|
  
- 积分
- 97
- 威望
- 97
- 包包
- 3142
|
内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA
4 [; P& ? ~$ L: b" J3 z. r, P4 D9 _, c) T- p: n3 Z4 c# g8 t
1 K6 ?* X; e$ x$ l: S4 ^
& ]( H* ]+ G- H: m
miRNA (微RNA)和siRNA（小分子干扰RNA）是长度为21-25核苷酸的RNA分子，而piRNA是长度为25-31核苷酸的RNA（主要长度为29-30核苷酸）。miRNA是内源小RNA，siRNA一般认为是外源性的，但细胞也会产生自身的siRNA。miRNA和siRNA都可作用于mRNA，使基因沉默。piRNA是动物睾丸专一性RNA，它也在基因沉默中起作用。这三类小RNA的前体不完全相同。miRNA前体是能折叠成发夹结构的单链转录产物，siRNA由完全配对的双链RNA前体产生，piRNA的前体是单链RNA，但不含有能折叠成发夹结构的部分。下面分别就这三类RNA的特点作进一步分析。
# G0 ^7 [5 S2 ?7 h" D3 ~/ x" w( n/ x0 d8 [) U7 `3 E4 P2 V
: Z! W: e) T$ N+ J) n7 V9 F+ K& \0 ]. R& K/ U
miRNA
7 l/ t- w* f7 h! N4 L
% Y( q! D% @( A$ W* Z 已在植物和动物中发现了几百种miRNA。Xie等用mRNA的3’ UTR（3’非翻译区）8核苷酸检索有miRNA基因特征的基因组序列，结果不但发现了许多已知miRNA基因，还发现了129个新的miRNA基因[1]，[2]。 Bereziko等通过对灵长目动物miRNA前体两侧区域进行序列分析，鉴定miRNA基因的保守特征[3]。这种分析不但找到了>20%的已知哺乳动物miRNA基因，而且找到了几百个侯选基因。根据Xie和Bereziko等人的研究结果，可以认为人基因组中至少有500个miRNA基因，约占基因总数的2% - 3%。
, {2 @0 P6 R' @( ^) @) s; |) G! E/ R. Y5 r {# H6 ]' o
miRNA可从一些较大的转录产物产生。这些转录产物可被加工成发夹状前体，成为外切酶Dicer和Drosha（这两种酶是RNaseIII家族成员）的底物。Drosha和Dicer外切酶作用发夹状前体，产生长度为20 - 22核苷酸的成熟miRNA。Drosha存在于细胞核中，Dicer存在于细胞质中。缺少Dicer的动物不能合成miRNA。
0 O, z9 c* M* J) U4 N( T$ [; z) _$ v3 y
4 X! G w) |6 ~' ] 根据Xie等人发现的与miRNA有互补序列的mRNA 3’ UTR的数目，估计约有5000个人类基因（基因总数的20%）可能受某种形式的miRNA的调节。John和Lewis等人最近提出在其他脊椎动物中miRNA的靶基因数目也很惊人[4]，[5]。生物信息学和各种实验方法的研究结果表明，我们对人和其他脊椎动物miRNA的了解还刚刚开始。
2 Q p5 j) t6 Y* S
; r' ]0 q4 ~3 e m3 Q7 k# L/ A1 h% M7 E6 f miRNA通过位于mRNA 3’ UTR的部分互补序列，与特定靶mRNA结合。结合了miRNA的mRNA或者不翻译（这导致蛋白产物减少），或者被RNA干扰复合物(RISC)降解（这导致转录产物减少）。miRNA参与许多生命过程，可调控与发育、增殖、分化、凋亡和应激有关的许多基因的表达。' B, K; W, J& k% m
/ R, F; D2 Y4 h( W' C4 [# @ 10多年前在线虫幼虫中发现miRNA可调节线虫发育[6]。对斑马鱼的研究发现，miRNA在斑马鱼的完全发育中起重要作用[7]。miRNA有组织专一性，可作为发育的开关。有人认为miRNA靶序列的获得和丧失是基因表达的精细调节方式，与进化有关，在鱼和人之间同源器官发育的不同可用主要发育基因的3’ UTR中miRNA靶序列的不同来解释[8]。
6 q+ ]' U+ W, v, F$ Q! t0 `: g* I; Z* z) V/ R: U1 c6 g, y
miRNA与mRNA相互作用的突变可引起疾病。这些突变方式可以是：（1）miRNA功能丧失的突变；（2）miRNA功能获得突变；（3）miRNA靶位点突变，由此导致靶序列不能与miRNA结合，造成被miRNA调节的基因得以表达；（4）某些基因得到不需要的miRNA靶序列，导致基因非正常沉默。) P3 L+ h. w$ m) \5 L! P
5 m, g! j3 A& [; ^ He[9]和O’Donnell[10]等人的研究揭示了miRNA基因表达的改变与癌症的产生有关。已知miRNA的一个基因簇，即miR-17-92多顺反子，位于染色体13q32-33的囊状淋巴瘤（一种B细胞恶性肿瘤）扩增区域。He等人使用微阵列分析B细胞淋巴瘤，并使用了因Myc原癌基因活化而产生B细胞淋巴瘤的小鼠模型。他们的实验表明，与正常组织样品相比，miR-17-92基因簇在B细胞淋巴瘤中的表达有所增加。进一步的研究表明，miR-17-92的表达和Myc的表达共同促进小鼠B细胞淋巴瘤的形成。在肿瘤中某些miRNA基因簇和Myc受到正调节时，肿瘤细胞不发生凋亡。
. A' |& o% x) v8 W" H4 k8 [
: L* V' H- A4 s6 G2 y- o$ T O’Donnell等人的相关研究证实，Myc直接与染色体13上的miR-17-92基因座结合，活化miRNA簇的表达。他们还揭示了miR-17-92簇中的两个miRNA，即miR-17-5p和miR-20a，可对E2F1转录因子的表达进行负调节。E2F1是Myc的另一个靶分子，它可帮助细胞周期正常进行。O’Donnell揭示的机制表明，在Myc活化与E2F1有关的转录的过程中，有miRNA的参与。miRNA也可以减少E2F1的翻译，从而可对Myc增殖信号进行精细控制。因为Myc活化染色体13q32-33的miRNA簇的表达，所以这个miRNA簇究竟怎样帮助Myc诱导淋巴瘤很令人感兴趣。- a/ a# j1 z# l7 d r; i/ E
& \1 @, [& [, W; C4 G B miRNA在干细胞分裂中起重要作用。Hatfield等人[11]用带有dicer-1(dicer-1是miRNA生物合成的必需基因)突变的果蝇生殖细胞证实，在干细胞通过G1/S关卡的过程中需要miRNA。某些环境刺激可以使大多数细胞停留在G1/S关卡，而干细胞对这些环境刺激不敏感，因而能长期分裂。miRNA与干细胞越过G1/S关卡的机制密切相关。
# @# `9 ?! o8 g; V
8 _; \3 S$ v; T7 E6 M4 e内源siRNA
* L8 G- | ~- E9 ]/ w3 L. \
# D4 o- n/ Z1 R+ R( v9 M) W6 Q 虽然一般认为siRNA是由科学家在实验室制造的或来自病毒感染，但事实上细胞也会因自身需要而主动制造siRNA。在植物、动物和真菌中有一些与miRNA不同的小RNA，它们主要由基因组中的重复序列编码。这些小RNA称为有重复序列的siRNA，为它们编码的基因中的重复序列许多是转座子或逆转录因子，这与RNAi在转座子表达和增殖的沉默中起作用的观点相吻合。已知许多miRNA的长度为20 ~ 23核苷酸，而这些siRNA的长度为23 - 27核苷酸。siRNA没有发夹—环前体，它们的前体是有两条不同互补链的dsRNA[12]。siRNA可以调节合成RNA的基因座的染色质组分，具有指导染色质效应子对DNA反式作用的潜在能力。$ ?; o; ~) U$ x% G4 U0 d
8 M2 k# w0 m V6 { m( X 另外，通过克隆研究鉴定了一些与无蛋白编码基因的染色体区域互补的小RNA，这些小RNA(siRNA)有时与较长的特殊非编码RNA重叠。相对于这些非编码RNA，siRNA以“反义”方向存在。对拟南芥At2g27400 RNA来说，相关的siRNA是位于其中的21核苷酸[13]。这些观察表明这些siRNA是从较长的RNA产生的。这类siRNA的长度与miRNA的长度类似，它们的基因中无重复序列。这类非重复siRNA有什么生物功能？9 R; ]5 ]3 N8 q2 u
" q1 H! ?4 d" A* }
在线虫中鉴定了13个siRNA基因，它们对发育的不同阶段起作用。在拟南芥中鉴定了三种与At2g27400 RNA序列互补的mRNA。非重复siRNA与外源siRNA的RNAi作用方式类似。目前尚不清楚这种非重复siRNA在拟南芥发育中有什么功能，可能对茎和叶的发育有一定作用。
( D# Q) g/ h# U. ]4 R% C3 s
! E% |* Q9 q7 N% \7 a7 P 在原生动物四膜虫中内源siRNA有特殊功能。有几项实验证据表明，这些siRNA可与微细胞核基因组的DNA杂交，但不与巨细胞核基因组DNA杂交，显然它们与被消除的序列有关[14]。这些siRNA的作用可能是使DNA消除机制作用于IES序列（内部消除序列）。DNA消除机制包括染色质重建因子，这与siRNA在染色质调节中起作用的观点一致。4 l" L; b' T" v' b
9 z; H9 U* A4 Z& F0 P: E- {" ]' j7 @piRNA0 c# X! J5 P( d" m: O% O) X& q
5 l& J# D& P* O5 m$ ] piRNA的发现与Argonaute蛋白家族有关。某些Argonaute蛋白，如Ago1和Ago2，与miRNA和siRNA结合，形成核糖核蛋白体复合物，并进一步与mRNA结合，抑制靶mRNA表达。而有另一类不同于Ago1/Ago2的Argonaute蛋白，它们不与siRNA或miRNA结合。这类蛋白的代表是果蝇Piwi蛋白，它在种系发育中起重要作用。Piwi及其小鼠同源物(Miwi, MIli, Miwi2)的遗传学分析表明，它们是精子产生所必需的[15]。Lau等人[16]部分纯化了大鼠睾丸抽提物中的核糖核蛋白体复合物，发现了长度主要为29 - 30核苷酸的睾丸专一性RNA。这些RNA的大小不同于miRNA，与不同的蛋白质结合。这些复合物的蛋白质亚基主要是Riwi (Piwi的大鼠同源物)和RecQ1。这种核糖核蛋白体复合物中的RNA被命名为piRNA，复合物则被称为Piwi相互作用RNA复合物(piRC)。: i- z6 K# F6 U( Y: r9 K6 R' {8 m
4 T5 K8 D" y, ~+ z) k4 E piRNA可与小鼠睾丸抽提物中分离的多聚核糖体结合。然而，遗传学研究表明，Piwi蛋白通过改变染色质结构参与基因转录沉默。piRC在这种类型的基因沉默中起作用。0 }3 t% j) s+ \) C' v& |
' _6 p# j* x4 [7 d R* S! h- |
piRNA基因位于基因组中以前认为不会被转录的区域。这些区域分布在大小为1 - 100 kb的100个piRNA基因簇中。只有很少几个piRNA基因有重复DNA。在典型的piRNA基因簇中的piRNA基因只位于基因组DNA的一条链中，只有很少的piRNA由两条DNA链产生。与负链piRNA分离的正链piRNA位于DNA中不同区域，这些区域往往相隔几百个碱基对。piRNA没有重叠的互补RNA或可回复折叠的RNA前体，这表明piRNA不是从双链RNA前体产生的，它与miRNA和siRNA的生物合成机制不同。' K7 {7 f$ }+ {# d4 I
. f1 t" {) c9 i( p# F; a6 n) ~ piRNA和piRC复合物不仅在大鼠中存在，在其他动物（包括小鼠和人）的睾丸中也存在。在大鼠、小鼠和人中，大多数piRNA簇是同源的，甚至有DNA链专一性，但piRNA序列在种属中并不是保守的。. E/ ]3 ^6 {' ]; j8 l+ s
8 C! a' \% ^! j: N- N piRNA在雄性精子细胞的发育过程中产生。在没有已分化的生殖细胞的WV小鼠中不存在piRNA。在整个精子发育过程中都可以检测到piRNA，其丰度的峰值在完整精细胞阶段，每个完整精细胞有一百万个piRNA分子。" j5 Z9 C6 z8 Z( W$ F2 A7 ]
2 E' F: u$ ] N& c5 E8 y+ z; n ( d5 L2 ?, B5 z/ \6 w3 {
, m m5 l- x+ ]) c3 h
参考文献
+ o# n% X7 s* S( z" H0 l2 c5 J1 o' N8 U7 H& a4 C% t
1 Xie, Z. et al., Nature 434 (2005), 338—3457 I# {% w& m1 M
) @0 C6 ]& _& F# u. b6 ~5 v' A7 k2 Xie, Z. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 1049 a% U/ F' _2 X; h1 V! P! I8 c
, _8 i# T0 u! [$ A+ r4 K1 R3 Berezikov, E. et al., Cell 120 (2005), 21—24
! Y1 X6 D4 I. e6 E; s+ G& R2 _0 D, ~! T' U" }, g7 y+ V
4 John, B. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 363# [2 U' C6 {$ J6 H4 f/ U% v
9 I) k4 L* `- c3 y( R/ _8 c4 ~
5 Lewis, B.P. et al., Cell 120 (2005), 15—201 ?; l) x; U3 a
o* `0 g* Y/ o4 }, a6 Lee, R.C. et al., Cell 75 (1993), 843—854$ R) H- ~/ b( j& R: b) s) L2 [5 s7 Z
) \" D3 q. n8 \: l/ r
7 Wienholds, E. et al., Nat. Genet., 35 (2003), 217—2184 t7 T/ e: Z+ d1 _3 {
- q q3 U$ m- u' L0 X* [; z$ W
8 Plasterk, R.H.A. Cell 124 (2006) 877—881
* F$ ^% g) m8 u6 V# ^
! U8 z; @8 B& \8 I* @3 G) \) ~& W3 {9 He, L. et al., Nature Rev. Genet 5 (2004), 522—531
+ e- S( y9 `1 ~* d
" b# O! q. p! _& G0 I* P0 z# C10 O’Donnell, K.A. et al., Nature 435 (2005), 839—843# C! n5 a! I: s5 r' j- b1 h/ e
$ P* g) @+ A, m4 O' ? a
11 Hatfield, S.D. et al., Nature 435 (2005), 974—978
/ y; V4 p5 Q0 ]0 ?+ X) ?4 k1 U" w* w' N* J+ h. }3 c" p8 r
12 Ambros, V. et al., Curr. Biol. 13 (2003), 807—818
; o5 |6 p; h9 d2 i# s) d/ X; V3 H+ O6 g
13 Vazquez, H. et al., Mol. Cell 16 (2004), 69—79: k3 E# l) [) P- z0 m
2 j( D l9 [& N14 Mochizuki, K. et al., Genes Dev. 18 (2004), 2068—2073
5 c( u- Q. i0 m% i1 g- \, S' J8 ?" j W; R V' [5 _
15 Carmell, M.A. et al., Genes Dev. 16 (2002), 2733
g- h( P1 A4 Q3 H+ u" I
" @- `3 O2 E2 A+ l' n. b4 a0 I8 S16 Lau, N.C. et al., Science 313 (2006), 363
5 ^- m1 \" W: O6 \3 g# [7 V
1 } G2 w( ^6 `7 w$ L本文转自建人先生原创，感谢 |
|
发表于 2009-4-28 21:09
发表于 2010-2-8 22:01
