|
  
- 积分
- 97
- 威望
- 97
- 包包
- 3142
|
内源小RNA — miRNA, siRNA和piRNA
W8 S! D1 i( @0 N% }$ s& n3 e2 e) n; d" _6 o/ [
- L! H+ j# g9 k W) _. U
: j- ?7 e3 P, f 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。
& }# W& \4 K+ ~8 z# `7 r% r9 u! z- D, U, @/ V& \1 F
) x+ E4 b9 s. s: g2 J% H5 C
9 A; ~( V2 q8 ImiRNA' s {7 g% y" M+ U
# N# E' k j8 G" v
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%。
9 E& j q, W* o8 K4 n
3 F }5 s% N2 e- E+ o- i. m 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。
* x) e/ R5 H8 M% M; C4 l s3 ^9 m" B& q% B1 ^
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。* L: _& v- @) l) x: W) r. d
8 c+ R& b3 i( J' 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。) Z% H) \8 U+ `
# ~$ ^0 B9 _* d8 H6 J$ q w 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]。
4 Y; ?( \& Z% q5 G- B
! x" J- l$ |" G* w 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。% q& i8 W+ J# T( Z# y7 |
* Z! E/ a d; f6 |; V3 g; y
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。
" d5 E Z/ {1 H0 t [8 E8 V
: F6 Z& G. m/ J* G2 \! x8 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。
* Y6 s* x/ J+ X2 p5 [+ L9 o* D/ S h" k' l$ y) E
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。
& K+ A/ P! d3 _4 d/ W6 r- B9 D# F7 U/ ^
内源siRNA/ G7 b9 {" x7 y4 t
! `6 V2 P5 r1 j" ^( w 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。
5 W/ n4 J. r/ _) n
. ?* G, M1 Q$ ]6 _" h- {1 p4 @5 L 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？) }5 ^9 m) f% e" J# X8 Y
6 _2 w+ s7 s0 ` y4 H. S, l1 T8 ? 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。
9 a2 y: v8 }7 F* |$ D- F% ^% W+ U# R4 h. o6 i. g
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。
! i. w$ f9 g2 U/ V) ?% V5 W& r4 F$ J9 }9 d
piRNA2 n" e( j; Q2 {; e& o
/ _7 y! c$ |1 l% g4 A! N# r
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)。$ z k7 b4 s3 j- I/ Q
7 Y& U! I: Z, S9 m( ^ 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。
8 }2 |; h. b% ]9 u6 V4 D9 A
' v4 ^5 J7 y ~3 o% ]* c 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。
[/ o; X+ B1 l* w7 E, O3 j* o0 I( }* K! O) J" b0 ]" J
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。, W! {' W3 Y* [" x. l
% \+ z9 E/ q3 I 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。
' R ~9 S) o& E
1 n4 P( i$ O" x% ?7 @2 P0 m- D% r1 I6 `
, h1 J2 V/ X$ ^( W' Z+ d& v* j; H
参考文献% e4 _, b: n6 E
* h& T" N) n8 c9 k1 Xie, Z. et al., Nature 434 (2005), 338—345. l, _* M) F% b3 l1 E# ?
! c# D8 M0 S0 ^2 Xie, Z. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 104
b$ o. L4 e/ U8 N1 q4 q/ y) F6 s" |7 k7 K8 i9 L1 d& ?7 A
3 Berezikov, E. et al., Cell 120 (2005), 21—24, ~' |! D2 W2 R5 @
$ _, w# Q0 o! f, o/ t4 John, B. et al., PLOS Biol. 2 (2004), 363
H5 u6 x* t5 Q/ x' C" H4 d" s, r" N/ w( E) b0 Q* {
5 Lewis, B.P. et al., Cell 120 (2005), 15—20
' r6 C, Z; U" T9 j" B. @8 _: L" K4 Q$ u }' U+ ]+ d( `! s
6 Lee, R.C. et al., Cell 75 (1993), 843—854, Z# L5 t: P, l# n4 e) y
* r7 i+ a9 [. w! G: M$ ^$ k7 Wienholds, E. et al., Nat. Genet., 35 (2003), 217—218
! X8 [8 G5 j R9 b3 y, R8 w, J# s& K$ ~
8 Plasterk, R.H.A. Cell 124 (2006) 877—8816 N% ]; ]- N! a4 ~; R W+ L8 a0 T
6 ^, C H! |8 R$ X1 H# e) P
9 He, L. et al., Nature Rev. Genet 5 (2004), 522—531
* i( e% K8 Z- L6 d9 m. w4 l9 x8 o. l
10 O’Donnell, K.A. et al., Nature 435 (2005), 839—843
% R* N/ |6 G; ]; X# e: o7 n* A' c: Z$ R7 o- c& d$ q
11 Hatfield, S.D. et al., Nature 435 (2005), 974—978# W% q' h5 r, H( `
1 J! o! [- {$ m2 T7 W( S
12 Ambros, V. et al., Curr. Biol. 13 (2003), 807—818
" \$ \ |0 ~: a7 R2 N! v4 J
; P- H) r y4 K; Q9 [: a13 Vazquez, H. et al., Mol. Cell 16 (2004), 69—79
H& [5 p! ?; s! }& a: ~0 p1 @& G0 n. G, j% [2 I5 y) q
14 Mochizuki, K. et al., Genes Dev. 18 (2004), 2068—2073
$ y; t+ h4 p& Y7 H/ Z! U7 r1 G, M* I7 P9 I |, ~
15 Carmell, M.A. et al., Genes Dev. 16 (2002), 27331 N4 h+ o$ H' m3 z2 ^, @2 r$ Q: a7 M
* I0 g: w" ^0 P
16 Lau, N.C. et al., Science 313 (2006), 363
8 e' _# j2 j$ P4 m
% ^. J/ J5 O( Y% _: Z0 }/ ` j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
