MicroRNA动物发育中的功能使者9页word

MicroRNA动物发育中的功能使者MicroRNA：The Regulator of Animal DevelopmentTONG Le1 YANG Jun2*(1.School of Life Science, Wuhan University 430072；2.School of Life Science, Sichuan University, Chengdu 610041)【Abstract】MicroRNAs (miRNAs) are about 22nt small non-coding endogenous RNA molecules that post-transcriptionally regulate gene expression by base-pairing to mRNAs. Hundreds of miRNAs have been identified in various animals and many miRNAs are evolutionarily conserved，and space-time-specific. Many studies about the function of miRNA in animal development have showed that miRNAs play an important role in regulating early embryonic development，brain development，heart development, and kidney development．This article reviews recent studies on the function of miRNA in animal development.【Key Words】microRNA；embryonic development；brain development；heart development；kidney development在多细胞生物的发育中，在特定的时间和空间形成特定类型的细胞或组织是一个复杂的调控过程。

这个过程受到基因和蛋白因子的调控。

对于蛋白因子在生物发育过程的调控作用已经有了较为深入的研究，而对这个过程具有调控作用的RNA的研究还不是很多。

MicroRNA(miRNA)就是一类对基因表达具有调控作用的约22nt大小的内源性非编码RNA，广泛存在于从线虫到植物和动物的细胞中（Barrel et al，2004）,其表达具有组织和时期特异性，其中一些miRNA在进化上有很高的保守性(Wang et al，2009)。

MiRNA最先是通过对不能进行正常发育的线虫的基因进行筛选发现的，并证明miRNA在线虫的发育中具有调控特定细胞时序性发育的作用（Lee et al，1993）。

在后续的研究中，有6个物种约有3000多种miRNA 已经被鉴定出来（Griffiths et al，2006）。

本文对miRNA的产生、作用机制以及表达特点做了介绍，并结合最新的研究成果，阐述了miRNA在胚胎发育、脑发育、心脏发育和肾脏发育中的功能和研究进展。

一、MiRNA的产生和作用机制哺乳动物体内miRNA成熟体的生成分为几个复杂的过程。

起初，miRNA 基因在RNA聚合酶II的作用下翻译成为长片段的初级miRNAs（pri-miRNAs）（Carthew et al，2009）。

pri-miRNAs在Drosha酶和DGCR8蛋白形成的复合体的作用下被剪切成70~80bp的具有茎-环结构的miRNA前体（pre-miRNAs）（Carthew et al，2009）。

Pre-miRNAs具有的这种茎-环结构是miRNA区别于其他小分子RNA的特征性结构，是判断miRNA的重要标准（Friedman et al，2009）。

Drosha酶是一类核糖核酸酶，存在于细胞核内，对miRNA在细胞核内的生成具有重要的调控作用（Carthew et al，2009）。

DGCR8蛋白是一类RNA结合蛋白，包含两个双链RNA的结合区域，能与Drosha形成650 kDa大小的复合体，介导pre-miRNAs的生成（Han et al，2004）。

Pre-miRNAs在输出蛋白-5（Exportin-5）和辅因子Ran-GTP 的共同作用下被转运到细胞质中（Bohnsack et al，2004）。

在细胞质中，pre-miRNAs在核糖核酸酶Dicer和TRBP的作用下被剪切成长度为19-22bp的双链miRNA（Naga Prasad et a1，2009；Garzon et al，2010）。

Dicer 最初是在siRNA介导的RNAi中被发现的，并证实其具有促使长片段的双链siRNA形成短片段的干扰RNA的作用（Bernstein et al，2001）。

由于双链miRNA不具有相应的发夹结构，末端具有热力学不稳定性导致双链二聚体在解螺旋酶的作用下解离成为两条单链。

其中一条单链最终成为miRNA成熟体，另一条链则被降解（Khvorova et al，2003；Schwarz et al，2003；Hutvagner et al，2005）。

MiRNA成熟体被整合到核糖核蛋白中，形成RNAi的效应器―― RNA 介导的沉默复合体（RNA-inducing silencing complex,RISC）（Hutvagner et al，2002；Hammond et al，2000）。

RISC通过降解mRNA和抑制蛋白翻译这两种转录后调控的方法来下调mRNA的表达。

已有研究表明，转录后调控机制是由miRNA与靶点mRNA的配对情况所决定的：如果mRNA与miRNA 具有足够碱基的互补，mRNA将在miRNA介导的RISC的作用下被降解，从而下调相应蛋白的表达；如果mRNA与miRNA不具有足以引起mRNA降解的互补碱基数，但具有与miRNA互补位点合适的构象，通过构象的配对结合作用，蛋白的翻译同样会被抑制（Hutvagner et al,2002;Zeng et al，2002, 2003; Doench et al，2003）。

在动物中，miRNA的作用位点主要位于mRNA 的3`UTR，阻止了核糖体从mRNA上脱离，从而抑制蛋白翻译过程（Barrel，2004）。

二、MiRNA的生物学特点MiRNA表现出进化上的保守性、表达的时空特异性等特点。

进化上的保守性指某一DNA序列/基因在不同物种中表现出很高的同源性，也就是说，序列在这些物种中碱基变化很小。

已发现，大约40%的编码miRNA的序列位于宿主基因（Host Gene）的内含子区域。

对这些编码基因的研究发现，它们具有进化上的保守性，能与宿主基因一同在多种动物中表达（Rodriguez et al，2004；Baskerville et al，2005）。

例如，在斑马鱼和人类中都能表达定位在基因EGFL-7内含子位点上的miR-126（Wienholds et al，2005）。

MiRNA表达的时空特异性是指miRNA的表达会随动物个体发育阶段的不同出现特异性表达，从而有效调控个体的发育。

在对线虫（Caenorhabditis elegans）的研究中发现，lin-4和let-7两个miRNA分别在线虫发育过程中的不同时间表达，它们能通过作用于诸如lin-28、lin-4等miRNA基因来调控线虫的发育（Rachael A et al，2009）。

在脊椎动物中发现miRNA的表达存在组织特异性。

MiRNA表达的组织特异性是指特定的miRNA只在特定的组织中表达，也就说不同组织表达的miRNA是不同的。

如miR-1主要在哺乳动物的心脏中表达(Soukup et a1，2009)；miR-122在肝脏中表达(Robert et al，2010)；miR-223主要在小鼠骨髓中的粒细胞和巨噬细胞中表达(Chen et al, 2004)。

MiRNA的生物学特点提示miRNA与动物组织分化、个体发育和物种进化有关。

三、MiRNA在动物发育中的功能MiRNA具有多样的生物学功能，包括促进细胞凋亡、抑制细胞增殖、调控个体发育等(Tang et al，2007; Chen et al,2010)。

目前，研究miRNA 生物学功能的方法主要有以下三种：一、对获得或丧失某些生物学功能的个体进行基因组分析，从而鉴定出miRNA的生物学功能。

利用这一方法鉴定出的miRNA生物学功能较为准确；二、利用正向和反向遗传学（forwardand reverse genetics）研究miRNA的生物学功能，主要是通过对基因敲除小鼠和miRNA过量表达时的功能进行分析来鉴定其功能；三、利用基因芯片和原位分析技术研究miRNA的表达特性，从而为研究特定miRNA的功能奠定基础。

miRNA生物学功能是通过调控靶基因的表达来实现的，利用生物信息学分析发现每个miRNA拥有上百个靶点，也就是说一个miRNA的特异性表达能通过转录后沉默机制调节几个到数百个编码基因的表达（Rajewsky，2006）。

在发育过程中，一个特定miRNA表达异常将有可能促进或抑制大量编码基因的表达，而这些编码基因可能对动物的发育过程具有直接的调控作用。

这也就提示miRNA对动物发育的调节至关重要。

1.MiRNA在胚胎发育中的功能胚胎发育是一个复杂的过程，受多个水平的调控，包括DNA甲基化、组蛋白修饰等转录前调控和自体吞噬、miRNA等转录后调控。

研究发现，胚胎发育过程中会从母体内获得成熟的miRNA。

这些miRNA会通过与目的mRNA转录本（Transcripts）3’UTR的结合来诱导mRNA的降解(Brevini et al，2007)。

在对果蝇胚胎发育的研究中，Biemar等(2005)发现miR-309-6在果蝇胚胎早期发育过程中存在一个动态表达的情况；miR-1在形成原肠胚时的中胚层中特异性表达。

在卵子生成的过程中，如果Dicer失去功能将导致包括纺锤体紊乱、染色体不联会以及转录组和蛋白质组的改变等一系列发育缺陷性表型(Biemar et al，2005)。

Andersen等(2008)对沉默复合体形成过程中重要的因子EIF2C1在胚胎发育中的功能进行了研究。

由于EIF2C1的缺失将导致沉默复合体无法形成，进而使相应miRNA无法行使其生物学功能，将会导致发育停顿。

这提示沉默复合体的形成以及相应miRNA功能的行使能保障胚胎发育的正常进行，调控胚胎发育过程（Andersen et al, 2008）。