《cell》文献翻译:内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA

bobo

内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA
3 F$ y# M$ p* P) ~6 ~
0 q0 y% C$ V6 o( J' ^
! S3 J; v( C3 L3 [" P- `
/ o' {  V. `" ]2 C# E, x% D  ?     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。% d8 E& w) W- i0 h5 Q
% {  |3 h3 o: t

3 x8 p2 n0 {' j8 M- L6 ]6 j1 a. D( l9 o' ?
miRNA# Z6 D5 d7 Q7 V  j; v9 v1 R
' a  ^: m1 a5 a8 y& Z- O' 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 E  c9 S$ M$ O6 Y( E
& v! L" T% y7 u3 w9 p8 R6 K    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。
3 s9 }3 Q, E, K( P1 o9 C' _) \, R9 z; {7 a# n: B
    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。4 D# M9 P! E# g7 g, k9 s8 n
, z. N0 J/ A) P" O" @. r
    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。
7 Q$ a4 F7 `& p' [4 m6 U& E. U3 }/ w- X0 A9 `4 b! L
    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]。
, x! ?5 b6 l' v% T. m7 e" m3 ?3 Y' ?  A
    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。
) V% J% e4 Z: y' w
; |- F1 u+ F& m8 R- M    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。
! l" x! d; Z& M0 B4 o, ^% U) E) ?9 }* l1 {) a( l! X$ d: x
    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。8 T' |4 L" T+ U% \3 x
$ g9 x, B4 f/ c' t; j. M1 d* `# z$ I
    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。  z6 m' ^9 P- Y5 Q

& v  h  x& f5 ?8 H' Y2 K) V. d$ u8 N) i内源siRNA/ u; D# e% w6 O; z2 A7 o! z

3 G1 e/ w6 o& j    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。
8 {7 n( f+ T( y8 [* c7 H! Z
" D) z( T, o3 a8 R9 [4 [    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？
: s' V3 @; f9 u8 {! {
, ~7 a' s1 t8 L% z: q) c4 Y6 q    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。
# x' ?2 c  H$ m9 T
8 R5 x' q4 y4 h4 i/ A    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。9 I8 Y7 k5 ]1 E' `/ e7 U
' ]2 @) w* C/ h7 I. m0 y
piRNA
! l* A3 `2 N$ d% W) d% b) c# k' H2 U4 D0 A- G2 S" J: N
    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)。
1 Q. ?$ A3 m. Z: K
3 q, t- E) \) t    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。% X0 i3 k+ X* P9 H
, o- i4 s9 c* K2 T4 i, V
    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。9 T" d$ h( v  y3 a# ?! N9 a; w

" T* e/ J( F1 n/ B5 _    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。
" |* W3 Q/ P+ ~' A, \7 s* i
+ t( R  `, _& Y5 q4 ^2 F  c    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。
) ?! _/ k: b' v0 j
* u/ \; Q: J  n
7 E& V. I5 F% J6 |
7 A# R4 O& Z: T! X- k' ^1 t参考文献% B& _- J, d4 J
+ k5 c! K2 V6 G4 @# y% r! K# W
1         Xie, Z. et al., Nature 434 (2005), 338—345
0 |0 h" k5 ~  `% U) Y  j3 \+ M" e8 w( r3 g7 t6 M- V' [  K
2         Xie, Z. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 104
, C  s+ x; u0 h4 h9 `: G7 j4 L0 f( }3 T+ g" v" |
3         Berezikov, E. et al., Cell 120 (2005), 21—24. M. y/ Q( A3 |2 S. \& f2 n

' O0 P: G. t% c5 c4         John, B. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 363
/ O$ j) S" h* t  \) J4 G2 }3 E
+ e9 [! E( [: M% s. L5         Lewis, B.P. et al., Cell 120 (2005), 15—20
: n7 f( Y/ H" n' Y- N' J- M3 g, V9 X& r3 o2 h+ X
6         Lee, R.C. et al., Cell 75 (1993), 843—8549 R0 y7 \8 D: V4 S; g$ s9 Y

. {, ^) y& j, B- o4 g5 r) V8 g) g& V7 V7         Wienholds, E. et al., Nat. Genet., 35 (2003), 217—218
# R; v% [* _" j6 M* a2 Y( x& L5 e9 K7 N! g5 c, T1 ?- r
8         Plasterk, R.H.A. Cell 124 (2006) 877—8818 p1 q* r: M; U) e( M7 `
- x0 n0 q/ s4 \5 D
9         He, L. et al., Nature Rev. Genet 5 (2004), 522—531
% {! u9 W( Z' E2 f; H$ g) v, o8 w& o% G/ c
10     O’Donnell, K.A. et al., Nature 435 (2005), 839—843$ P' _- m( O( P& K: k( K

' K2 A" k7 m' b* ?6 [11     Hatfield, S.D. et al., Nature 435 (2005), 974—978
  W- b' @5 O4 V. m8 y) ]) M" {' R2 l7 N2 C& D2 i  G. @
12     Ambros, V. et al., Curr. Biol. 13 (2003), 807—818
3 ~! E1 A- [, D, k
' \8 r' u, @2 H) E8 w  p2 g9 z13     Vazquez, H. et al., Mol. Cell 16 (2004), 69—79+ Y; }$ E! _: o2 C+ N" ?
" H/ c: Y4 f- J
14     Mochizuki, K. et al., Genes Dev. 18 (2004), 2068—2073- a& [5 A* b3 W6 c

! V0 m2 \/ j/ R; }15     Carmell, M.A. et al., Genes Dev. 16 (2002), 2733
& t+ B$ r1 a1 w4 C0 W4 g: ^! \; A+ a- V- R" E0 k) K
16     Lau, N.C. et al., Science 313 (2006), 363
4 e* D/ e( a5 d$ O# G
% K) y; d9 P3 B7 _8 a- q; y本文转自建人先生原创，感谢