: 第一种观点认为RNA估计通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始13。 因为发现被miRNA沉默的RNA没有或鲜有偶联完整的核糖体 部分者认为miRN估计通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始13。 这种观点被至少两个新近的证据支持: heran等人14在一个体外中发现果

8、蝇的mi-2抑制全能性核糖体的前体8S翻译复合物的组装 该复合物添加S亚基后即形成全能性核糖体Chendrimda等人15发现 EF是一种能够抑制核糖体40S和S亚基结合、阻断8S全能性核糖体形成的蛋白与Ago/RISC直截了当相互作用同时在哺乳动物和线虫中 缺失IF6影响mRNA介导基因沉默、 然而 是否通过与EF6相互作用诱导40S和60S核糖体解聚还有待于进一步的、 第二种观点依照miRN 抑制要求靶mNA m 帽子的存在 认为miISC 估计抑制翻译起始复合物的形成1、 这个假说最近也找到了一些新证据:者在一个体外系统中发现 增加e4复合物含有m7G 帽子结合蛋白、翻译起始因子I4E水

9、平可回复miRA翻译抑制17 与之一致的是 另一个组18发现 Ago2中间结构域类似于eIF4E 具有结合m 帽子的活性 推测经iRN招募到靶mRA 3UT的Ago 与起始复合物eIF4E/G竞争结合m7G帽子 从而抑制翻译起始复合物的形成。 此外 mRA还估计通过阻止olyA结合蛋白pol A bndingprotin PABP 与RA结合影响翻译起始、 Wakiyama等人19发现 miRNA引起靶RNA脱腺嘌呤反应edenylaton导致 RN的olyA尾巴缩短 但RNA的稳定性好像并不受影响只是pyA 尾巴缩短使P结合mRN受阻 从而影响了翻译起始、 iNA翻译起始后抑制尽管上述证据支

10、持miRN抑制翻译起始 但也有发现 一些被mRA抑制的mRA与翻译活跃性的多核糖体偶联 说明有一些miRNA的抑制作用不是发生在翻译起始2021、 此外 Ptersen等人2发现 经内部核糖体进入位点IeaRibosometr Site IRES起始、不依赖于mRNAm7G帽子的翻译也能够被miRNA抑制 这进一步证明miRNA抑制是发生在翻译起始之后、 尽管这些证明了miNA沉默作用确实是发生在翻译起始后、新生多肽完成前 但关于mRNA究竟如何在翻译起始后发挥抑制作用 目前还没有一致的结论、者推测 mi估计引起新生多肽链的翻译同步降解21或者是在翻译延伸过程中 iRNA引发大量的核糖体脱落及

11、高频次的翻译提早终止 产生的不完整多肽产物则被迅速降解2、 miRA介导mRNA衰减 Wu等人首先发现 miRA能够诱导与之不完全配对靶RN的衰减 下调靶NA的水平。 这种miA诱导mRNA衰减的作用机制被随后的证据所支持24 如在斑马鱼的早期胚胎发育中iR43控制母本mRNA的代谢表明iRNA介导的mRNA衰减机制具有生理学意义25、 与之一致的是 Ao蛋白被发现定位于细胞中降解mRA的A颗粒RNA 中国科学 C辑: 生命科学200年 第39卷 第1期11 granuls 如P小体pocsing odies中 这些NA颗粒中包含常规的mRNA降解酶 如脱腺嘌呤酶、脱帽酶、核酸外切酶等 提示这

12、些mRNA降解酶估计参与miRNA介导的mRN衰减2627、 此外miRS的核心成分-Ago家族蛋白有多种异构体 其中一些成员的内切酶活性也估计协助mRNA介导的RNA的切割和/或衰减248。 总之 这些证据都表明miRNA能够直截了当或间接介导靶mNA的降解 这改变了最初认为的mRNA调控仅翻译抑制作用的观点。 4 NA颗粒扣押、降解或储存靶mRNA 胞浆的RNA 颗粒 如P小体和SGSress Gan-ul颗粒 在转录后水平的基因表达调控中具有重要的作用 它们是细胞储存处于翻译抑制状态mRNA 的场所、在此 RNA被降解或/和释放重新进入翻译机器9、 P小体含有多种mRNA衰减机器的组分被

13、认为是细胞的mRNA代谢场所 SG 颗粒特异性地在受胁迫条件下形成 因此被命名为胁迫颗粒Stress Grl、 从组成成分看来 SG颗粒更倾向于沉默RNA翻译而不降解mRNA。 P小体和G颗粒常常相互并列 动态关联 二者含有一些相同的组分 如帽子结合蛋白eIF4 和翻译抑制子rckp5 但它们的成分并不完全相同 暗示估计有差别、 因为发现它们与iRNA作用相关联 估计是miRA的胞内作用场所 这两种RN颗粒最近受到特别关注。 一些证据表明 在miRN存在下 miRIC中的核心组分及与mRIS结合的mR定位于小体和颗粒中262730、 而且有证据表明 P小体的形成与NA 沉默相关联 抑制小体的形

14、成将抑制miRNA介导的翻译抑制 反过来 抑制RISC也同样抑制P小体的形成 更值得注意的是一些证明 iRNA/R都能够在哺乳动物细胞和果蝇细胞中诱导P小体的形成31、鉴于P小体和SG颗粒的内在联系 能够推测P小体和SG颗粒估计执行相互联系但又不同的、 推测被RISC结合的mRN进入P小体和G颗粒中即被这些RN颗粒中的翻译抑制子剥夺了与核糖体和翻译机器结合的估计性 从而使mNA处于翻译抑制状态 达到了基因沉默的目的、 然而 扣押的RNA下一步命运如何尽管不少的证据支持iNA介导靶RA的衰减 但也发现在特别多情况下 RNA仅降低了靶基因的蛋白水平 靶基因的mRNA水平却无明显变化。 这使得我们有

15、理由推测 在靶mNA被扣押到RA颗粒解除翻译后 估计随即会进行一个mRNA衰减或储存的分拣步骤、 P小体和SG颗粒极有估计分工执行mRNA降解和储存、 在某些胁迫条件下 miISC结合的mRN是否有估计首先被送到 颗粒 被抑制翻译和临时储存然后在细胞估算mA确实已过量后再转运到富含mRNA代谢酶的P小体中进行降解事实上 在mRN存在下 Ag蛋白与SG颗粒呈动态联系SG颗粒中的酶发挥翻译沉默而不是NA衰减的作 用30、 还有发现 一些诱导S颗粒形成的胁迫作用确实减少了P小体的形成和mRN衰减32。 但目前还不清楚miRISC偶联mRNA在胁迫条件下聚积到SG颗粒中的生理作用是什么、 5miRA正

16、调控和去抑制最近的发现了一些新型的miRA作用方 式 如miNA正调控和去抑制等。首先 Vaueva实验室、6。535发现 mRNA不总是基因表达的负调控因子 在一些条件下 miN也上调基因表达、他们发现 在细胞周期过程中miR效应在抑制作用和活化作用间摆动。 在静态细胞中G期iRA活化翻译和上调基因表达而在其他细胞循环/增殖期则接着发挥抑制作用、 miRA激活作用与富含腺嘌呤/尿嘧啶元件AUrihelementARE相关33、ARE是miNA活化翻译的信号 在iRN指导下miSC复合物成员如o FXP被招募到AR上激活翻译、上调基因表达3、AR元件是一种mRA不稳定元件 位于RN 3TR 严

17、重影响其宿主mR的稳定性、已发现AE元件介导的mRNA 衰减调控与mNA介导的mRNA衰减调控有多种联系6、 另外最近发现 在一些条件下 i10a也正调控基因表达、 iR1a结合到核糖体蛋白N5UTR 促进其翻译 提高核糖体蛋白合成 从而刺激核糖体生成 进而正调控总蛋白质的合成37。发现 iR的抑制作用是可逆的 一些A 结合蛋白估计在这一过程中发挥重要作用、在人体细胞中观察到 胁迫条件下 被RA 抑制 赵爽等: McroA作用机制的新12 的mR能够去抑制 重新进入翻译机器 HuR一个ARE元件结合蛋白 估计通过促进miRIC-靶RNA复合体解离和小体解聚 去除iRNA的抑制作用9、另一个RN

18、A结合蛋白nd 在生殖系细胞中与miR紧密联系它估计通过结合在mRN的丰富区Uih mRN regi屏蔽iRNA的结合位点 阻止miRN接近靶mNA 解除miR430家族的抑制效应0。 最近Sandber等人1还报道了一种逃避mRNA抑制的新方式、 他们发现 一些在增殖细胞中表达的mRN 3TR保守性地缩短 导致miRA的靶位点减少从而幸免了miR的负调控作用。 本实验室对mR15与它的一个靶基因在部分乳腺癌中同时高表达的原因进行了调查 发现在一个乳腺癌样本中 该mRNA与R15种子序列配对的第8位A估计通过RN编辑被转变成IG 导致该靶基因不再受miR-55的抑制提示编辑也估计在mRA的去抑

19、制中发挥作用未发表资料、总之这些新的miRNA调控方式 改变了我们过去将miRNA等同于基因表达负调控因子的观点 提示iNA的调控作用具有多样性估计被动态调 节、 这些新的iR作用方式扩大和加深了我们对mRNA调控作用的认识和理解、 6 小结和展望 众多的证据表明在不同条件下 mRNA确实以 不同的作用机制抑制靶基因表达、 然而 目前还不明白iRN究竟是如何选择沉默的机制或通路的 这估计由特定的miRA和靶基因 或特定的组织和细胞来决定的也估计受控于不同的信号通路、 同样还有以下问题需要回答: miRISC中其他成分和辅助因子的作用是什么 mRSC结合的靶mRA是如何分选为衰减和储存的在胁迫条

20、件下 miRISC结合的靶mRN聚积到G颗粒中的生理作用是什么胞浆中的RNA颗粒是如何形成的 细胞中有多少种与miRNA沉默作用相关的RN颗粒 这些颗粒的组成成分是什么 这些问题的答案将使我们更全面、更准确地了解miRNA的作用机制。对新型小分子非编码RA的发现及机制的将是非编码RNA领域的重要发展方向。 目前 我们对iRNA的调控作用已有一定的认识 但对其他几种内源小分子非编码RA 如iRA siRNA等的和作用机制还知之甚少、 在过去的一年多 本组致力于iiR相互作用的初步的结果表明 pRNA估计通过调控组蛋白乙酰化修饰在表观遗传学水平调控基因表达 同时估计参与细胞周期的调控未发表资料、非

21、编码RNA是后基因组时代重要的科学问题 阐明小分子非编码RNA的和作用机制将有助于我们深入了解基因组的表达调控、 参考文献1Gaier ileon J、 MicroRNAs: ne cass fnereglator、 nMd 008 403: 19708 Lee Y Kim Han Je a。 iroRN gnesa transedy NA polmese 、B 004 23: 40514060 3 Bchrt G M Lanier W Davis B L。 RNA olymea ranscibs human microRNs。 t Stuct Mol Bl 206 32:10911 4 De

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