MicroRNA与细胞信号转导通路研究进展.
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者不仅证实m i RNA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,而且开始进一步探寻其发挥作用的分子机理。综述了m i RNA与细胞信号转导途径之间的关系,从而有助于从基因水平上理解疾病的发生机制,为疾病的诊断、治疗提供依据。
1m i RNA的发现与命名
早在1993年Lee等
[1]
利用遗传分析方法已经
Cui等[9]发现,近30%的信号网络蛋白(总共159个为m i RNA的靶。而在人类基因组中,m i R2 NA的靶基因仅占总基因数的17%左右,这似乎提示与其它蛋白相比,m i RNA更倾向于选择信号转导通路上的蛋白为靶,因而在信号调控方面扮演更为重要的角色。此外,同配体、细胞表面受体之类的上游信号因子相比,m i RNA似乎更多地以下游信号转导元件如转录因子,尤其是那些能招募更多下游元件的多连接效应器(high2link adap t or为靶。与此同时,m i RNA似乎避免去干扰基本的细胞程序,几乎从来不以细胞信号网络中的普通基本元件为靶,因为后者被多种细胞程序所高度共享,在各种条件下被频繁利用。此外,m i RNA还高度靶向那些具有正反馈连接的网络基序(最基本的网络元件,这些正反馈通路往往与超敏反应、生物稳定性以及转换行为等突发的网络特征有关[10,11]。由此可见,m i RNA的作用是多种多样的,它既可以通过关闭一些关键基因来改变细胞的分化转归,也可能与其靶基因产物相互作用形成调节环并与其他调节通路交织作用形成网络调控机制。
关键词:M icr oRNA
基因表达
基因调控
细胞信号转导
转导通路
Research Advances of M i croRNAs i n Si gnali n g Pathway
W ei Yunr ong
1
Lu Q ingxian
1
Lu Q ingjun
2
(1
Institute of Experi m ental M edicine,B asic M edical Sciences,Capital M edical U niversity,B eijing 100069;
・综述与专论・
生物技术通报
B I O TECHNOLOGYBULL ET I N
2010年第2期
M icroRNA与细胞信号转导通路研究进展
魏运荣
1
Hale Waihona Puke Baidu卢清显
1
卢清君
2
(1首都医科大学基础医学院,北京100069;2首都医科大学眼科学院北京市眼科学与视觉科学实验室重点实验室,北京100730
摘 要:成熟的m icr oRNA (m i RNA是一种长约22nt的非编码RNA,通过与靶基因的3′非翻译区(3′UTR结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA达6397个。m i RNA的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前研究者不仅证实m i RNA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,而且开始进一步探寻其发挥作用的分子机理。综述了m i RNA与细胞信号转导途径之间的关系,从而有助于从基因水平上理解疾病的发生机制,为疾病的诊断、治疗提供依据。
基因lin24被发现后,并未引起研究者太多的注意,因为尚未在其它生物中找到类似的RNA。直至Reinhart等[2]发现了另一个类似的具有转录后调节功能的小分子RNA:let27。由于两者卓越的时序调节功能,被命名为小时序RNA(s mall te mporal RNA, st RNA。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m icr oRNA(m i RNA[3],随着对这些m i RNA功能的逐步了解,对m i RNA的研究也成为新的热点。
2
School of O phthal m ology,V ision Science Laboratory,Capital M edical U niversity,B eijing 100730
Abs trac t:
M ature m i RNA s is a s ort of non coding RNA about 19-25nt in length,which can comp le ment t o the target mRNA by binding t o the regi on of 3′UTR and then regulatetheir exp ressi on .To date,about 6397m i RNA s have been fund a mong different s pe 2cies,the discovery of which opens a ne w window f or the research of gene exp ressi on .A t p resent,the researchers not only confir med that m i RNA s p lay an i m portant r ole in gr owth,devel opment,and occurrence of diseases,and als o began t o exp l oring the molecular mecha 2nis m of m i RNA s .This paper su mmarized relati onshi p bet w een m i RNA s and the signaling path way,thus,p r ovide the basis for disease di 2agnosis and therapy .
基因转录表达调控机制是系列复杂的过程,传统的中心法则已经不足以完全解释生命调控中的很多现象。近年来,越来越多的研究发现有一种小RNA也能参与基因转录调控,随着研究的深入,人
们对其功能的了解也越来越清楚。成熟的m icr oR 2
NA (m i RNA是一种长19-25nt的非编码RNA ,通过与靶基因的3′非翻译区(3′UTR结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA达6397个,其中在人类中发现并已经得到试验证实的有847个,小鼠中有609个,大鼠中有351个(htt p://m icr orna .sanger .ac .uk /。m i RNA的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前,研究
在线虫中发现一个22nt的小分子非编码RNA:lin 24。该基因具有以下特点:长度较小,不编码任何蛋
白质,转录成具有发夹结构的前体RNA ,前体RNA在剪切酶的作用下被加工成长度约20个核苷酸的
2010年第2期魏运荣等:M icr oRNA与细胞信号转导通路研究进展
RNA。这种转录产物在幼虫的L1后期表达,与lI N2 14mRNA的3′端非翻译区(UTR序列互补,当lin24与lI N214mRNA3′UTR互补结合时,可短暂下调lI N214编码的蛋白,使线虫由L1期向L2期转化。
2m i RNA的合成与作用机制
M icr oRNA(m i RNA是一种长约22nt的非编码RNA,m i RNA的生物合成需要复杂的蛋白系统,包括A rgonaute家族成员,PollⅡ以及RNA酶ⅢD r osha和D icer。m i RNA基因在核内由RNA聚合酶Ⅱ(Poll Ⅱ转录,最初产物是具有帽状结构和多聚腺苷尾巴的初级m i RNA(Pri2m i RNA。Pri2m i RNA在核酸酶D r osha和其辅因子Pasha的作用下被处理成70 nt的含茎环结构的前体m i RNA(Pre2m i RNA。Pre2 m i RNA被RAN2GTP和exportin5复合物输送到细胞质后,由核酸酶D icer将其剪切为22nt的双链m i RNA。过去认为由核酸酶D icer生成的双链m i R2 NA被很快引导进入RNA诱导的沉默复合体(R I SC中,其中成熟的m i RNA被保留,通过与其靶mRNA结合,调控靶基因表达的翻译过程[4,5]。但最近有研究发现,双链m i RNA也常常以适当的生理水平存在,并同样可与R I SC中的A rgonaute蛋白结合[6]。m i RNA对靶mRNA的调控作用已被证实与生物体的生长、发育和疾病发生等过程有重要关系。m i RNA与靶mRNA的作用方式有两种:当两者完全互补时,m i RNA可导致靶mRNA降解,结合部位通常在mRNA的编码区;而当两者不完全互补时, m i RNA则通过与靶mRNA3′端非翻译区结合,阻遏基因转录后的翻译过程。研究发现,每个m i RNA可以有多个靶基因,而几个m i RNA也可以共同调节同一靶基因,由此形成复杂的调控网络,精细调控基因的表达[7]。
3m i RNA与信号网络
m i RNA因其靶基因种类繁多且数目巨大,广泛地参与到许多细胞信号转导系统中,并与之共同构成复杂的调控网络,从而发挥多种生物学作用。
Yoo等[8]的研究第一次提及m i RNA参与到信号通路中并能影响细胞的分化转归。他们阐述了m i R261与L I N212/Notch及VAV21之间的相互联系。L I N212/Notch是细胞表面的一种受体,它调控着体内与细胞的发育分化有关的信号通路。对于C.elegans幼虫的外阴前体细胞P5.p和P7.p细胞, L I N212/Notch受体被激活后受体的胞内区被水解转位至核,在核内L I N212与DNA结合蛋白LAG21形成复合物,该复合物与m i R261的启动子结合激活其转录,说明信号通路能激活m i RNA的表达。m i R2 61与基因VAV21的mRNA3′UT R互补,抑制VAV2 1蛋白的表达,受VAV21抑制的L I N212活性反而增高。这样L I N212,m i R261及VAV21形成了一个反馈环使得L I N212的活性最大化。
92
生物技术通报B iotechnologyB u lletin2010年第2期
3.1m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路
信号转导通路如W nt、Notch、Hedgehog、P I3K/ AKT、RAS等在细胞活动中扮演着关键的角色。在肿瘤的发生及发展中,这些正常情况下调控细胞生长、分化的信号通路往往会发生紊乱和异常。许多证据提示,m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路具有密切的联系[12]。研究显示,一些肿瘤相关的信号转导通路直接调节某些特别的m i RNA的表达。如前所述,Yoo等[8]发现,L I N212/Notch信号通路直接涉及一个m i RNA基因2m i R261,在线虫的发育中可促进m i R261在外阴前体细胞(vulval p recurs or cells, VPCs中的表达,进而抑制vav癌基因同源物Vav21的翻译,而Vav21又能负调节lin212基因的活性。这个环形的调控机制构成了一个正反馈环,有助于使lin212的活性最大化并持续激活Notch信号通路。另外,Johns on等[13]采用高通量m i RNA芯片检测和实时定量PCR的方法检测了感染EB病毒三期的淋巴细胞系m i RNA的表达,结果与对照组相比,发现8个m i RNA(m i R221,m i R223a,m i R224,m i R2 27a,m i R234a,m i R2146a and b,and m i R2155表达上调,1个m i RNA(m i R228表达下调,推测可能是由于病毒病毒感染引起某些信号通路激活,从而引起m i RNA表达发生变化。
Key wo rd s:
M icr oRNA Gene exp ressi on
Gene regulati on
Cellular signal transducti on
Path way
收稿日期:2009212202
基金项目:国家自然科学基金(30670643,30870788,北京市自然科学基金(7052016,7093116作者简介:魏运荣,女,硕士,研究方向:M icr oRNA与细胞信号转导;E 2mail:weiyunr ong@yahoo .cn通讯作者:卢清君,E 2mail:s oovsl@163.com
1m i RNA的发现与命名
早在1993年Lee等
[1]
利用遗传分析方法已经
Cui等[9]发现,近30%的信号网络蛋白(总共159个为m i RNA的靶。而在人类基因组中,m i R2 NA的靶基因仅占总基因数的17%左右,这似乎提示与其它蛋白相比,m i RNA更倾向于选择信号转导通路上的蛋白为靶,因而在信号调控方面扮演更为重要的角色。此外,同配体、细胞表面受体之类的上游信号因子相比,m i RNA似乎更多地以下游信号转导元件如转录因子,尤其是那些能招募更多下游元件的多连接效应器(high2link adap t or为靶。与此同时,m i RNA似乎避免去干扰基本的细胞程序,几乎从来不以细胞信号网络中的普通基本元件为靶,因为后者被多种细胞程序所高度共享,在各种条件下被频繁利用。此外,m i RNA还高度靶向那些具有正反馈连接的网络基序(最基本的网络元件,这些正反馈通路往往与超敏反应、生物稳定性以及转换行为等突发的网络特征有关[10,11]。由此可见,m i RNA的作用是多种多样的,它既可以通过关闭一些关键基因来改变细胞的分化转归,也可能与其靶基因产物相互作用形成调节环并与其他调节通路交织作用形成网络调控机制。
关键词:M icr oRNA
基因表达
基因调控
细胞信号转导
转导通路
Research Advances of M i croRNAs i n Si gnali n g Pathway
W ei Yunr ong
1
Lu Q ingxian
1
Lu Q ingjun
2
(1
Institute of Experi m ental M edicine,B asic M edical Sciences,Capital M edical U niversity,B eijing 100069;
・综述与专论・
生物技术通报
B I O TECHNOLOGYBULL ET I N
2010年第2期
M icroRNA与细胞信号转导通路研究进展
魏运荣
1
Hale Waihona Puke Baidu卢清显
1
卢清君
2
(1首都医科大学基础医学院,北京100069;2首都医科大学眼科学院北京市眼科学与视觉科学实验室重点实验室,北京100730
摘 要:成熟的m icr oRNA (m i RNA是一种长约22nt的非编码RNA,通过与靶基因的3′非翻译区(3′UTR结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA达6397个。m i RNA的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前研究者不仅证实m i RNA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,而且开始进一步探寻其发挥作用的分子机理。综述了m i RNA与细胞信号转导途径之间的关系,从而有助于从基因水平上理解疾病的发生机制,为疾病的诊断、治疗提供依据。
基因lin24被发现后,并未引起研究者太多的注意,因为尚未在其它生物中找到类似的RNA。直至Reinhart等[2]发现了另一个类似的具有转录后调节功能的小分子RNA:let27。由于两者卓越的时序调节功能,被命名为小时序RNA(s mall te mporal RNA, st RNA。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m icr oRNA(m i RNA[3],随着对这些m i RNA功能的逐步了解,对m i RNA的研究也成为新的热点。
2
School of O phthal m ology,V ision Science Laboratory,Capital M edical U niversity,B eijing 100730
Abs trac t:
M ature m i RNA s is a s ort of non coding RNA about 19-25nt in length,which can comp le ment t o the target mRNA by binding t o the regi on of 3′UTR and then regulatetheir exp ressi on .To date,about 6397m i RNA s have been fund a mong different s pe 2cies,the discovery of which opens a ne w window f or the research of gene exp ressi on .A t p resent,the researchers not only confir med that m i RNA s p lay an i m portant r ole in gr owth,devel opment,and occurrence of diseases,and als o began t o exp l oring the molecular mecha 2nis m of m i RNA s .This paper su mmarized relati onshi p bet w een m i RNA s and the signaling path way,thus,p r ovide the basis for disease di 2agnosis and therapy .
基因转录表达调控机制是系列复杂的过程,传统的中心法则已经不足以完全解释生命调控中的很多现象。近年来,越来越多的研究发现有一种小RNA也能参与基因转录调控,随着研究的深入,人
们对其功能的了解也越来越清楚。成熟的m icr oR 2
NA (m i RNA是一种长19-25nt的非编码RNA ,通过与靶基因的3′非翻译区(3′UTR结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA达6397个,其中在人类中发现并已经得到试验证实的有847个,小鼠中有609个,大鼠中有351个(htt p://m icr orna .sanger .ac .uk /。m i RNA的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前,研究
在线虫中发现一个22nt的小分子非编码RNA:lin 24。该基因具有以下特点:长度较小,不编码任何蛋
白质,转录成具有发夹结构的前体RNA ,前体RNA在剪切酶的作用下被加工成长度约20个核苷酸的
2010年第2期魏运荣等:M icr oRNA与细胞信号转导通路研究进展
RNA。这种转录产物在幼虫的L1后期表达,与lI N2 14mRNA的3′端非翻译区(UTR序列互补,当lin24与lI N214mRNA3′UTR互补结合时,可短暂下调lI N214编码的蛋白,使线虫由L1期向L2期转化。
2m i RNA的合成与作用机制
M icr oRNA(m i RNA是一种长约22nt的非编码RNA,m i RNA的生物合成需要复杂的蛋白系统,包括A rgonaute家族成员,PollⅡ以及RNA酶ⅢD r osha和D icer。m i RNA基因在核内由RNA聚合酶Ⅱ(Poll Ⅱ转录,最初产物是具有帽状结构和多聚腺苷尾巴的初级m i RNA(Pri2m i RNA。Pri2m i RNA在核酸酶D r osha和其辅因子Pasha的作用下被处理成70 nt的含茎环结构的前体m i RNA(Pre2m i RNA。Pre2 m i RNA被RAN2GTP和exportin5复合物输送到细胞质后,由核酸酶D icer将其剪切为22nt的双链m i RNA。过去认为由核酸酶D icer生成的双链m i R2 NA被很快引导进入RNA诱导的沉默复合体(R I SC中,其中成熟的m i RNA被保留,通过与其靶mRNA结合,调控靶基因表达的翻译过程[4,5]。但最近有研究发现,双链m i RNA也常常以适当的生理水平存在,并同样可与R I SC中的A rgonaute蛋白结合[6]。m i RNA对靶mRNA的调控作用已被证实与生物体的生长、发育和疾病发生等过程有重要关系。m i RNA与靶mRNA的作用方式有两种:当两者完全互补时,m i RNA可导致靶mRNA降解,结合部位通常在mRNA的编码区;而当两者不完全互补时, m i RNA则通过与靶mRNA3′端非翻译区结合,阻遏基因转录后的翻译过程。研究发现,每个m i RNA可以有多个靶基因,而几个m i RNA也可以共同调节同一靶基因,由此形成复杂的调控网络,精细调控基因的表达[7]。
3m i RNA与信号网络
m i RNA因其靶基因种类繁多且数目巨大,广泛地参与到许多细胞信号转导系统中,并与之共同构成复杂的调控网络,从而发挥多种生物学作用。
Yoo等[8]的研究第一次提及m i RNA参与到信号通路中并能影响细胞的分化转归。他们阐述了m i R261与L I N212/Notch及VAV21之间的相互联系。L I N212/Notch是细胞表面的一种受体,它调控着体内与细胞的发育分化有关的信号通路。对于C.elegans幼虫的外阴前体细胞P5.p和P7.p细胞, L I N212/Notch受体被激活后受体的胞内区被水解转位至核,在核内L I N212与DNA结合蛋白LAG21形成复合物,该复合物与m i R261的启动子结合激活其转录,说明信号通路能激活m i RNA的表达。m i R2 61与基因VAV21的mRNA3′UT R互补,抑制VAV2 1蛋白的表达,受VAV21抑制的L I N212活性反而增高。这样L I N212,m i R261及VAV21形成了一个反馈环使得L I N212的活性最大化。
92
生物技术通报B iotechnologyB u lletin2010年第2期
3.1m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路
信号转导通路如W nt、Notch、Hedgehog、P I3K/ AKT、RAS等在细胞活动中扮演着关键的角色。在肿瘤的发生及发展中,这些正常情况下调控细胞生长、分化的信号通路往往会发生紊乱和异常。许多证据提示,m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路具有密切的联系[12]。研究显示,一些肿瘤相关的信号转导通路直接调节某些特别的m i RNA的表达。如前所述,Yoo等[8]发现,L I N212/Notch信号通路直接涉及一个m i RNA基因2m i R261,在线虫的发育中可促进m i R261在外阴前体细胞(vulval p recurs or cells, VPCs中的表达,进而抑制vav癌基因同源物Vav21的翻译,而Vav21又能负调节lin212基因的活性。这个环形的调控机制构成了一个正反馈环,有助于使lin212的活性最大化并持续激活Notch信号通路。另外,Johns on等[13]采用高通量m i RNA芯片检测和实时定量PCR的方法检测了感染EB病毒三期的淋巴细胞系m i RNA的表达,结果与对照组相比,发现8个m i RNA(m i R221,m i R223a,m i R224,m i R2 27a,m i R234a,m i R2146a and b,and m i R2155表达上调,1个m i RNA(m i R228表达下调,推测可能是由于病毒病毒感染引起某些信号通路激活,从而引起m i RNA表达发生变化。
Key wo rd s:
M icr oRNA Gene exp ressi on
Gene regulati on
Cellular signal transducti on
Path way
收稿日期:2009212202
基金项目:国家自然科学基金(30670643,30870788,北京市自然科学基金(7052016,7093116作者简介:魏运荣,女,硕士,研究方向:M icr oRNA与细胞信号转导;E 2mail:weiyunr ong@yahoo .cn通讯作者:卢清君,E 2mail:s oovsl@163.com