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内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA7 M7 e1 H! g0 R
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- |, F, w: c: F( S2 j9 Q% z8 I7 | 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。$ ^/ C7 r# o7 B) D) q+ l
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& N% g; p3 n" ^- d 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%。5 J3 }! U' l+ S( v+ g
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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。( \5 r$ ~, G: Y' ]9 x0 i
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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。
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6 C( w u5 A/ f' l 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。) t9 N8 n' m/ B
/ a/ p/ `8 T7 K 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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7 G2 N/ ?6 [2 {: y+ K) j 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。6 L% l1 Z( C0 e- h2 X0 }; t
+ e/ q1 t2 \9 u+ d/ x3 g 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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* r# b8 A3 D- ^( t7 d 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。7 v* L7 j$ K% E4 {) g
$ z% ^; |/ N+ M8 ?6 b/ c E; Y 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( b2 i. }2 F7 W8 w
9 J" E4 F7 L, a: } 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?
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9 m+ J5 P0 ]. e2 @) |. {7 u 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。5 U% ~+ _# V6 c
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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。' K; _$ L& I& H$ `3 X
N2 F. g5 d3 y/ F) ppiRNA
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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)。
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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。4 o: _" y3 m. \( ~2 _6 n/ A
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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。! _# C* x, m2 ]* s3 b1 { ]
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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。$ W5 `7 c1 ]* a0 S% B" \6 f* ?# }+ m# y
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M1 n9 v g& f& [0 h本文转自建人先生原创,感谢 |
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