维基百科

小分子核糖核酸

广泛存在于植物、动物及动植物病毒等生物中的一类进化保守性的非编码小分子调控RNA

小分子核糖核酸（英语：microRNA，缩写miRNA），又称微RNA[1]（微核糖核酸），是真核生物中广泛存在的一种长约21到23个核苷酸的RNA分子，可调节其他基因的表达[2][3]。miRNA来自一些从DNA转录而来，但无法进一步转译成蛋白质的RNA（属于非编码RNA）。miRNA通过与目标mRNA结合，进而抑制转录后的基因表达[4]，在调控基因表达、细胞周期、生物体发育时序等方面起重要作用。在动物中，一个miRNA通常可以调控数十个基因。

小分子核糖核酸（miRNA）与mRNA作用的图
miRNA茎环的实例，成熟miRNA显示为红色
甘蓝pre-microRNA中的茎环（stem-loop）二级结构。

这些RNA是从初级转录本（primary transcript）出来的，也就是pri-miRNA，转变成为称为pre-miRNA的茎环结构，最后成为具有功能的成熟miRNA。

1989年，维克托·安布罗斯发现秀丽隐杆线虫（C. elegans）中有个基因lin-4抑制另一个基因 lin-14。他们认为lin-4应该也表达一种调控蛋白质，因为基因转录成RNA并翻译成蛋白质是当时认为的公理。不过1993年，维克托的学生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了lin-4，却发现这个基因非常小，不足以做出蛋白质，而且这个基因的产物确实也不是蛋白质，而是一个长度只有22个核苷酸的RNA，后来人们又发现此miRNA可以和其他蛋白质结合，阻断其他表现，最终产生上述的基因抑制现象。它是由单链的RNA分子产生，这个分子的一端折回来形成不完全的互补配对，称“茎环”[5]。

pri-miRNA长度大约为300~1000个碱基，pri-miRNA经过一次加工后，成为pre-miRNA即microRNA前体，长度大约为70~90个碱基；pre-miRNA再经过Dicer酶酶切后，成为长约20~24nt的成熟miRNA。实际研究中，pre-miRNA应用最早，也最广泛。近年研究发现microRNA的双臂对成熟miRNA的形成有着十分重要的作用。

与小分子siRNAs相比，miRNA在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差异。siRNA是双股RNA，3'端有2个非配对碱基，通常为UU；miRNA是单股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下产生，而成熟miRNAs的产生要复杂一些，首先pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为大约70nt的带有茎环结构的Precursor miRNAs（pre-miRNAs），这些pre-miRNAs再在Exportin-5帮助下转运到细胞核外之后再由胞质Dicer酶进行处理，酶切后成为成熟的miRNAs。

生命的一些重要活动如幼虫的生长发育、细胞的发生和分化、神经系统的分化等都被一些非编码蛋白的小RNA的调控，而除miRNA、siRNA以外的小RNA我们目前知之甚少。

2024年10月7日，miRNA及其转录后修饰机制发现者维克托·安布罗斯和加里·鲁夫昆获得诺贝尔生理学或医学奖。[6][7]

命名规则

miR-前缀后面所跟着的数字，代表命名的顺序，比如，miR-124比miR-456发现得早。

“miR-”代表成熟的miRNA、“mir-”代表pre-miRNA和pri-miRNA、“MIR”代表编码miRNA的基因[8]。

miRNA几乎全是独一的编码顺序，但对于拥有一两个碱基不同的则会被标上字母以示，例如，miR-124a与miR-124b。 若成熟的miRNA相同，但pre-miRNA和pri-miRNA和编码他们的基因来自于不同的基因组，则使用数字来表示，例如，mir-194-1和mir-194-2表示两个pre-， pri-miRNA剪切后的成熟miRNA是完全相同的，但却是两个不同的来源。

前缀的三个字母代表了不同的种族来源，例如，hsa-miR-194代表miRNA来源于人类，oar-miR-124来源于绵羊。

对于形成pre-，pri-miRNA茎环的两端miRNA， 通常一端在数量上远远超过另一端。数量优势的一端往往称为guide strand，而另一端被称为passenger strand，通常被大量降解，用*号来表示，例如miR-124和miR-124*。

生物合成机制

 

有多达40％的miRNA位于其他基因的内含子或甚至外显子中[9]。他们通常（但不限于）在有义方向被发现[10][11]，因此它们通常与他们宿主基因一起调节[9][12][13]。 位于DNA模板上的序列，并非成熟miRNA的最终编码：有6％的人类miRNA有RNA编辑的现象，RNA上特定位置的修饰，会产生和他们DNA不同的产物。这增加了miRNA作用的多样性和范围，远超过了基因组单独引起的作用。

转录

miRNA基因通常由RNA聚合酶Ⅱ转录[14][15]，聚合酶常常会结合到DNA序列附近的启动子，并将其编码成前miRNA的发夹环。 所得到的转录产物，上有5'端帽及多聚腺苷酸尾并已被剪接。动物的miRNA最初转录为约80个核苷酸的RNA茎环，其会交互形成几百个核苷酸长的miRNA前体，称作pri-miRNA[14][10]。当在3'UTR(3'非编码区)中发现茎-环前体时，该转录物可以作为pri-miRNA和mRNA[10]。 此外，RNA聚合酶Ⅲ也会转录一些miRNA，特别是具有上游Alu元件的、tRNA或哺乳动物宽分散重复(mammalian-wide interspersed repeats)启动子单元[16]。

核加工

 
人类Drosha蛋白的X射线晶体结构与两个DGCR8分子（绿色）的C端螺旋复合体。Drosha包含两个核糖核酸酶III结构区域（蓝色和橙色），双链RNA结合结构区域(黄色)，以及含有结合两个锌离子的平台结构域（灰色）。来源：PDB 5B16.

单个pri-miRNA可以含有1至6个miRNA precursor，这些发夹环结构各自由约70个核苷酸组成，而每个发夹的侧翼包含了RNA加工的必要序列。 在pri-miRNA中发夹的双链RNA（dsRNA）结构，会被称为DiGeorge综合症关键区8（DGCR8或无脊椎动物中的“Pasha”）的核蛋白所识别。随后DGCR8与Drosha酵素结合形成微加工复合体(Microprocessor complex)[17][18]。

在该复合物中，DGCR8使Drosha的RNase III催化结构区域定向，借此从发夹碱基中切割约11个核苷酸，从而释放pri-miRNA的发夹弯[19][20]。所得产物在其3'端具有两个核苷酸的突出端，其也具有3'羟基和5'磷酸基团。它通常被称为前miRNA（pre-miRNA）。有许多对于有效加工重要的pre-miRNA下游的序列基序(Sequence motif)，已被识别鉴定了[21][22][23]。

而对于那些绕过微加工复合体，直接剪接出内含子的前miRNA，被称为“Mirtrons”。其最初被认为只存在于果蝇和秀丽隐杆线虫中，然而现在已经在哺乳动物中发现其存在[24]。 有多达16％的pre-miRNA可以透过核RNA编辑改变[25][26][27]，其中最常见地，如腺苷脱氨酶作用于RNA（ADAR）上的腺苷至肌苷（A至I）转换。另外，RNA编辑也能停止核加工(例如pri-miR-142，其会导致核糖核酸酶Tudor-SN的降解)，并改变下游流程包括细胞质miRNA的加工与目标专一性(像是改变中枢神经系统中miR-376的种子区域)[25]。

核输出

 
人类exportin-5蛋白（红色）与Ran-GTP（黄色）复合物和pre-miRNA（绿色）及双核苷酸突出端识别元件（橙色）。来源：PDB 3A6P.

核细胞穿梭蛋白Exportin-5涉及前miRNA发夹从细胞核输出的过程。这种蛋白质是karyopherin家族的一个成员，它会识别前miRNA发夹的3'末端，由RNase III酶与Drosha遗留的两个核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated介导运输到细胞质是能量依赖的(主动运输)，其使用GTP来绑定Ran蛋白。[28]

细胞质加工

在细胞质中，前miRNA发夹会被由RNaseIII酶Dicer所切割[29] ，该内切核糖核酸酶与miRNA发夹的5'和3'端相互作用并切除连接3'和5'臂的环[30] ，产生长度为22个核苷酸的不完全的miRNA：miRNA*双链体[29] 。整个发夹长度和环尺寸都会影响Dicer的加工效率。由于RNA的不完全配对性质，miRNA：miRNA*双链体的配对程度也会影响切割[29][31] 。

此外，一些富含G的pre-miRNA可以潜在地利用G-四联体，来替代典型的茎-环结构。 例如，人的pre-miRNA 92B就使用G-四联体，来抵抗Dicer在细胞质中的介导切割。[32] 虽然双链体的任一链，皆可作为潜在作用的功能miRNA，但通常只有一条链会掺入RNA诱导沉默复合体（RISC）中，在其中该miRNA会与其目标mRNA相互作用。


植物中的生物合成

在植物中miRNA的生物合成与动物的最大差异，主要是在于核加工和输出的过程中：其不像动物使用两种不同的切割酶(一种位于核内部、一种位于核外部)。植物的两种切割，都是利用称为Dicer-like1（DL1）(Dicer同源物)进行，由于DL1仅在植物的细胞核中表达，这表明这两种切割都在核内发生。在植物miRNA：miRNA *双链体被转运出细胞核之前，其3'突出端会被称为Hua-Enhancer1（HEN1）的RNA甲基转移蛋白甲基化，然后透过称为Hast（HST）的蛋白质（Exportin 5蛋白的同源物）将双链体从细胞核运出到细胞质中，在那里它们会分解并且生成成熟的miRNA，来结合到RISC中。[33]

参考文献

  1. ^ 存档副本. [2021-07-06]. （原始内容存档于2021-07-09）. 
  2. ^ Ambros, V. The functions of animal microRNAs. Nature. Sep 16, 2004, 431 (7006): 350–5. PMID 15372042. doi:10.1038/nature02871. 
  3. ^ Bartel, DP. MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell. Jan 23, 2004, 116 (2): 281–97. PMID 14744438. doi:10.1016/S0092-8674(04)00045-5. 
  4. ^ Bartel DP. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell. January 2009, 136 (2): 215–33. PMC 3794896  . PMID 19167326. doi:10.1016/j.cell.2009.01.002. 
  5. ^ Ruvkun G(1), Giusto J. The Caenorhabditis elegans heterochronic gene lin-14 encodes a nuclear protein that forms a temporal developmental switch. Nature. Mar 1989, 338 (6213): 313–9. PMID 2922060. doi:10.1038/338313a0. 
  6. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2024. NobelPrize.org. [2024-10-07] （美国英语）. 
  7. ^ Lewis, Tanya. Nobel Prize in Physiology or Medicine Awarded for Discovery of MicroRNA Gene Regulation. Scientific American. [2024-10-07] （英语）. 
  8. ^ Wright, MW; Bruford, EA. Naming 'junk': human non-protein coding RNA (ncRNA) gene nomenclature. Human genomics. Jan 2011, 5 (2): 90–8. PMC 3051107  . PMID 21296742. doi:10.1186/1479-7364-5-2-90. 
  9. ^ 9.0 9.1 Rodriguez A, Griffiths-Jones S, Ashurst JL, Bradley A; Griffiths-Jones; Ashurst; Bradley. Identification of mammalian microRNA host genes and transcription units. Genome Res. October 2004, 14 (10A): 1902–10. PMC 524413  . PMID 15364901. doi:10.1101/gr.2722704. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Cai X, Hagedorn CH, Cullen BR; Hagedorn; Cullen. Human microRNAs are processed from capped, polyadenylated transcripts that can also function as mRNAs. RNA. December 2004, 10 (12): 1957–66. PMC 1370684  . PMID 15525708. doi:10.1261/rna.7135204. 
  11. ^ Weber MJ. New human and mouse microRNA genes found by homology search. FEBS J. January 2005, 272 (1): 59–73. PMID 15634332. doi:10.1111/j.1432-1033.2004.04389.x. 
  12. ^ Kim YK, Kim VN; Kim. Processing of intronic microRNAs. EMBO J. February 2007, 26 (3): 775–83. PMC 1794378  . PMID 17255951. doi:10.1038/sj.emboj.7601512. 
  13. ^ Baskerville S, Bartel DP; Bartel. Microarray profiling of microRNAs reveals frequent coexpression with neighboring miRNAs and host genes. RNA. March 2005, 11 (3): 241–7. PMC 1370713  . PMID 15701730. doi:10.1261/rna.7240905. 
  14. ^ 14.0 14.1 Lee Y, Kim M, Han J, Yeom KH, Lee S, Baek SH, Kim VN; Kim; Han; Yeom; Lee; Baek; Kim. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. EMBO J. October 2004, 23 (20): 4051–60. PMC 524334  . PMID 15372072. doi:10.1038/sj.emboj.7600385. 
  15. ^ Zhou X, Ruan J, Wang G, Zhang W; Ruan; Wang; Zhang. Characterization and identification of microRNA core promoters in four model species. PLoS Comput. Biol. March 2007, 3 (3): e37. Bibcode:2007PLSCB...3...37Z. PMC 1817659  . PMID 17352530. doi:10.1371/journal.pcbi.0030037. 
  16. ^ Faller M, Guo F; Guo. MicroRNA biogenesis: there's more than one way to skin a cat. Biochim. Biophys. Acta. November 2008, 1779 (11): 663–7. PMC 2633599  . PMID 18778799. doi:10.1016/j.bbagrm.2008.08.005. 
  17. ^ Lee, Y; Ahn, C; Han, J; Choi, H; Kim, J; Yim, J; Lee, J; Provost, P; Rådmark, O; Kim, S; Kim, VN. The nuclear RNase III Drosha initiates microRNA processing.. Nature. 25 September 2003, 425 (6956): 415–9. PMID 14508493. doi:10.1038/nature01957. 
  18. ^ Gregory RI, Chendrimada TP, Shiekhattar R; Chendrimada; Shiekhattar. MicroRNA biogenesis: isolation and characterization of the microprocessor complex. Methods Mol. Biol. 2006, 342: 33–47. ISBN 1-59745-123-1. PMID 16957365. doi:10.1385/1-59745-123-1:33. 
  19. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Kim, YK; Jin, H; Kim, VN. The Drosha-DGCR8 complex in primary microRNA processing.. Genes & Development. 15 December 2004, 18 (24): 3016–27. PMC 535913  . PMID 15574589. doi:10.1101/gad.1262504. 
  20. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Nam, JW; Heo, I; Rhee, JK; Sohn, SY; Cho, Y; Zhang, BT; Kim, VN. Molecular basis for the recognition of primary microRNAs by the Drosha-DGCR8 complex.. Cell. 2 June 2006, 125 (5): 887–901. PMID 16751099. doi:10.1016/j.cell.2006.03.043. 
  21. ^ Conrad, Thomas; Annalisa, Marsico; Gehre, Maja; Ørom, Ulf. Microprocessor activity controls differential miRNA biogenesis In Vivo.. Cell Reports. Oct 23, 2014, 9 (2): 542–554. PMID 25310978. doi:10.1016/j.celrep.2014.09.007. 
  22. ^ Auyeung, Vincent; Igor, Ulitsky; McGeary, SE; Bartel, DP. Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing.. Cell. Feb 14, 2013, 152 (4): 844–858. PMC 3707628  . PMID 23415231. doi:10.1016/j.cell.2013.01.031. 
  23. ^ Ali PS, Ghoshdastider U, Hoffmann J, Brutschy B, Filipek S. Recognition of the let-7g miRNA precursor by human Lin28B. FEBS Letters. 2012, 586 (22): 3986–90. PMID 23063642. doi:10.1016/j.febslet.2012.09.034. 
  24. ^ Berezikov E, Chung WJ, Willis J, Cuppen E, Lai EC; Chung; Willis; Cuppen; Lai. Mammalian mirtron genes. Mol. Cell. October 2007, 28 (2): 328–36. PMC 2763384  . PMID 17964270. doi:10.1016/j.molcel.2007.09.028. 
  25. ^ 25.0 25.1 Kawahara Y, Megraw M, Kreider E, Iizasa H, Valente L, Hatzigeorgiou AG, Nishikura K; Megraw; Kreider; Iizasa; Valente; Hatzigeorgiou; Nishikura. Frequency and fate of microRNA editing in human brain. Nucleic Acids Res. September 2008, 36 (16): 5270–80. PMC 2532740  . PMID 18684997. doi:10.1093/nar/gkn479. 
  26. ^ Winter J, Jung S, Keller S, Gregory RI, Diederichs S; Jung; Keller; Gregory; Diederichs. Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation. Nat. Cell Biol. March 2009, 11 (3): 228–34. PMID 19255566. doi:10.1038/ncb0309-228. 
  27. ^ Ohman M. A-to-I editing challenger or ally to the microRNA process. Biochimie. October 2007, 89 (10): 1171–6. PMID 17628290. doi:10.1016/j.biochi.2007.06.002. 
  28. ^ Murchison EP, Hannon GJ; Hannon. miRNAs on the move: miRNA biogenesis and the RNAi machinery. Curr. Opin. Cell Biol. June 2004, 16 (3): 223–9. PMID 15145345. doi:10.1016/j.ceb.2004.04.003. 
  29. ^ 29.0 29.1 29.2 Lund E, Dahlberg JE; Dahlberg. Substrate selectivity of exportin 5 and Dicer in the biogenesis of microRNAs. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 2006, 71: 59–66. PMID 17381281. doi:10.1101/sqb.2006.71.050. 
  30. ^ Park, JE; Heo, I; Tian, Y; Simanshu, DK; Chang, H; Jee, D; Patel, DJ; Kim, VN. Dicer recognizes the 5' end of RNA for efficient and accurate processing.. Nature. 13 July 2011, 475 (7355): 201–5. PMID 21753850. doi:10.1038/nature10198. 
  31. ^ Ji X. The mechanism of RNase III action: how dicer dices. Curr. Top. Microbiol. Immunol. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2008, 320: 99–116. ISBN 978-3-540-75156-4. PMID 18268841. doi:10.1007/978-3-540-75157-1_5. 
  32. ^ Mirihana Arachchilage G, Dassanayake AC, Basu S. A Potassium Ion-Dependent RNA Structural Switch Regulates Human Pre-miRNA 92b Maturation. Chem. Biol. 2015, 22: 262–272. PMID 25641166. doi:10.1016/j.chembiol.2014.12.013. 
  33. ^ Lelandais-Brière C, Sorin C, Declerck M, Benslimane A, Crespi M, Hartmann C; Sorin; Declerck; Benslimane; Crespi; Hartmann. Small RNA diversity in plants and its impact in development. Current Genomics. March 2010, 11 (1): 14–23. PMC 2851111  . PMID 20808519. doi:10.2174/138920210790217918. 

外部链接

参见

检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=小分子核糖核酸&oldid=84517996”