小RNA和表观遗传修饰

小RNA和表观遗传修饰

东北师范大学细胞与遗传研究所06级研究生

摘要：

小RNA是广泛存在于生物体中的一类主要起调控基因表达作用而非指导蛋白质合成的RNA。siRNA和microRNA是小RNA中重要的两种，而且发挥着各自不可替代的功能。二者都能抑制mRNA的表达，但作用方式又各有不同，siRNA主要以RNAi（RNA interference）的方式导致基因沉默；microRNA却在细胞增殖，分化等活动中发挥关键的调控作用。本文详细介绍了siRNA和microRNA的生物合成，siRNA和microRNA所介导的基因沉默机制，以及siRNA在酵母，植物，人体内通过引发表观遗传修饰的变化调节基因表达的机制模型，最后讨论了siRNA和microRNA对于在疾病治疗和药物研发方面的影响。

关键词：

RNAi siRNA microRNA表观遗传修饰

前言：

在真核生物中，核小体组蛋白的修饰是改变染色质结构，调节基因转录的重要机制，各种组蛋白的修饰作为表观遗传信息被特定的激活因子和抑制因子所识别，在未改变DNA 序列的情况下使表型发生了改变，形成了所谓的组蛋白密码。已有文献表明：组蛋白H3的N末端9位Lys的甲基化对于抑制染色质的转录活性起到关键作用（1，2，3，4）。相反，在酵母，线虫，果蝇和哺乳动物中组蛋白H3的9位Lys的甲基化也普遍存在于活跃转录基因的染色质上（4，5，6，7，8）。与H3K9Me相对应，在植物及某些菌类中也在DNA上存在5-甲基胞嘧啶，从而更加抑制了基因转录。

真核生物的染色质包括常染色质和异染色质。异染色质上常伴有组蛋白低乙酰化以及高含量的H3K9Me的特征，而且在植物和哺乳动物的异染色质上DNA常为高甲基化状态（1，9，10）。而且，组蛋白H3的甲基化对于异染色质上一些保守蛋白的结合是必要的。例如：异染色质蛋白1即HP1（11，12）。尽管关于异染色质形成的一些通路已经被集中的研究，这一过程的起始步骤目前仍然很模糊。而如今，特异的非编码RNA分子被认为在诱导异染色质的形成过程中起到关键的作用（13，14，15）。特别是dsRNA，也叫“short RNA”对于染色质活性的抑制是一个RNA分子参与表观遗传调控的很好的例子。

在基因表达调控的小分子RNA中，siRNA和microRNA是存在于哺乳动物和植物中的很重要的一类小RNA，它们也是近期受到广泛关注的重要的小分子RNA。其中，microRNA （miRNA）长度约21－25nt，来源于内源的发夹结构RNA，经常靶定于与其序列相似但不完全相同的基因上，行使转录抑制的作用。而siRNA通常来源于外源的长在的双链RNA或内源的dsRNA，通常靶定于同源序列上，通过RNAi的方式起作用，人们已经发现，microRNA 和siRNA都能够抑制mRNA的翻译而且能够使mRNA降解。目前已经被公认：microRNA 对于植物动物的生长发育起到重要的调控作用，相对应的，siRNA主要在抗病毒和RNAi 介导的转录抑制方面起关键作用，这些都表明这类RNA在基因表达调控上起到广泛和重要的作用。而随着对microRNA研究的深入，动物和植物的microRNA数据库也在不断的建立和完善中，/Software/Rfam/mirna，搜集了大部分的关于动植物的microRNA信息。同时，针对人的siRNA的数据库近期也被发布，，和http://siRNA.cgb.ki.se，这两个数据库包括了已经有

试验证实的数百个人的siRNAd的信息和上千的人为设计并储存的siRNA数据信息。相信在不久的将来microRNA和siRNA有望对人类疾病的研究产生重大的影响。本文详细介绍了microRNA和siRNA的生物合成机制，dsRNA介导的基因沉默机制，在微生物，植物，动物中小RNA介导的表观遗传修饰和异染色质形成模型，以及microRNA和siRNA在疾病和药物研究中的一些应用。

1 小分子RNA的生物合成

1．1 miRNA的生物合成

miRNA的生物合成机制近期被阐明是主要由RNA聚合酶Ⅱ转录产生的。转录启始产物是一个很大的RNA前体，被称为pri-miRNAs。然后在细胞核内：pri-miRNA被RNaseⅢ，Drosha，双链RNA蛋白以及Pasha（也称为DGCR8）经剪切修饰而形成约70核苷酸的pre-miRNAs，它折叠成非规则的发夹结构。接下来约70核苷酸的pre-miRNA经由RAN GTP 依赖的Exportin5运出细胞核，在细胞质中受到属于另一类RNaseⅢ的Dicer的进一步的剪切加工，形成长约22个核苷酸的成熟双链miRNA。成熟的miRNA与miRISC复合物结合行使转录调控的作用。

Drosha存在于细胞核内，至少由两部分组成，其中较大的复合物包括：一系列的RNA 相关蛋白，如RNA解旋酶，与RNA双链结合的蛋白，新型的各种核糖核蛋白以及Ewings sarcoma家族蛋白（16）。而其中较小的复合物包括：Drasha，双链结合蛋白，DGCR8（也被称为Drasha）等（16，17，18，19，）。

1．2 siRNA的生物合成

siRNA的生物合成来源于Dicer对于双链RNA前体的剪切，而不需要Drasha（20，21）。双链RNA前体既可以来源于体内，也可以来源于体外。在体内，可以通过正义链，反义链双向转录合成；外源方面，可能来源于RNA病毒的侵染，如植物，或人为转入外源的RNAi干涉片断，通过与内源RNA配对可以导致内源RNA的降解。

2dsRNA介导的基因沉默机制

1998年，通过dsRNA分子被注入线虫发现它能够有效的抑制与其同源的基因的表达，这些现象被命名为RNA干涉即RNAi（22）。而后，同样在植物，真菌，原生动物内发现这一现象（23，24，25）。但是，RNA干涉的分子机制是主要在果蝇细胞提取物（26，27，28，29，30）以及哺乳动物细胞中被揭示的。

2．1siRNA介导的基因沉默机制

siRNA介导的基因沉默机制具体如下：长链dsRNA被RNaseⅢDicer家族的核酸酶剪切成长度为20—25个核苷酸的短的dsRNA。这种短的干涉RNA即所谓的siRNA。它在链的两端分别有暴露突出出来的3'-OH，以及被磷酸化的5'末端。然后，siRNA的一条链与RNA诱导的沉默复合物RISC发生作用，在RISC的作用下，这条链与和它同源的mRNA配对结合。RISC能够剪切mRNA上特定的被siRNA靶定结合的序列，从而导致mRNA发生降解。但是如果在siRNA与mRNA不完全配对的情况下，mRNA不能被剪切，但是mRNA与核糖体结合后，翻译过程受到了阻滞，siRNA如何直接导致mRNA的翻译阻滞这一过程的机制目前还不明确。

RISC的核心组成成分是Argonaute（AGO）家族的蛋白，它包含2个结构域PAZ和PIWI。PAZ结构域能特异的结合 siRNA而PIWI与RnaseH结构域相似能够剪切mRNA。已有报道：真核生物中如果编码Argonaute家族蛋白的基因突变，那么dsRNA依赖的基因沉默受到阻滞。2．2 miRNA介导的基因沉默

小RNA的一个来源是siRNA，而另一个不同的来源是所谓的miroRNA，它同样能够抑制