《cell》文献翻译:内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA - 《cell》细胞杂志干细胞之家



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发表于 2009-4-28 21:09 |只看该作者 |倒序浏览 |打印

内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA5 I# j4 t  @+ a6 ^
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   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。5 x* W7 x1 f' v9 A' Z
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miRNA

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%。
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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。
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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。# p: P; d0 g, _* ~6 C* O

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。
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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]。
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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。3 x, J: [% G  f: E# m1 r# m
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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。
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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。
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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。
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内源siRNA

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。
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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 ^% q! e! \7 S6 n9 `$ n; s, `6 I

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。) M  j  @) ]6 Y9 k) k

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。

piRNA

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)。

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。

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。
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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。) p* @* E4 F& u4 b; l

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。7 e' y# }) L' R! D: J  F, `1 v

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参考文献- [7 c7 L  D+ C7 L; o

1       Xie, Z. et al., Nature 434 (2005), 338—345* H: N! c: v1 f( |4 d& Y9 Y7 Z* d) H

2       Xie, Z. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 104

3       Berezikov, E. et al., Cell 120 (2005), 21—24

4       John, B. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 363% B/ i! O1 B0 L9 F/ y

5       Lewis, B.P. et al., Cell 120 (2005), 15—206 N& O) l) M1 w! u  h* x

6       Lee, R.C. et al., Cell 75 (1993), 843—854  {8 v, F- o& Q; L
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7       Wienholds, E. et al., Nat. Genet., 35 (2003), 217—2187 x! @/ U% X# i  R9 z8 p8 T+ I

8       Plasterk, R.H.A. Cell 124 (2006) 877—8819 v  ^% G- q# P- f: P: d

9       He, L. et al., Nature Rev. Genet 5 (2004), 522—531
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10    O’Donnell, K.A. et al., Nature 435 (2005), 839—843" d% w0 y: m3 }4 v
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11    Hatfield, S.D. et al., Nature 435 (2005), 974—978

12    Ambros, V. et al., Curr. Biol. 13 (2003), 807—818. O7 K3 {, j3 n0 z& F

13    Vazquez, H. et al., Mol. Cell 16 (2004), 69—79" j# M! r. v9 c9 i; H
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14    Mochizuki, K. et al., Genes Dev. 18 (2004), 2068—2073% u/ K* c6 D6 B3 S

15    Carmell, M.A. et al., Genes Dev. 16 (2002), 2733
" n, \4 t0 _" x( Z3 o
16    Lau, N.C. et al., Science 313 (2006), 363
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本文转自建人先生原创，感谢

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