MicroRNA研究进展
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综 述与 专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOG Y BULLET IN
2010年第 12期
M icroRNA研究进展
赵奎 庞全海
( 山西农业大学动物科技学院, 太谷 030801)
摘 要: M icroRNA ( m iRNA ) 是生物体内源长度约为 21- 25个核苷酸的非 编码小 RNA, 通过与靶 mRNA 互补 配对而在 转录水平上对基因的表达进行 负调控, 导致 mRNA 的翻译抑制或降解。m iRNA 虽然微小, 但它在真核生物发育和基 因表达中 通过与靶 mRNA 形成完全或不完全互补配对从而扮演着重要角色。它们参与动物体发育、细胞增 殖与死亡、细胞分 化等各种 过程。综述了 m iRNA 的发现、生物合成、特征与功能、靶基因的预测等方面的研究进展。
制。 L in 4是在生物生长发育过程中起重要作用的 lin 14和 lin 28的负性调节因子。 2000 年, Re inhart 等 [ 3] 又在线虫中找到了第 2个调控时序性发育的基 因 let 7, 其转录物也被加工成大小为 21个核苷酸的 m iRNA, 也是 一个 负 调节 因子。人 们逐 渐 认识 到 m iRNA是一类进化保守, 在生物进化和疾病发展过 程中起着调控作用的重要分子, 通过抑制靶基因的 表达产生基因沉默效应 [ 4- 6] 。此后, 人们逐渐在人 类、果蝇、小鼠等多 种生物中 开展了 m iRNA s的研 究, 结果发现了数以百计的 m iRNAs。到 2009年 3 月, m iRB ase数据库 已更新到 13. 0 版本, 共发布 9 539种 m iRNA。
K ey w ords: m iRNA B io log ica l function G ene prediction
M icroRNA ( m iRNA ) 是一 类大小 约 21 - 25 个 核苷酸 ( n t) 的 RNA 分子, 一般来源于染 色体的非 编码区域, 由大约 70 n t大 小的可形成发夹结构的 前体加工而来, 其作用是在转录水平上对基因表 达产生抑制 性作用 [1]。作为 21世 纪生 命科 学研 究重大发现之一, 越来越多的资料显示, m iRNA 在 动物的基因表 达调控、细 胞分化 等过程 中起 着重 要的作用。
2 m iRNA 的生物合成过程
研究发现, 动物细胞内的 m iRNA 都是一组非编 码蛋白质的短序列 RNA [ 8] , 具有较高的 保守性 [ 9] 。 m iRNA 是由 RNA 聚合酶 II在基因组的不同区域转 录形成较长的 pre m iRNA, 通常有几百至上千个核苷 酸, 含有帽子和 polyA 尾巴结构, 二级结构呈特殊的 发夹形茎环, 然后加工而成 [ 10] 。经过核酸内切酶 ∀ Drosha及其辅助因子 DGCR8的识别和作用, pri m iR NA去除帽子和尾巴结构, 形成了 60- 75 nt的 m iR NA前体 ( pre m iRNA )。 pre m iRNA 的 5#带有磷酸基 团, 3#有 2 nt的突出。 pre m iRNA被核内转运蛋白 ex port in 5转运出细胞核进入细胞质。第二个核酸内切 酶 ∀ D icer 和 TRBP [ T ar ( H IV 1 ) RNA b ind ing pro tein] 复合物对 pre m iRNA进行切割形成短小的 m iR NA双链体, 然后双链体降解成为单链的 成熟 m iR NA[ 11] , 成熟的 m iRNA 通过与一种类似 R ISC ( RNA induced silencing com plex ) 的核 糖核蛋白结合 形成 m iRNP, 识别靶基因从而发挥生物功能[ 12] (图 1)。
英国的 Sanger中心专门成立了 m iRNA 的数据 库 ( h ttp: / /www. sanger. ac. uk / Softw are /R fam /m ir
收稿日期: 2010 06 07 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 30972223) , 山西农业大学基金项目 ( 412528, 614114) 作者简介: 赵奎, 男, 硕士研究生, 研究方向: 动物临床疾病的细胞及分子生物学研究; E m ai:l zhaoku ihappy@ 163. com 通讯作者: 庞全海, 教授, 博士生导师, E m ai:l pangquanha@i 126. com
关键词: m iRNA 生物学功能 靶基 因预测
The Research Progress ofM icroRNA
Zhao Ku i Pang Q uanha i
( College of Anim al Science and Veterinary M edicine, Shanx iAgriculture University, T aigu 030801)
3 m iRNA 的特征与功能
3. 1 m iRNA 的特征 m iRNA 有几个明显的特征: ( 1) 广泛存在于真
核生物中, 是一组不编码蛋白质的短序列 RNA, 它 本身不具有开放阅读框架 ( 0RF ) 及蛋白质编码基因 的特点, 而是由不同于 mRNA 的独立转录单位表 达 的; ( 2) 通 常的长度为 21 - 25 n,t 但在 3#端可以有
3. 2. 2 m iRNA 参与 细胞 分化 和组 织发 育 T ay 等 [ 19] 研究结果发现, 小鼠胚胎干细胞在视黄酸诱导 下第 4天高表达 m iR 134, 在 N2B27诱导下第 2天 高表达 m iR 134。单独上 调 m iR 134的表 达, 可以 促进小鼠胚胎干细胞向外胚层分化, 且这一作用可 被 m iR 134的抑制剂阻断。在肌肉发育方面, C lop 等 [ 20] 证实, T exel绵羊中的 GDF 8基因的 3#U TR 内 的一个点突变产生了可以在骨骼肌内高度表达的两
Βιβλιοθήκη Baidu 8
生物技术通报 B iotechnology Bulletin
2010年第 12期
na), 以对发现 的 m iRNA 进行统 一的归类 和编号。 所有 m iRNA以 m iR!作为前缀, 在其后加上唯一的 标示性识别号码, 如 m iR 2、m iR 89等, 而编码 m iR NA 的基因也用同样的三字母前缀, 但应当注意的 是, 根据生物体惯用的不 同, 有的生 物体中需要大 写, 用连字符。如在线虫和果蝇体内为 m iR 1, 而在 拟南芥中, 应为 M IR156。识别码是按顺序给出, 不同 的生物体, 同样的 m iRNA 有相同的识别码, 非常相近 的同源 物也可 以有 相同 的识 别码, 如 果蝇 体内 的 m iR 1和线虫及人类的 m iR 1。同一物种中相同或非 常相近的 m iRNA 序列可以有相同的识别码, 用字母 或数字后缀区别, 如果蝇的 m iR 13a和 m iR 13b, 指序 列有轻微差异的转录本; 而 m iR 6 1和 m iR 6 2则为 相同的转录本 [ 7] 。
Abstrac:t M icroRNA ( m iRNA ) a re a class o f endogenous noncod ing sing le stranded RNA w ith about 21- 25 nuc leo tides leng th. M icroRNA func tion as sequence spec ific nega tive regu la tors in post transc riptiona l g ene silencing by base pa ir ing w ith target mRNA s, wh ich leads to mRNA cleavage or transla tiona l repression. A lthough they are tiny, in eukaryotes, m icroRNA play im po rtant ro les in gene expression regu lation, typ ica lly by fo rm ing pe rfect or imperfect duplexes w ith targe t m essenger RNA s. These m iRNA are invo lved in physica l deve lopm ent, death pro liferation, and d ifferentiation of ce l.l T his rev iew tries to have a br ief introduction on the prog resses of m iRNA study, such as the d iscove ry, b iogenesis, feature and func tions, and gene pred ic tion.
1- 2个碱基的长 度变 化; ( 3) 成熟 的 m iRNA 是由 D icer酶从折叠的发夹状转录前体的一条臂上切割 得来; ( 4) m iRNA 定位于能潜在编码其前体发夹结 构的蛋白质非编码区域; ( 5) 成熟 m iRNA 的序列和 预测的发夹结构在不同物种间具有高度的进化保守 性, 在线 虫中 所发 现的 m iRNA 85% 都 可以 在 C. briggsae基因组中找到同源序列, 同样, 拟南芥中也 有 m iRNA与水稻中的 m iRNA 找到了完全一样的序 列, 在拟南芥、水稻和烟草中也发现 m iR 171相似序 列 [ 14] ; ( 6) 表达具有严格的时 空性和组织特异 性, 试验证明, m iR 3- m iR 7基因只在果蝇早期胚胎形 成时表达, 而 m iR l、m iR 8和 m iR 12的含量在果蝇 幼虫阶段急剧上升并在成虫期维持在较高水平, 与 此同时, m iR 9和 m iR 1 l的含量却急剧减少。在组 织培养的 S2细胞 ( Schne ider 2细胞 ) 可发现 m iR 12 等, 却 无 法 找 到 m iR 3 - m iR 6; 类 似 地, m iR 171 ( m iR 39)在拟南芥的花序和花组织中高水平表达, 而在茎、叶组织中却没有表达的迹象 [ 15] 。根据以上 特征都暗示着 m iRNA 可能参与了深远而复杂的基 因表达调控, 并决定发育和行为等的变化 [ 16, 17] 。
2010年第 12期
赵奎等: M icroRNA 研究进展
9
3. 2. 1 m iRNA 调节细胞的早期发育 T ang等 [ 18] 通过实时定量 PCR方法比较鼠未成熟卵子、成熟卵 子、合子 m iRNA 表达谱, 结果显示, 未成熟卵子在逐 渐发育成熟过程中 m iRNA的表达呈现动态变化, 但 检测可见成熟卵子与合子的 m iRNA 表达谱基本一 致, 而随着合子发育由单细胞分裂增殖形成 2 细胞 胚时, m iRNA 不断被降解导致其总量下降达 60% ; 在 2细胞发育到 4细胞期时, m iRNA 的表达又开始 上调, 其中 m iR 290簇上调达 15倍。比较正常小鼠 与 D icer突变体鼠的成熟卵子基因表达谱可见, 大 部分母源性的基因表达受胞内 m iRNA 分子的直接 或间接调控, 从而表明母源性来源的 m iRNA 分子对 小鼠早期的胚胎发育是必需的。
1 m iRNA 的发现和命名
1993年, L ee等 [ 2] 在秀丽隐杆线虫中利用定位 克隆法克隆了第 1个能阶段性调控胚胎后期发育的 基因 lin 4, 该基因不编码蛋 白质, 但是编码长度约 22 nt的 m iRNA。 L in 4的发现及其翻译抑制作用提 示, 在生长发育过程中存在着一种新的基因调节机
图 1 m iRNA 生物合成成模式图 [ 13]
3. 2 m iRNA的生物学功能 在生物的整个发育过程中, m iRNA 可能有调节
细胞早期发育, 参与细胞分化和组织发育, 调控基因 表达的生物功能, 主要的作用是调控基因表达。通 过两种机制调节靶基因的表达: ( 1) 结合到靶 mR NA 3#端非翻译区 ( 3#UTRs) , 抑制其翻译; ( 2) 像 siR NA 作用一样结合到靶上并降解靶 mRNA。m iRNA 与 siRNA 的功能相似, 并且二者从前体加工过程中 都依赖于相同的 D icer酶的参与。
生物技术通报
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2010年第 12期
M icroRNA研究进展
赵奎 庞全海
( 山西农业大学动物科技学院, 太谷 030801)
摘 要: M icroRNA ( m iRNA ) 是生物体内源长度约为 21- 25个核苷酸的非 编码小 RNA, 通过与靶 mRNA 互补 配对而在 转录水平上对基因的表达进行 负调控, 导致 mRNA 的翻译抑制或降解。m iRNA 虽然微小, 但它在真核生物发育和基 因表达中 通过与靶 mRNA 形成完全或不完全互补配对从而扮演着重要角色。它们参与动物体发育、细胞增 殖与死亡、细胞分 化等各种 过程。综述了 m iRNA 的发现、生物合成、特征与功能、靶基因的预测等方面的研究进展。
制。 L in 4是在生物生长发育过程中起重要作用的 lin 14和 lin 28的负性调节因子。 2000 年, Re inhart 等 [ 3] 又在线虫中找到了第 2个调控时序性发育的基 因 let 7, 其转录物也被加工成大小为 21个核苷酸的 m iRNA, 也是 一个 负 调节 因子。人 们逐 渐 认识 到 m iRNA是一类进化保守, 在生物进化和疾病发展过 程中起着调控作用的重要分子, 通过抑制靶基因的 表达产生基因沉默效应 [ 4- 6] 。此后, 人们逐渐在人 类、果蝇、小鼠等多 种生物中 开展了 m iRNA s的研 究, 结果发现了数以百计的 m iRNAs。到 2009年 3 月, m iRB ase数据库 已更新到 13. 0 版本, 共发布 9 539种 m iRNA。
K ey w ords: m iRNA B io log ica l function G ene prediction
M icroRNA ( m iRNA ) 是一 类大小 约 21 - 25 个 核苷酸 ( n t) 的 RNA 分子, 一般来源于染 色体的非 编码区域, 由大约 70 n t大 小的可形成发夹结构的 前体加工而来, 其作用是在转录水平上对基因表 达产生抑制 性作用 [1]。作为 21世 纪生 命科 学研 究重大发现之一, 越来越多的资料显示, m iRNA 在 动物的基因表 达调控、细 胞分化 等过程 中起 着重 要的作用。
2 m iRNA 的生物合成过程
研究发现, 动物细胞内的 m iRNA 都是一组非编 码蛋白质的短序列 RNA [ 8] , 具有较高的 保守性 [ 9] 。 m iRNA 是由 RNA 聚合酶 II在基因组的不同区域转 录形成较长的 pre m iRNA, 通常有几百至上千个核苷 酸, 含有帽子和 polyA 尾巴结构, 二级结构呈特殊的 发夹形茎环, 然后加工而成 [ 10] 。经过核酸内切酶 ∀ Drosha及其辅助因子 DGCR8的识别和作用, pri m iR NA去除帽子和尾巴结构, 形成了 60- 75 nt的 m iR NA前体 ( pre m iRNA )。 pre m iRNA 的 5#带有磷酸基 团, 3#有 2 nt的突出。 pre m iRNA被核内转运蛋白 ex port in 5转运出细胞核进入细胞质。第二个核酸内切 酶 ∀ D icer 和 TRBP [ T ar ( H IV 1 ) RNA b ind ing pro tein] 复合物对 pre m iRNA进行切割形成短小的 m iR NA双链体, 然后双链体降解成为单链的 成熟 m iR NA[ 11] , 成熟的 m iRNA 通过与一种类似 R ISC ( RNA induced silencing com plex ) 的核 糖核蛋白结合 形成 m iRNP, 识别靶基因从而发挥生物功能[ 12] (图 1)。
英国的 Sanger中心专门成立了 m iRNA 的数据 库 ( h ttp: / /www. sanger. ac. uk / Softw are /R fam /m ir
收稿日期: 2010 06 07 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 30972223) , 山西农业大学基金项目 ( 412528, 614114) 作者简介: 赵奎, 男, 硕士研究生, 研究方向: 动物临床疾病的细胞及分子生物学研究; E m ai:l zhaoku ihappy@ 163. com 通讯作者: 庞全海, 教授, 博士生导师, E m ai:l pangquanha@i 126. com
关键词: m iRNA 生物学功能 靶基 因预测
The Research Progress ofM icroRNA
Zhao Ku i Pang Q uanha i
( College of Anim al Science and Veterinary M edicine, Shanx iAgriculture University, T aigu 030801)
3 m iRNA 的特征与功能
3. 1 m iRNA 的特征 m iRNA 有几个明显的特征: ( 1) 广泛存在于真
核生物中, 是一组不编码蛋白质的短序列 RNA, 它 本身不具有开放阅读框架 ( 0RF ) 及蛋白质编码基因 的特点, 而是由不同于 mRNA 的独立转录单位表 达 的; ( 2) 通 常的长度为 21 - 25 n,t 但在 3#端可以有
3. 2. 2 m iRNA 参与 细胞 分化 和组 织发 育 T ay 等 [ 19] 研究结果发现, 小鼠胚胎干细胞在视黄酸诱导 下第 4天高表达 m iR 134, 在 N2B27诱导下第 2天 高表达 m iR 134。单独上 调 m iR 134的表 达, 可以 促进小鼠胚胎干细胞向外胚层分化, 且这一作用可 被 m iR 134的抑制剂阻断。在肌肉发育方面, C lop 等 [ 20] 证实, T exel绵羊中的 GDF 8基因的 3#U TR 内 的一个点突变产生了可以在骨骼肌内高度表达的两
Βιβλιοθήκη Baidu 8
生物技术通报 B iotechnology Bulletin
2010年第 12期
na), 以对发现 的 m iRNA 进行统 一的归类 和编号。 所有 m iRNA以 m iR!作为前缀, 在其后加上唯一的 标示性识别号码, 如 m iR 2、m iR 89等, 而编码 m iR NA 的基因也用同样的三字母前缀, 但应当注意的 是, 根据生物体惯用的不 同, 有的生 物体中需要大 写, 用连字符。如在线虫和果蝇体内为 m iR 1, 而在 拟南芥中, 应为 M IR156。识别码是按顺序给出, 不同 的生物体, 同样的 m iRNA 有相同的识别码, 非常相近 的同源 物也可 以有 相同 的识 别码, 如 果蝇 体内 的 m iR 1和线虫及人类的 m iR 1。同一物种中相同或非 常相近的 m iRNA 序列可以有相同的识别码, 用字母 或数字后缀区别, 如果蝇的 m iR 13a和 m iR 13b, 指序 列有轻微差异的转录本; 而 m iR 6 1和 m iR 6 2则为 相同的转录本 [ 7] 。
Abstrac:t M icroRNA ( m iRNA ) a re a class o f endogenous noncod ing sing le stranded RNA w ith about 21- 25 nuc leo tides leng th. M icroRNA func tion as sequence spec ific nega tive regu la tors in post transc riptiona l g ene silencing by base pa ir ing w ith target mRNA s, wh ich leads to mRNA cleavage or transla tiona l repression. A lthough they are tiny, in eukaryotes, m icroRNA play im po rtant ro les in gene expression regu lation, typ ica lly by fo rm ing pe rfect or imperfect duplexes w ith targe t m essenger RNA s. These m iRNA are invo lved in physica l deve lopm ent, death pro liferation, and d ifferentiation of ce l.l T his rev iew tries to have a br ief introduction on the prog resses of m iRNA study, such as the d iscove ry, b iogenesis, feature and func tions, and gene pred ic tion.
1- 2个碱基的长 度变 化; ( 3) 成熟 的 m iRNA 是由 D icer酶从折叠的发夹状转录前体的一条臂上切割 得来; ( 4) m iRNA 定位于能潜在编码其前体发夹结 构的蛋白质非编码区域; ( 5) 成熟 m iRNA 的序列和 预测的发夹结构在不同物种间具有高度的进化保守 性, 在线 虫中 所发 现的 m iRNA 85% 都 可以 在 C. briggsae基因组中找到同源序列, 同样, 拟南芥中也 有 m iRNA与水稻中的 m iRNA 找到了完全一样的序 列, 在拟南芥、水稻和烟草中也发现 m iR 171相似序 列 [ 14] ; ( 6) 表达具有严格的时 空性和组织特异 性, 试验证明, m iR 3- m iR 7基因只在果蝇早期胚胎形 成时表达, 而 m iR l、m iR 8和 m iR 12的含量在果蝇 幼虫阶段急剧上升并在成虫期维持在较高水平, 与 此同时, m iR 9和 m iR 1 l的含量却急剧减少。在组 织培养的 S2细胞 ( Schne ider 2细胞 ) 可发现 m iR 12 等, 却 无 法 找 到 m iR 3 - m iR 6; 类 似 地, m iR 171 ( m iR 39)在拟南芥的花序和花组织中高水平表达, 而在茎、叶组织中却没有表达的迹象 [ 15] 。根据以上 特征都暗示着 m iRNA 可能参与了深远而复杂的基 因表达调控, 并决定发育和行为等的变化 [ 16, 17] 。
2010年第 12期
赵奎等: M icroRNA 研究进展
9
3. 2. 1 m iRNA 调节细胞的早期发育 T ang等 [ 18] 通过实时定量 PCR方法比较鼠未成熟卵子、成熟卵 子、合子 m iRNA 表达谱, 结果显示, 未成熟卵子在逐 渐发育成熟过程中 m iRNA的表达呈现动态变化, 但 检测可见成熟卵子与合子的 m iRNA 表达谱基本一 致, 而随着合子发育由单细胞分裂增殖形成 2 细胞 胚时, m iRNA 不断被降解导致其总量下降达 60% ; 在 2细胞发育到 4细胞期时, m iRNA 的表达又开始 上调, 其中 m iR 290簇上调达 15倍。比较正常小鼠 与 D icer突变体鼠的成熟卵子基因表达谱可见, 大 部分母源性的基因表达受胞内 m iRNA 分子的直接 或间接调控, 从而表明母源性来源的 m iRNA 分子对 小鼠早期的胚胎发育是必需的。
1 m iRNA 的发现和命名
1993年, L ee等 [ 2] 在秀丽隐杆线虫中利用定位 克隆法克隆了第 1个能阶段性调控胚胎后期发育的 基因 lin 4, 该基因不编码蛋 白质, 但是编码长度约 22 nt的 m iRNA。 L in 4的发现及其翻译抑制作用提 示, 在生长发育过程中存在着一种新的基因调节机
图 1 m iRNA 生物合成成模式图 [ 13]
3. 2 m iRNA的生物学功能 在生物的整个发育过程中, m iRNA 可能有调节
细胞早期发育, 参与细胞分化和组织发育, 调控基因 表达的生物功能, 主要的作用是调控基因表达。通 过两种机制调节靶基因的表达: ( 1) 结合到靶 mR NA 3#端非翻译区 ( 3#UTRs) , 抑制其翻译; ( 2) 像 siR NA 作用一样结合到靶上并降解靶 mRNA。m iRNA 与 siRNA 的功能相似, 并且二者从前体加工过程中 都依赖于相同的 D icer酶的参与。