MicroRNA及其在人和动物上的研究进展
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1 microRNA 的特征及作用机制
1.1 microRNA 的特征
MicroRNA是一种非编码RNA, 具有以下几个特 点[5]: 首先, 通过Northern或从大小分级的小RNA文
收稿日期: 2006−10−30; 修回日期: 2006−12−06 作者简介: 盛熙晖(1983−), 女, 内蒙古人, 在读硕士, 专业方向: 动物分子育种。Tel: 010-62816002; E-mail: sxh03@ 通讯作者: 杜立新(1956−), 男, 陕西人, 博士, 教授, 研究方向: 动物遗传育种。Tel: 010-62819997; E-mail: lxdu@
其次, pri-miRNA在核内被RNaseⅢ核酸酶Drosha 加工成长约 70nt的发夹状的pre-miRNA[10]。在这个过 程中, Drosha和另外的一些成分(如人类中的DGCR8 蛋白、果蝇中的Pasha蛋白)构成一个微小RNA处理器 (microprocessor) 的 复 合 体 , pri-miRNA 在 这 个 microprocessor中被加工成pre-miRNA[11,12]。
万方数据
第6期
盛熙晖等: MicroRNA 及其在人和动物上的研究进展
653
体miRNP(也叫RISC), 通过与靶基因的 3′UTR区互 补配对, 指导miRNP复合体对靶基因mRNA进行切割 或者翻译抑制[14~16]。MiRNA到底是抑制还是切割取决 于miRNA与靶序列互补配对的程度, 互补配对高的可 能进行切割, 而配对低的就只是抑制[17]。
摘要: MicroRNA 是一种长约 22nt 的非编码 RNA, 通过与靶基因的 3′UTR 区结合来调控靶基因的表达。目前 已证实 miRNA 在生物体生长、发育和疾病发生等过程中发挥着重要的作用。文章介绍了 miRNA 的特征、作 用机制, 综述了关于 miRNA 的功能、miRNA 基因的鉴定与靶基因预测的最新研究进展。 关键词: microRNA; siRNA; 基因鉴定; 发育; 疾病
Low 蛋白质合成水平
Active level 功能
Translational level 发育过程中,调节内源基因的表达
Function 靶基因的命运
Regulate the expression of endogenous genes of development process
抑制翻译或者被降解
2 microRNA 的功能及其研究进展
近年来, 关于 miRNA 的研究已经从识别 miRNA、 阐明其作用机制, 转移到鉴定其功能。并且, 随着生物 信息学的预测方法、原位杂交、过量表达、基因沉默 技术等的发展, 一些 miRNA 的功能已经得到确认。这 些 miRNA 的作用遍及生命体的发生、生长、发育、 分化、信号转导、疾病和死亡的过程。表 2 列出了部 分已经确认功能的 miRNA。
2.1 miRNA 对动物发育的调控作用
miRNAs 在 动 物 体 内 的 功 能 首 先 发 现 于 线 虫 中 , 在线虫发育过程中, miRNA lin-4、let-7 等通过对lin-14、 lin-28 等异时性基因的调控, 从时间和空间上精确控 制各阶段的特异性发育[2 , 3]。
通过DNA芯片技术, Krichevskv等 [18]于 03 年证
Stem-loop pre-miRNA 一个
Dimeric for each precursor 催化酶
One Drosha、Dicer 或者类似 Dicer 的酶复合体
Catalytic enzyme 沉默复合物中的 AGO 蛋白
Drosha,Dicer or enzyme complex like dicer AGO1
转基因、病毒 RNA 或异染色质 DNA Transgenes,virusRNAs or heterochromatinDNAs
双链结构的 dsRNA dsRNA 多个 Many Dicer
AGO2
完全互补 Complete complementation
高 High 转录后水平 Post-transcriptional level 抑制转录活性,病毒感染,表型遗传 Transcriptional activity of inhibition,viral infection and phenotype hered 被降解 Degraded 可作用于 mRNA 的任何部位 Any position of mRNA 较低 Low
万方数据
652
HEREDITAS (Beijing) 2007
第 29 卷
库中进行克隆可以检测到约 22nt的转录本; 第二, 其前体具有发夹或折叠的二级结构, 不含有大的内 部环状结构和突起, 且成熟的miRNA应位于发夹结 构的颈部; 第三, 成熟的miRNA由Dicer加工而成, 伴随Dicer功能活性的减少, 可以检测到生物体中前体 的积聚; 第四, 成熟miRNA的序列和预测的发夹结构 在不同物种间是保守的[6]; 第五, 成熟的miRNA 5′端 有一磷酸基团, 3′端为羟基; 第六, 几乎所有的 miRNA从前体的一条臂上加工而来; 第七, miRNA 以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组 中, 且绝大多数定位于基因间隔区、编码基因的内含 子 区 或 非 编 码 RNA 的 外 显 子 和 内 含 子 区 ; 最 后 , miRNA的表达具有阶段性和组织特异性。
1.2 microRNA 与 siRNA 的异同
miRNA 与内源性的 siRNA 的加工成熟机制大 致相同, 它们都是由 22 个左右的核苷酸组成; 且都 是 Dicer 酶的产物; 它们在起干扰、调节作用时都会 和 RISC 复合体结合; 并且它们都可以在转录后和 翻译水平干扰以抑制靶标基因的翻译。
目前, 在各物种中共发现 4,449 个 miRNA, 其中在 人类中发现并已经得到实验证实的有 474 个(数据来源
于 miRBase Release 9.1: 2007.12.at http://microRNA.san )。这些 miRNA 的功能主要是调节生物体内与 机体生长、发育、疾病发生过程有关的基因的表达, 而 且研究人员推测人类中三分之一的基因都受到 miRNA 的调控。对 miRNA 的深入研究, 势必有利于我们对生 物体生理、病理机制的理解, 并为疾病的诊断和治疗以 及动植物的育种提供理论基础。
Abstract: MicroRNAs, a class of noncoding RNA of approximately 22 nucleotides, can regulate gene expression by bind-
ing to the regin of 3′ UTR of the target mRNAs. To date,it has been demonstrated for organism that miRNAs play an important role in growth,development,and occurrence of disease. This paper introduces the character and the active mechanism of miRNAs,and the newest progress in the research on the function of microRNA,the identification of microRNA gene and the prediction of target gene also are summarized here.
但是从它们的来源、保守性以及作用的靶分子 来看, 它们又具有不同之处, 二者的比较见表 1[7]。
1.3 microRNA 的作用机制
首先, miRNA的生成过程起始于pri-miRNA的 产生, 它由细胞核内编码miRNA的基因转录生成, 长度为几百到几千个核苷酸。Lee等 [8]证明其中一大 类miRNA由多聚酶Ⅱ(PolⅡ)转录, 而且一些miRNA 的转录本(如let-7)具有 5′帽和 3′poly(A)的结构。 Rodriguez等 [9]在基因组水平对miRNA的转录也进 行了分析, 哺乳动物中由内含子编码的miRNA, 其 转录酶应该是PolⅡ。
明了在哺乳动物脑发育阶段中miRNA表达的精确调 控, 约有 20%的miRNA的表达发生了显著变化, 其中 miR-9 和miR-131 表达失调时, 无早衰素的老鼠表现出 严重的大脑缺陷; 随后相继发现, miRNAs在调控线虫 神经系统发育过程中发挥重要作用[19,20]; 美国哈佛医 学院的研究人员研究发现, miRNA通过转录后抑制 HOX基因表达, 在脊椎动物发育过程中发挥重要作用 [21]; 美国华盛顿大学的研究人员证明在干细胞不断分 裂的过程中miRNA是必要的条件[22]; Bruneau [23]发现 了miRNA是心脏形成过程中的一个靶标; 同年, 美国 西北大学和卡耐基梅隆大学的研究人员合作研究发现, miRNA在调节卵生长过程中起到重要的作用。
Fate of target gene 作用位置
Inhibition of translation or degraded 主要作用于靶基因 3′-UTR 区
Binding site 物种间保守性
Conservative character
3′UTR of target mRNA 较高 High
siRNA
Progress on the research of microRNAs and its function in humans and animals
SHENG Xi-Hui , DU Li-Xin
Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100094, China
表 1 miRNA 和 siRNA 的区别
Table 1 The differences between miRNAs and siRNAs
名称
Name 来源
miRNA 内源转录本
Source 前体
Endogenous transcripts 茎环状的 pre-miRNA
Precursor 每个前体产生二聚体的数目
HEREDITAS (Beijing) 2007 年 6 月, 29(6): 651―658 ISSN 0253-9772
DOI: 10.1360/yc-007-0651
综述
MicroRNA 及其在人和动物上的研究进展
盛熙晖, 杜立新
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100094
AGO protein in RISC 匹配方式
不完全互补(动物)或者完全互补(植物)
Match with 作用目标的专一性
Incomplete complementation in animal or complete complementation in plant 相对较低
Specificity 作用点
最后, pre-miRNA在Ran-GTP依赖的核质/细胞质 转运蛋白exportin5 的作用下, 从核内运输到胞质中。 能与exportin5 结合的pre-miRNA必须具有大于 16nt配 对的茎和 3′末端有 2 个悬垂碱基的结构特点[13]。胞 质中pre-miRNA在Dicer酶的作用下, 被切割成双链的 miRNA∶miRNA*配对分子, 然后成熟的miRNA分子 被解链, 单链的miRNA进入一个核糖蛋白复合
Keywords: microRNA; siRNA; identification of genes; development; disease
MicroRNAs (miRNAs)是一类长约 22nt的非编码 的单链RNA分子, 广泛存在于从植物、线虫到人类的 细胞中[1], 其通过碱基配对的方式结合到靶mRNA 的 3′ 非翻译区(3′UTR), 从而抑制其翻译, 但不影响其 转录。最早发现miRNA是在 1993 年, Lee等[2]研究人员 在秀丽新小杆线虫(C.elegans)中发现了控制着线虫时 序性发育的lin-4。2000 年, Reinhart 等[3]发现了另一个 具有转录后调节功能的小分子RNA: let-7。随后的几年 时间里, 许多研究人员相继发现了这类RNA, 并将这 些具有时空表达特异性的非编码小分子RNA命名为 microRNA(miRNA)[4]。
1.1 microRNA 的特征
MicroRNA是一种非编码RNA, 具有以下几个特 点[5]: 首先, 通过Northern或从大小分级的小RNA文
收稿日期: 2006−10−30; 修回日期: 2006−12−06 作者简介: 盛熙晖(1983−), 女, 内蒙古人, 在读硕士, 专业方向: 动物分子育种。Tel: 010-62816002; E-mail: sxh03@ 通讯作者: 杜立新(1956−), 男, 陕西人, 博士, 教授, 研究方向: 动物遗传育种。Tel: 010-62819997; E-mail: lxdu@
其次, pri-miRNA在核内被RNaseⅢ核酸酶Drosha 加工成长约 70nt的发夹状的pre-miRNA[10]。在这个过 程中, Drosha和另外的一些成分(如人类中的DGCR8 蛋白、果蝇中的Pasha蛋白)构成一个微小RNA处理器 (microprocessor) 的 复 合 体 , pri-miRNA 在 这 个 microprocessor中被加工成pre-miRNA[11,12]。
万方数据
第6期
盛熙晖等: MicroRNA 及其在人和动物上的研究进展
653
体miRNP(也叫RISC), 通过与靶基因的 3′UTR区互 补配对, 指导miRNP复合体对靶基因mRNA进行切割 或者翻译抑制[14~16]。MiRNA到底是抑制还是切割取决 于miRNA与靶序列互补配对的程度, 互补配对高的可 能进行切割, 而配对低的就只是抑制[17]。
摘要: MicroRNA 是一种长约 22nt 的非编码 RNA, 通过与靶基因的 3′UTR 区结合来调控靶基因的表达。目前 已证实 miRNA 在生物体生长、发育和疾病发生等过程中发挥着重要的作用。文章介绍了 miRNA 的特征、作 用机制, 综述了关于 miRNA 的功能、miRNA 基因的鉴定与靶基因预测的最新研究进展。 关键词: microRNA; siRNA; 基因鉴定; 发育; 疾病
Low 蛋白质合成水平
Active level 功能
Translational level 发育过程中,调节内源基因的表达
Function 靶基因的命运
Regulate the expression of endogenous genes of development process
抑制翻译或者被降解
2 microRNA 的功能及其研究进展
近年来, 关于 miRNA 的研究已经从识别 miRNA、 阐明其作用机制, 转移到鉴定其功能。并且, 随着生物 信息学的预测方法、原位杂交、过量表达、基因沉默 技术等的发展, 一些 miRNA 的功能已经得到确认。这 些 miRNA 的作用遍及生命体的发生、生长、发育、 分化、信号转导、疾病和死亡的过程。表 2 列出了部 分已经确认功能的 miRNA。
2.1 miRNA 对动物发育的调控作用
miRNAs 在 动 物 体 内 的 功 能 首 先 发 现 于 线 虫 中 , 在线虫发育过程中, miRNA lin-4、let-7 等通过对lin-14、 lin-28 等异时性基因的调控, 从时间和空间上精确控 制各阶段的特异性发育[2 , 3]。
通过DNA芯片技术, Krichevskv等 [18]于 03 年证
Stem-loop pre-miRNA 一个
Dimeric for each precursor 催化酶
One Drosha、Dicer 或者类似 Dicer 的酶复合体
Catalytic enzyme 沉默复合物中的 AGO 蛋白
Drosha,Dicer or enzyme complex like dicer AGO1
转基因、病毒 RNA 或异染色质 DNA Transgenes,virusRNAs or heterochromatinDNAs
双链结构的 dsRNA dsRNA 多个 Many Dicer
AGO2
完全互补 Complete complementation
高 High 转录后水平 Post-transcriptional level 抑制转录活性,病毒感染,表型遗传 Transcriptional activity of inhibition,viral infection and phenotype hered 被降解 Degraded 可作用于 mRNA 的任何部位 Any position of mRNA 较低 Low
万方数据
652
HEREDITAS (Beijing) 2007
第 29 卷
库中进行克隆可以检测到约 22nt的转录本; 第二, 其前体具有发夹或折叠的二级结构, 不含有大的内 部环状结构和突起, 且成熟的miRNA应位于发夹结 构的颈部; 第三, 成熟的miRNA由Dicer加工而成, 伴随Dicer功能活性的减少, 可以检测到生物体中前体 的积聚; 第四, 成熟miRNA的序列和预测的发夹结构 在不同物种间是保守的[6]; 第五, 成熟的miRNA 5′端 有一磷酸基团, 3′端为羟基; 第六, 几乎所有的 miRNA从前体的一条臂上加工而来; 第七, miRNA 以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组 中, 且绝大多数定位于基因间隔区、编码基因的内含 子 区 或 非 编 码 RNA 的 外 显 子 和 内 含 子 区 ; 最 后 , miRNA的表达具有阶段性和组织特异性。
1.2 microRNA 与 siRNA 的异同
miRNA 与内源性的 siRNA 的加工成熟机制大 致相同, 它们都是由 22 个左右的核苷酸组成; 且都 是 Dicer 酶的产物; 它们在起干扰、调节作用时都会 和 RISC 复合体结合; 并且它们都可以在转录后和 翻译水平干扰以抑制靶标基因的翻译。
目前, 在各物种中共发现 4,449 个 miRNA, 其中在 人类中发现并已经得到实验证实的有 474 个(数据来源
于 miRBase Release 9.1: 2007.12.at http://microRNA.san )。这些 miRNA 的功能主要是调节生物体内与 机体生长、发育、疾病发生过程有关的基因的表达, 而 且研究人员推测人类中三分之一的基因都受到 miRNA 的调控。对 miRNA 的深入研究, 势必有利于我们对生 物体生理、病理机制的理解, 并为疾病的诊断和治疗以 及动植物的育种提供理论基础。
Abstract: MicroRNAs, a class of noncoding RNA of approximately 22 nucleotides, can regulate gene expression by bind-
ing to the regin of 3′ UTR of the target mRNAs. To date,it has been demonstrated for organism that miRNAs play an important role in growth,development,and occurrence of disease. This paper introduces the character and the active mechanism of miRNAs,and the newest progress in the research on the function of microRNA,the identification of microRNA gene and the prediction of target gene also are summarized here.
但是从它们的来源、保守性以及作用的靶分子 来看, 它们又具有不同之处, 二者的比较见表 1[7]。
1.3 microRNA 的作用机制
首先, miRNA的生成过程起始于pri-miRNA的 产生, 它由细胞核内编码miRNA的基因转录生成, 长度为几百到几千个核苷酸。Lee等 [8]证明其中一大 类miRNA由多聚酶Ⅱ(PolⅡ)转录, 而且一些miRNA 的转录本(如let-7)具有 5′帽和 3′poly(A)的结构。 Rodriguez等 [9]在基因组水平对miRNA的转录也进 行了分析, 哺乳动物中由内含子编码的miRNA, 其 转录酶应该是PolⅡ。
明了在哺乳动物脑发育阶段中miRNA表达的精确调 控, 约有 20%的miRNA的表达发生了显著变化, 其中 miR-9 和miR-131 表达失调时, 无早衰素的老鼠表现出 严重的大脑缺陷; 随后相继发现, miRNAs在调控线虫 神经系统发育过程中发挥重要作用[19,20]; 美国哈佛医 学院的研究人员研究发现, miRNA通过转录后抑制 HOX基因表达, 在脊椎动物发育过程中发挥重要作用 [21]; 美国华盛顿大学的研究人员证明在干细胞不断分 裂的过程中miRNA是必要的条件[22]; Bruneau [23]发现 了miRNA是心脏形成过程中的一个靶标; 同年, 美国 西北大学和卡耐基梅隆大学的研究人员合作研究发现, miRNA在调节卵生长过程中起到重要的作用。
Fate of target gene 作用位置
Inhibition of translation or degraded 主要作用于靶基因 3′-UTR 区
Binding site 物种间保守性
Conservative character
3′UTR of target mRNA 较高 High
siRNA
Progress on the research of microRNAs and its function in humans and animals
SHENG Xi-Hui , DU Li-Xin
Institute of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100094, China
表 1 miRNA 和 siRNA 的区别
Table 1 The differences between miRNAs and siRNAs
名称
Name 来源
miRNA 内源转录本
Source 前体
Endogenous transcripts 茎环状的 pre-miRNA
Precursor 每个前体产生二聚体的数目
HEREDITAS (Beijing) 2007 年 6 月, 29(6): 651―658 ISSN 0253-9772
DOI: 10.1360/yc-007-0651
综述
MicroRNA 及其在人和动物上的研究进展
盛熙晖, 杜立新
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100094
AGO protein in RISC 匹配方式
不完全互补(动物)或者完全互补(植物)
Match with 作用目标的专一性
Incomplete complementation in animal or complete complementation in plant 相对较低
Specificity 作用点
最后, pre-miRNA在Ran-GTP依赖的核质/细胞质 转运蛋白exportin5 的作用下, 从核内运输到胞质中。 能与exportin5 结合的pre-miRNA必须具有大于 16nt配 对的茎和 3′末端有 2 个悬垂碱基的结构特点[13]。胞 质中pre-miRNA在Dicer酶的作用下, 被切割成双链的 miRNA∶miRNA*配对分子, 然后成熟的miRNA分子 被解链, 单链的miRNA进入一个核糖蛋白复合
Keywords: microRNA; siRNA; identification of genes; development; disease
MicroRNAs (miRNAs)是一类长约 22nt的非编码 的单链RNA分子, 广泛存在于从植物、线虫到人类的 细胞中[1], 其通过碱基配对的方式结合到靶mRNA 的 3′ 非翻译区(3′UTR), 从而抑制其翻译, 但不影响其 转录。最早发现miRNA是在 1993 年, Lee等[2]研究人员 在秀丽新小杆线虫(C.elegans)中发现了控制着线虫时 序性发育的lin-4。2000 年, Reinhart 等[3]发现了另一个 具有转录后调节功能的小分子RNA: let-7。随后的几年 时间里, 许多研究人员相继发现了这类RNA, 并将这 些具有时空表达特异性的非编码小分子RNA命名为 microRNA(miRNA)[4]。