簡述miRNA及其在動植物中的差異.doc

1、簡述miRNA及其在動、植物中的差異生命科學(xué)學(xué)院 遺傳系 董賢欣 072023032摘要：mi RNA，是一段非常短的非編碼RNA序列，長度約為20 23 個核苷酸。miRNA通過與靶mRNA的互補配對而在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和翻譯水平上對基因的表達進行負調(diào)控，導(dǎo)致mRNA 的降解或翻譯抑制,進而對多種生物學(xué)過程起調(diào)控作用。在植物和動物中，miRNA 執(zhí)行這種調(diào)控作用的機理卻不盡相同。同時miRNA 在動植物體內(nèi)的形成過程也存在很多的不同之處。本文綜述了miRNA的基本特征及其在動植物中的差異。關(guān)鍵詞：微小RNA；動、植物；差異Abstract：MicroRNA, is a very small se

2、ction of non-coding RNA sequence with about 22-23 nucleotides length. MiRNA function as sequence-specific negative regulators in transcriptional、post-transcriptional translational gene silencing by base pairing with target mRNAs, which leads to mRNA cleavage or translational repression. This can reg

3、ulate several biological processes. Meantime，there are also many differences in the biogenesis of miRNAs in plants and animals. This review highlights the basic character of miRNA and the differences of miRNA in plants and animals.Key words：miRNA, animal and plant ,differences作為Science 2002年十大科技突破的第

4、一名 miRNA 已成為生物學(xué)研究的一大焦點，miRNA由內(nèi)源性基因編碼, 可通過誘導(dǎo)mRNA的切割降解, 翻譯抑制或者其他形式的調(diào)節(jié)機制抑制靶基因的表達.它在生物的發(fā)育時序調(diào)控和疾病的發(fā)生中起到非常重要的作用。1 miRNA的概述miRNA 是一類長度很短的非編碼調(diào)控單鏈小分子RNA，約2024 nt(少數(shù)小于20 nt的)。 miRNA 基因以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中，而且絕大部分定位于基因間隔區(qū)。其轉(zhuǎn)錄獨立于其他基因，并不翻譯成蛋白質(zhì)，而是在體內(nèi)代謝過程中起到多種調(diào)控作用1。現(xiàn)已證實，miRNA 廣泛存在于真核生物細胞內(nèi)，是最大的基因家族之一，大約占到整個基因組的1

5、%2。而且，miRNA與其靶分子mRNA組成了一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如某一特定的miRNA 可以與多個mRNA 分子結(jié)合而發(fā)揮調(diào)控功能，反之，不同的miRNA 分子也可以結(jié)合在同一mRNA 分子上，協(xié)同調(diào)控此mRNA 分子的表達3,由此可見，miRNAs在生物體生長、發(fā)育過程中起著無法替代的重要作用。1.1 miRNA的發(fā)現(xiàn)1993 年, Lee 等4 在秀麗新小桿線蟲( Caenorhabditis elegan) 中發(fā)現(xiàn)了第一個能時序調(diào)控胚胎后期發(fā)育的基因lin24. 時隔7 年之后,Reinhart 等5 同樣又在線蟲C. elegans 中發(fā)現(xiàn)了第二個異時性開關(guān)基因let27 , 并將這

6、類基因所編碼的能時序調(diào)控發(fā)育進程, 長度約為21 個核苷酸(nt) 的小分子RNA 稱為stRNA ( small temporal RNA)。2002年，美國的俄勒岡州立大學(xué)、Rutgers 大學(xué)、麻省理工學(xué)院與Rice 大學(xué),和奧地利科學(xué)院的四個研究小組分別報道從植物發(fā)現(xiàn)了miRNA，這是最早在植物中發(fā)現(xiàn)的miRNA6-9。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的該類小RNA在多種生物中被發(fā)現(xiàn)，2001年，這些小RNA被統(tǒng)稱為miRNA(microRNA)。1.2 miRNA的命名規(guī)則隨著miRNA發(fā)現(xiàn)和預(yù)測數(shù)量的不斷增多,國際上已經(jīng)有統(tǒng)一針對miRNA的命名法則10 :使用34個字母的前綴來標明物種,

7、如hsa 表示人類( Homosapiens) ,mmu 表示小鼠(Mus musculus) , dme 表示果蠅(Drosop hila melanogaster) 等;用miR 表示成熟的miRNA ,用mir 表示前體發(fā)夾結(jié)構(gòu)。而最后的數(shù)字則表明不同的miRNA ,也可以體現(xiàn)不同物種miRNA 之間的關(guān)系,如has-miR-101 和mmu-miR-101 是人和鼠的具有同源性的成熟miRNA。成熟的同源miRNA 可能在一個或兩個位點有變異,可用字母后綴來標注(如mmu-miR-10a 和mmu-miR-10b) ,如果變異位置明確則用數(shù)字標識(dme-mir-281-1 和dme-

8、mir-281-2) 。到目前為止除了線蟲中的lin4 和let7 外,其它miRNA 統(tǒng)一用以上表達方式。1.3 miRNA的特征miRNA 有6個明顯特征: 1)廣泛存在于真核生物中, 是一組不編碼蛋白質(zhì)的短序列RNA , 它本身不具有開放閱讀框架(ORF)，并且由不同于mRNA的獨立轉(zhuǎn)錄單位表達;2)通常的長度為2024 nt , 但在3端可以有12 個堿基的長度變化(對miRNA 的具體長度范圍尚無統(tǒng)一標準,在擬南芥和煙草中發(fā)現(xiàn)的26 nt RNA ,在四膜蟲( Tet rahymenas ) 中發(fā)現(xiàn)的能使大核部分DNA 失活的28 nt RNA 也被歸于其中11 ; 3)成熟的miR

9、NA , 5端有一磷酸基團, 3端為羥基, 且具有獨特的序列特征. 它們可以和上游或下游的序列不完全配對形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。這一特點使它與大多數(shù)寡核苷酸和功能RNA 的降解片段區(qū)別開來；4)miRNA5端第一個堿基對u有強烈的傾向性,而對G卻有抗性,但第2-4個堿基缺乏u,一般來講,除第4個堿基外,其他位置堿基通常都缺乏C5)保守性: 在已知的鼠和人類的miRNA 中有53% 與fugu rubripes(puffer fish ) 或danio rerio (zebra fish ) 同源12 ,已有實驗證明約12 %的miRNA在線蟲、果蠅、哺乳動物和植物中呈現(xiàn)保守性,而且序列比較發(fā)現(xiàn),這些保守

10、片段中的堿基差異僅為12 nt13 .6)時序性和組織特異性: 即在生物發(fā)育的不同階段里有不同的miRNA 表達, 在不同組織中表達有不同類型的miRNA。Gary(2001) 發(fā)現(xiàn)m ir235 到m ir240 基因簇的miRNA 在胚胎和成蟲早期高度表達, 而在其它各發(fā)育階段不表達。在擬南芥中，mir-157 在幼苗中高表達,mir-171 則在花中高表達14 。miRNA 在不同的細胞和組織中不同發(fā)育時間的差異性表達, 暗示它們極可能控制生物體發(fā)育的特定過程;而部分miRNA 在多種細胞或組織中的均一表達可能意味著它們在基因表達調(diào)控中具有更加廣泛的作用. 2 動、植物中miRNA的差異

11、1)前體miRNA長度不同植物miRNA前體的莖環(huán)結(jié)構(gòu)(stemloop)更大、更復(fù)雜，大約是動物中的3 倍長，預(yù)測的折回(foldback)長度變異(64303 nt)也比動物miRNA(6070 nt)明顯14；圖1 pre-miRNA結(jié)構(gòu)模式示意圖（標注Drosha酶作用位點)2)植物miRNA長度多為21 nt，而動物miRNA長度多為2223 nt，這源于Drosha與Dicer切割性能的差異15 ；3)植物miRNA 5端更優(yōu)選擇脲嘧啶U15 ，熱力學(xué)分析表明，這種末端不穩(wěn)態(tài)是通過RISC來維持的15 ，另外植物中miRNA3末端2nt突出的3-OH存在甲基化，而動物中無甲基化；4

12、)相對于動物miRNA,植物miRNA具有較高的進化保守性，因此，對植物miRNA 目標基因的預(yù)測要相對簡單18 ；5)基因組上的存在位置不同動物miRNA廣泛存在基因簇現(xiàn)象，即多個miRNA由同一個前體RNA加工而來，且來自同一基因簇的miRNA具有較強的同源性，不同基因簇的miRNA的同源性則較弱19，基因組的基因之間及結(jié)構(gòu)基因的內(nèi)含子區(qū)域均存在大量編碼miRNA 的基因，因此，來源于 pre-mRNA 內(nèi)含子區(qū)域的miRNA 伴隨pre-mRNA的剪接而形成；而植物miRNA多數(shù)由單一pre-RNA加工而來，只有極少數(shù)miRNA，如miR395 存在基因簇現(xiàn)象20。除了極少數(shù)特例(編碼m

13、iR402 的基因被發(fā)現(xiàn)存在于 pre-mRNA 內(nèi)含子區(qū)域21)，編碼miRNA的基因主要存在于編碼蛋白的基因之間的區(qū)域，且大多是遠離 miRNA目標基因的獨立的轉(zhuǎn)錄單元；6)加工方式不同植物中，細胞核內(nèi)編碼miRNA 的基因的轉(zhuǎn)錄與加工是偶聯(lián)的，即miRNA的形成過程是在細胞核中完成的。首先，細胞核中編碼miRNA 的基因在RNA聚合酶的作用下轉(zhuǎn)錄形成長度約為幾百個核苷酸的初級轉(zhuǎn)錄物pri-miRNA；然后在一種類Dicer酶DCL1 的作用下形成miRNA 前體pre-miRNA，該前體長度一般為64303 nt，DCL1繼續(xù)作用于pre-miRNA 而形成雙鏈miRNA；最后，雙鏈mi

14、RNA在miRNA甲基轉(zhuǎn)移酶HENI的作用下，使3' 端最后一個核苷酸發(fā)生甲基化修飾。甲基化的主要作用是阻止轉(zhuǎn)移酶、聚合酶的活性。以上過程均在細胞核中完成的。成熟的miRNA或者是在細胞核中與類似RISC 的核糖核蛋白結(jié)合形成miRNP，然后被Exportin 5 的同源物HASTY運送到細胞質(zhì)中，或者是先被HASTY 運送到細胞質(zhì)中，再與核糖核蛋白結(jié)合形成miRNP22。動物中，細胞核內(nèi)編碼miRNA 的基因首先在RNA聚合酶的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)錄，形成長度約為幾百個核苷酸的初級轉(zhuǎn)錄物pri-miRNA，初級轉(zhuǎn)錄物在 RNase III 家族酶 Drosha 的作用下進一步被加工成為只含6

15、070 nt 具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的單個miRNA 前體pre-miRNA，由轉(zhuǎn)運蛋白Exportin-5 運送到細胞質(zhì)；在另一個RNase III 家族酶Dicer 的參與下，miRNA 前體被加工形成雙鏈miRNA，隨后miRNA 的雙鏈解鏈形成成熟的miRNA。成熟的miRNA 通過與一種類似RISC（the RNA-induced silencing complex)的核糖核蛋白結(jié)合形成miRNP 而發(fā)揮作用。植物中miRNA的加工機制 動物miRNA的加工機制圖2：miRNA在動、植物中不同的加工方式7)作用機制不同研究發(fā)現(xiàn)， 在植物和動物發(fā)育過程中，miRNA與靶mRNA結(jié)合的程度和部位不

16、同，作用方式也不同。在動物中，多數(shù)miRNA 以不完全互補方式與其靶mRNA 的3' 端非翻譯區(qū)的識別位點結(jié)合，從而阻礙翻譯機器對該mRNA的翻譯來調(diào)控基因表達，但不影響mRNA的穩(wěn)定性。如線蟲中的miRNA lin-4就是以這種方式調(diào)控它的兩個靶基因lin-14和lin-28 的翻譯23-24。但是，Soraya Yekta2004年，研究證明在小鼠胚胎中的miR-196可以介導(dǎo)靶基因mRNA HOXB8的降解，說明動物中的miRNA也存在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控25。植物中的miRNA 與相應(yīng)的靶mRNA近似完全配對，并且互補區(qū)域散布在靶mRNA的轉(zhuǎn)錄區(qū)域內(nèi)而非僅僅局限在3' UTR

17、，使得miRNA會結(jié)合到包括編碼區(qū)域在內(nèi)的多個位點上去，從而直接降解mRNA，引發(fā)了基因沉默。此現(xiàn)象是Hutvagner 和Zamore對擬南芥miRNA let-7 的研究時首次發(fā)現(xiàn)的。后來Leave也在擬南芥中證明了該機制。唯一例外的是mir-172，mir-172與其靶基因APETALA 2(AP2)高度互補，且互補位點落在編碼區(qū)域而非3' UTR，它在擬南芥的花朵發(fā)育中介導(dǎo)翻譯抑制，而不是直接降解RNA。但最近的研究表明，miR172 對AP2 的調(diào)控作用也是以剪切為主，只是低AP2 濃度可以刺激AP2 基因的表達26。另外，Lin 等研究證明線蟲中的let- 7 有兩種作用模

18、式, 當(dāng)與靶標基因完全互補時, 切割并降解靶基因, 如果蠅和HeLa 細胞中的let- 7 直接介導(dǎo)RISC 分裂切割靶mRNA。當(dāng)與靶標基因不完全互補時, 起轉(zhuǎn)錄抑制的作用, 如線蟲的let- 7 通過識別、結(jié)合lin- 41 和hbl- 1(lin- 57)的3UTR 并阻止它們轉(zhuǎn)錄27。 (A)互補完全-特定位點剪切mRNA （B)互補不完全-抑制翻譯圖3：miRNA的兩種作用機理這些區(qū)別表明，在生物進化過程中，動、植物從最后的共同祖先分化后，各自miRNA基因的進化是彼此獨立的。但miRNA依然普遍存在于動、植物中，從一定側(cè)面證明了miRNA對于生物個體形成和發(fā)展具有重要的意義。3 討

19、論miRNA的發(fā)現(xiàn)是RNA研究領(lǐng)域的一個里程碑式突破。目前，miRNA的研究已經(jīng)成為當(dāng)前生命科學(xué)研究的一個熱點，而且也取得了一些成果，但是，它距離我們真正搞清楚miRNA的作用機制，還是有待很長的時間去探索。隨著對模式生物體內(nèi)miRNA的形成、功能及作用機理的深入研究，最終將能解釋為什么miRNA在動物和植物中功能相似而作用機理不同，以及miRNA在不同生物體中是如何調(diào)控其生長發(fā)育的，使人類更好地了解生命的本質(zhì)，并用其知識解決眾多實際問題。參考文獻1華友佳,肖華勝. microRNA 研究進展.生命科學(xué),2005(17)3:1-42 Bartel D P. MicroRNAs: Genomic

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