MiRNA与转录后调控

976
Cell,2005
计算机预测各种生物中miRNA靶基因的数目
Summary of major programs for the identification of animal miRNA targets
Name
Species
Number of target Ref.
TargetScan, TargetScanS Vertebrates
2,000 5,651 4,824 25,500 18,424 13,600 24,500
RNA的分类
Coding RNA
mRNA中的编码区（ORF)
Non-coding RNA (ncRNA)
除ORF以外的所有RNA品种和片段
ncRNA的数量
反转座子基因占基因组的45％ 可变剪接占多外显子基因的41－60％ 反向转录的占基因总数的10－20％
2003年，发现pre-rRNA(核糖体RNA)的形成过程中的一类RNase III类核酸酶Drosha负责 pri-miRNAs的加工。
2003年，发现pre-miRNA的出核运输依赖于Exportin-5。
2004年，发现pri-miRNAs末端有poly(A)尾；注入alpha amanitin(蝇蕈素)使人类细胞的pri-miRNAs水平剧减。提示miRNAs 基因由RNA polymerase II转录。
(I) MicroRNA 简介
(1)长度为21nt左右核苷酸的内源性单链小分子RNA；(2)存在65nt左右 的发夹结构前体；(3)基因座位在蛋白质基因间隔区；(4)其DNA序列在近 源物种间高度保守。
miRNA具有十分重要的调控功能，它们主要参与基因转录后水平的调控 。 能够通过与靶mRNA特异性的碱基配对引起靶mRNA的降解（植物中较为常见） 或者抑制其翻译（动物中较为常见），从而影响了靶mRNA的表达。
◇ microRNA首先在线虫中发现，9年后发现在多种生物中发挥基因调 控作用，引起科学界广泛关注。 Nature 420:732(2002) 2002年， MicroRNA赢得Science杂志评选的十大科技突破第一名。 Science 298:2296(2002) ◇ 至2005年9月，在动物、植物、病毒中已鉴定出 miRNA 共 2909 个 /Software/Rfam/mirna
88
E. coli
4,639
84
M. leprae
3,268
73 古细菌
P.horikoshii
1,739
87
M.jannaschii 1,665
83
S.solfataricus 2,992
77 真核生物
E.cuniculi
2,900
90
S.cerevisae
12,000
71
S.pombe
12,463
Science 309(5732):310-311,2005.
哺乳动物miRNAs的组织特异性
Nat. Rev. Genet. 5(7):522-31,2004.
(II) miRNA的表达及作用机制
Lin-4和let-7，由前体加工而来；成熟分子通过与各自靶基因 lin-14和lin-41 mRNA 3’UTR不完全反义互补, 抑制lin-14和lin41 mRNA的翻译。
Nat. Rev. Genet. 5(7):522-31,2004.
3. RNase III的作用特点
Cell 118(1), 2004 PLoS Biology 3(7), 2005
4. miRNA对靶基因的作用模式
○ 第一种以线虫lin-4为代表，作用时与靶基因不完全互补结合， 进而阻遏翻译而不影响mRNA的稳定性，这种miRNA是目前发现 最多的种类。
目前发现miRNA是一个庞大的小分子调控RNA家族，广泛存在于各种动植 物中，参与细胞增殖和分化、细胞凋亡、胚胎发育、形态建成以及疾病发 生等一系列重要的生命过程。
最近发现一系列与肿瘤发生相关的和人类病毒编码的miRNA，揭示miRNA 在哺乳动物基因表达调控中具有重要作用。
microRNA的发现与发展
○ 第二种以拟南芥miR-171为代表，作用时与靶标基因完全互补 结合，作用方式和功能与siRNA非常类似，最后切割靶mRNA， 这说明某些miRNA和siRNA一样参与了机体内一些特异性mRNA 的剪切过程。
○ 第三种以let-7为代表，它具有以上两种作用模式，当与靶基 因完全互补结合时，直接靶向切割mRNA，如果蝇和Hela细胞 中let-7直接介导RISC分裂切割靶mRNA；当与靶标基因不完全 互补结合时，起调节基因表达的作用，如线虫中的let-7与靶 mRNA3´端非翻译区不完全配对结合后，阻遏调节基因的翻译。
Nature 431(7006):350-355,2004.
计算机预测各种生物中miRNA基因的数目
Some major computational approaches used to identify animal miRNA genes
name
Species
Number of genes Ref.
2001年，发现RNAi中siRNA的成熟酶Dicer也是lin-4和let-7形成 所必需，提示RNAi和miRNA途径存在交叉。
2002年，发现拟南芥的miRNA-39与靶基因mRNAs完全互补，并导 致mRNAs在互补区中间切断。提示miRNA功能只取决于它与靶mRNA 3’UTR之间的互补程度。
Vertebrates
200/every miRNA
Nature genetics,2005
miRNAs的重要特点: 时序特异性与组织特异性
斑马鱼胚胎发育过程中90种miRNAs的表达 谱(microarray)。miRNAs在受精后早期一直
到卵裂开始(12hpf)并不表达，受精后一天陆 续表达，直到器官发生基本完成（96hpf)，大 多数miRNAs 的表达达到最高峰。
◇ 1993年，Dr. Victor R. Ambros 在线虫中发现了第一个miRNA lin4，与线虫的发育相关。Cell 75:843(1993)
相似的长度约为21～22nt的非编码小分子RNA。Science 294:853864(2001)
○ 第四种作用时与靶基因3’非翻译区结合，进而影响mRNA的稳 定性。
(III) miRNA 的功能
★ 随着越来越多miRNA的发现，除了lin-4和let-7在线 虫的发育过程中的时序控制作用外，人们发现其它生物 的多种多样的生物学现象和生理过程与之息息相关。特
别是在胚胎发育、细胞分化，以及肿瘤发 生方面尤为突出。
MiRscan
C. elegans Human
120 180-255
Genes Dev,2003 Science,2003
MiRseeker
Drosophila
110
Genome Biol,2003
MIRFINDER
A. thaliana
91-95
PNAS, Genome Biol,2004
Phylogenetic shadowing Human
1. miRNAs在线虫嗅觉神经细胞分化过程中的作用
真核生物mRNA的一般结构 structures
帽状结构 5’ m7GpppNm
AUG
UGA UAA UAG
定位信号 多聚A尾 AAUAAA poly(A) 3’
5’非编码区
编码区
3’非编码区
一些基因组中蛋白编码部分与非编码部分的比例
生物 基因组长度 蛋白编码部分
（kbp） （％）
真细菌
U. urelyticum 751
1. miRNA基因在染色体上的分布
Molecular Cell 16(6) , 2004
2. miRNAs的发生和作用机制模型
Nat. Rev. Genet. 5(7):522-31,2004.
2. miRNAs的发生和作用机制模型
(1) 核内由RNA polymerase II转录pri-miRNAs，由 Drosha加工为 pre-miRNAs； (2) pre-miRNAs由Exportin5在Ran-GTP存在下转运出核； (3) 细胞质中由Dicer剪切加 工,后解链成熟为 miRNAs； (4) miRNAs与多种蛋白结合， 形成RNA介导的沉默复合体 (RISC)，作用于靶基mRNA的 3’UTR，如果miRNA与 3’UTR存在完全互补，则导 致mRNA切断降解，如果互补 程度不高,则引起靶mRNA翻译 抑制。
转录后的调控 regulations
—转录作用产生出的 mRNA、tRNA、rRNA及小分子 RNA的初级转录本全是前体RNA，而不是成熟的 RNA，它们没有生物学活性，还要在酶的作用下，进 行加工才能变为成熟的，有活性的RNA。
—调控方式： 1. 5′末端帽子的生成 2. 3′末端多聚A尾的生成 3. 剪接作用 4. RNA编辑 5. 甲基化修饰 6. microRNA
最新估计的蛋白质基因数为24500个， 占基因组的约1.5%
1998年109次香山会 议中国科学家提出
了RNA组计划
PNAS, December 19 , 2000 vol 97 no. 26 14035-14037
RNomics的内涵
研究所有以RNA为终产物基因的 时空表达谱和其生物学含义
欧美已启动以非编码RNA为主要目标的科学计划
Only 2-5% of proteins in human genome have been identified
转 录 transcriptions
转录是指DNA指导的RNA合成。 反应是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化
下，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、 CTP及UTP为原 料，各种核苷酸之间的3′、5′ 磷酸二酯键相连进行的聚合反应。合成反应的 方向为5′→3′。 转录作用过程可以分为三个阶段：起始、延长 及终止。
442
Cell,2003
PatScan
A. thaliana
19 new
Mol Cell,2004
Conserved Seed Pairing
Human5
Motifs in 3’UTR
Human
5000 human gene Nature,2005
PicTar
欧盟的 “RNA调控网络与健康和疾病”计划 （RNA in health and disease “Ribonet” )
美国国家人类基因研究所提出 “DNA 百科全书”计 划
(Encyclopedia of DNA elements) 。
中国的 “调控RNA与人类疾病”973计划（屈良鹄）
中国的 “表观遗传学”973计划（裴钢）
部分已发现的microRNA
哺乳动物 脊椎动物
植物 病毒
人类 (321) 大猩猩 (86) 家犬 (6) 小鼠 (245) 鸡 (122) 爪蟾 (7) 斑马鱼 (362) 黑腹果蝇 (78) 秀丽线虫 (114) 拟南芥 (117) 水稻 (173) Epstein Barr virus (5) 人细胞巨化病毒 (9)
57
A.thaliana
115,410
29
C.elegans
97,000
27
D.melanogaster 180,000
13
H. sapiens 3,000,000
2
非编码部分
（％）
12 16 27
13 17 23
10 29 43 71 73 87 98
基因数
577 4,000 2,584
1,636 1,599 2,610
转录后调控
——microRNA的研究进展
分子遗传毒理实验室
Outlines
引言 miRNA简介 miRNA功能 miRNA的研究方法 miRNA and SNPs
基因组
转录组
蛋白组
The study of proteins expressed by genomes
Completion of the sequencing of the 1st draft of human genome indicates there are approximately 250,000 proteins in the human genome