MicroRNA作用机制研究的新进展

中国科学 C 辑:生命科学 2009年 第39卷 第1期: 109 ~ 113

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《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

MicroRNA 作用机制研究的新进展

赵爽, 刘默芳*

中国科学院上海生命科学研究院, 生物化学与细胞生物学研究所, 分子生物学国家重点实验室, 上海 200031 * 联系人, E-mail: mfliu@

收稿日期: 2008-09-04; 接受日期: 2008-11-28

国家重点基础研究发展计划(批准号: 2005CB724603)和国家自然科学基金(批准号: 30770474)资助项目

摘要 microRNA(miRNA)是一种非蛋白质的新型基因表达调控因子, 对真核生物基因表达起非常重要的调控作用. 关于miRNA 的功能及作用机制方面的研究是当前生命科学研究的前沿热点, 研究人员陆续提出了一些假说模型, 诸如翻译起始抑制、翻译起始后抑制、mRNA 降解、P 小体(Processing Body), SG(Stress Granules)颗粒扣押靶mRNA 等来阐述miRNA 如何抑制其靶基因的表达. 此外, 最近还有文献报道了一些全新的miRNA 作用方式, 如去抑制和miRNA 激活作用等. 本文将简要介绍一些miRNA 作用机制研究的新进展及相关作用模型.

关键词

miRNA 负调控 去抑制 正调控 P 小体 SG 颗粒

准确的基因表达调控对生物体的生长发育和功能至关重要, 基因表达调控异常是疾病发生的主要原因. 在过去的数十年间, 对基因表达调控的研究主要集中在蛋白质转录因子介导的基因表达调控方面. 研究发现, 它们通过激活或抑制基因转录控制基因的表达, 在基因组信息转化为分子效应和生物效 应过程中发挥着重要的作用. 最近, 在动、植物及病毒等生物中发现了一系列小分子非编码RNA (small noncoding RNA), 包括miRNA(microRNA), siRNA (small interfering RNA), piRNA(piwi-interacting RNA)和esiRNA (endogenous siRNA)等, 它们分别在转录水平、转录后水平及表观遗传水平等方面控制基因的表达, 组成了RNA 调控网络, 调控包括细胞增殖、分化和凋亡等一系列生理进程, 影响生物体的生长发育, 并与多种人类疾病的发生密切相关[1]. 这些小分子RNA 的发现, 揭示了真核生物一种新的基因表达调控方式.

miRNA 是小分子非编码RNA 家族的重要成员. miRNA 与siRNA 共用生成途径和作用途径中多种蛋白质因子. 但二者也有一些明显的区别, 如siRNA 主

要是由外源提供的小分子RNA, 通过引发靶mRNA 的切割负调控靶基因的表达, 而miRNA 是基因组编码的内源性小分子RNA, 通常在翻译水平负调控靶 mRNA 的表达. miRNA 基因由RNA 聚合酶Ⅱ或/和Ⅲ 转录[2,3]. 动物miRNA 加工成熟一般需要两个RNase Ⅲ家族酶——Drosha 和Dicer 参与. 最近发现Ago(Ar- gonaute)蛋白在miRNA 加工成熟中也发挥作用[4]. miRNA 调控是通过RNA 诱导基因沉默复合物(RNA- induced silencing complex, RISC)完成的, 复合物的核心成员是Ago 家族蛋白, 还有一些功能未知、非RISC 核酸酶活性必需的蛋白成分, 如FXRP , RNA 解旋酶等, 也存在于复合物中[5,6]. 通常认为, miRNA 与Ago1结合, 组成miRNA 效应器复合物(miRNA- RISC, miRISC), 执行靶mRNA 翻译抑制; 而siRNA 与Ago2结合, 组成siRISC, 执行靶mRNA 降解[7]. 最近有人对这种miRNA/siRNA 分选模型进行了校正, 认为miRNA/siRNA 都可以被Ago1或Ago2结合[8,9], 这为miRNA 介导切割提供了可行性. 过去认为Dicer 生产的miRNA: miRNA *双链, miRNA 作为向导链被组装入miRISC, 互补链miRNA *则被迅速降解. 但最

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近研究发现, 虽然miRNA *种类不如对应的miRNA 丰富, 但它们常常以适当的生理水平存在, 并同样可以被Ago 蛋白结合[10].

miRNA 主要是通过5′端被称为种子序列(Seed Sequence)的7 nt 序列与位于靶mRNA 3′UTR 的miRNA 调控元件(miRNA Regulatory Element, MRE)相互作用, 识别靶mRNA [11]. 一些靶mRNA 的其他特征, 如MRE 附近富含AU 序列、靶mRNA 与miRNA 的13~16位碱基配对、MRE 距离终止密码子15 nt 以外、不位于长3′UTR 的中间、邻近共表达miRNA 的识别位点等, 可增加miRNA 的作用效率

[12]

.

miRNA 与靶mRNA 之间的配对程度决定了miRISC 抑制靶mRNA 的方式: 高度配对的miRNA, 如大部分植物miRNA, 将通过类似于siRNA 的作用机制, 导致靶mRNA 切割和降解; 相反, 在动物中大部分miRNA 与靶mRNA 不完全配对, 则可能是通过翻译抑制发挥作用. 在过去的几年间, 研究者陆续提出了一些不同的、甚至互相矛盾的假说模型, 来解释miRNA 如何抑制其靶基因表达. 但对miRNA 准确的作用机制, 目前还没有统一的观点. 本文将简述miRNA 作用机制研究的新进展及miRNA 的一些新功能.

1 miRNA 翻译起始抑制机制

关于miRNA 翻译起始抑制机制目前主要有3种观点: 第一种观点认为miRNA 可能通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始

[13]

. 因为研究发现被

miRNA 沉默的mRNA 没有或鲜有偶联完整的核糖体, 部分研究者认为miRNA 可能通过抑制全能性核糖体的组装而阻断翻译起始[13]. 这种观点被至少两个新近的证据支持: Thermann 等人

[14]

在一个体外研究中

发现, 果蝇的miR-2抑制全能性核糖体的前体-48S 翻译复合物的组装, 该复合物添加60S 亚基后即形成全能性核糖体; Chendrimada 等人[15]发现, EIF6是一种可以抑制核糖体40S 和60S 亚基结合、阻断80S 全 能性核糖体形成的蛋白, 与Ago/RISC 直接相互作用, 并且在哺乳动物和线虫中, 缺失EIF6影响miRNA 介导基因沉默. 然而, RISC 是否通过与EIF6相互作用

诱导40S 和60S 核糖体解聚？还有待于进一步的研究. 第二种观点根据miRNA 抑制要求靶mRNA m7G 帽子的存在, 认为miRISC 可能抑制翻译起始

复合物的形成[13,16]. 这个假说最近也找到了一些新证据: 研究者在一个体外系统中发现, 增加eIF4F 复合物(含有m7G 帽子结合蛋白、翻译起始因子eIF4E)水平可回复miRNA 翻译抑制[17]; 与之一致的是, 另一个研究组[18]发现, Ago2中间结构域类似于eIF4E, 具有结合m7G 帽子的活性, 推测经miRNA 招募到靶mRNA 3′UTR 的Ago2, 与起始复合物eIF4E/G 竞争结合m7G 帽子, 从而抑制翻译起始复合物的形成.

此外, miRNA 还可能通过阻止polyA 结合蛋白poly A binding protein (PABP), 与mRNA 结合影响翻译起始. Wakiyama 等人[19]发现, miRNA 引起靶mRNA 脱腺嘌呤反应(deadenylation), 导致 mRNA 的polyA 尾巴缩短, 但mRNA 的稳定性似乎并不受影响, 只是polyA 尾巴缩短使PABP 结合mRNA 受阻, 从而影响了翻译起始.

2 miRNA 翻译起始后抑制

虽然上述证据支持miRNA 抑制翻译起始, 但也有研究发现, 一些被miRNA 抑制的mRNA 与翻译活跃性的多核糖体偶联, 说明有一些miRNA 的抑制作用不是发生在翻译起始[20,21]. 此外, Petersen 等人[22]发现, 经内部核糖体进入位点(Internal Ribosome En-try Site, IRES)起始、不依赖于mRNA m7G 帽子的翻译也可以被miRNA 抑制, 这进一步证明miRNA 抑制是发生在翻译起始之后. 虽然这些研究证明了miRNA 沉默作用确实是发生在翻译起始后、新生多肽完成前, 但关于miRNA 究竟如何在翻译起始后发挥抑制作用, 目前还没有一致的结论. 研究者推测, miRNA 可能引起新生多肽链的翻译同步降解[21], 或者是在翻译延伸过程中, miRNA 引发大量的核糖体脱落及高频次的翻译提前终止, 产生的不完整多肽产物则被迅速降解[22].

3 miRNA 介导mRNA 衰减

Wu 等人[23]首先发现, miRNA 可以诱导与之不完全配对靶mRNA 的衰减, 下调靶mRNA 的水平. 这种miRNA 诱导mRNA 衰减的作用机制被随后的证据所支持[24], 如在斑马鱼的早期胚胎发育中, miR-430控制母本mRNA 的代谢, 表明miRNA 介导的mRNA

衰减机制具有生理学意义[25]. 与之一致的是, Ago 蛋白被发现定位于细胞中降解mRNA 的RNA 颗粒(RNA