ncRNA干貨|參與幾乎所有生理病理過(guò)程的miRNA
microRNA(miRNA)是真核生物中一類(lèi)內(nèi)源性的小非編碼RNA,長(zhǎng)度約為17~25bp。自1993年被發(fā)現(xiàn)miRNA以來(lái),小RNA領(lǐng)域的進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)顛覆了科學(xué)界對(duì)基因調(diào)控的認(rèn)識(shí)。從胚胎發(fā)育開(kāi)始,到細(xì)胞凋亡,乃至腫瘤生長(zhǎng),miRNA在一系列生理和病理過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用,各種遺傳、代謝、傳染病和腫瘤相關(guān)的miRNA為科學(xué)家進(jìn)行病理研究提供了新的角度,可能成為可靠的疾病生物標(biāo)志物,科學(xué)家們也正積極地通過(guò)改變miRNA的功能、研發(fā)新的體內(nèi)遞送方法,尋求對(duì)疾病干預(yù)治療的手段,miRNA近來(lái)還被發(fā)現(xiàn)用于介導(dǎo)跨物種的進(jìn)化與適應(yīng),更多的miRNA還有待探索。
一、miRNA的發(fā)現(xiàn)與命名
1993年,Victor Ambros和Gary Ruvkun分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室在線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)了一種名為lin-4的基因[1,2]。這種基因并不編碼蛋白,而是表達(dá)一種長(zhǎng)度為22nt的小RNA,并且這種小RNA可以抑制一種核蛋白LIN-14基因的表達(dá)從而調(diào)節(jié)線蟲(chóng)的發(fā)育。他們推測(cè)這種抑制的機(jī)制在于lin-4能夠與LIN-14 mRNA的3’ UTR區(qū)域上獨(dú)特的重復(fù)區(qū)域相互補(bǔ)。發(fā)生在線蟲(chóng)第一幼蟲(chóng)期末尾的這種抑制作用將啟動(dòng)線蟲(chóng)從第一幼蟲(chóng)期向第二幼蟲(chóng)期的發(fā)育轉(zhuǎn)變,因此這種小RNA又被稱(chēng)為“小分子時(shí)序RNA(small temporal RNA,stRNA)”。
然而這一發(fā)現(xiàn)并未得到科學(xué)界的重視,只是被當(dāng)做一個(gè)特例存在。下一個(gè)類(lèi)似現(xiàn)象的報(bào)道,是在七年之后的2000年。第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的miRNA被命名為let-7,長(zhǎng)21nt,由Gary Ruvkun在對(duì)線蟲(chóng)的研究中發(fā)現(xiàn)[3]。同lin-4類(lèi)似,let-7也能通過(guò)結(jié)合在一些靶基因(lin-14、lin-28、lin-41、lin-42以及daf-12)mRNA的3’ UTR區(qū)域上,從而調(diào)節(jié)線蟲(chóng)的發(fā)育。Let-7的發(fā)現(xiàn),以及當(dāng)時(shí)RNAi領(lǐng)域的興起,讓人們意識(shí)到這種調(diào)節(jié)性小RNA可能是一種廣泛存在的基因表達(dá)調(diào)控分子。在2001年10月,Thomas Tuschl、David Bartel和Victor Ambros三人分別領(lǐng)導(dǎo)的三個(gè)研究組在《science》雜志同期發(fā)文,將這種小RNA命名為microRNA,簡(jiǎn)稱(chēng)miRNA[4-6]。隨后的幾年里,成千上萬(wàn)的miRNA在各種物種(包括人類(lèi)、小鼠、大鼠、果蠅、斑馬魚(yú)、擬南芥、水稻等動(dòng)植物的幾乎所有類(lèi)群)中被發(fā)現(xiàn),開(kāi)辟了一片全新而廣闊的科學(xué)研究領(lǐng)域。
鑒于miRNA的迅速發(fā)現(xiàn)以及功能的闡明,迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的命名規(guī)則與統(tǒng)計(jì)規(guī)范。來(lái)自Sanger研究所的科學(xué)家們?cè)?002年開(kāi)發(fā)了microRNA Registry,后更名為miRBase,為miRNA的研究提供了規(guī)范和方便[7]。miRBase收錄的miRNA條目數(shù)從2002年的218個(gè)增加到2023年的271個(gè)物種,幾萬(wàn)條記錄。而僅僅人類(lèi)基因組所編碼的miRNA已經(jīng)達(dá)到1917個(gè)。現(xiàn)在依然不斷有新的miRNA被發(fā)現(xiàn)。另外,我們從pubmed上梳理了miRNA從2001年重新被發(fā)現(xiàn)后該領(lǐng)域所發(fā)表的論文,如圖1所示,年論文量從2001年的5篇增加到了2023年的13288篇,增加了2600多倍。
圖1. miRNA 自發(fā)現(xiàn)以來(lái)相關(guān)論文的數(shù)量變化
圖2. miRNA 的命名規(guī)則
二、miRNA的結(jié)構(gòu)
miRNAs在細(xì)胞內(nèi)是怎么加工成熟的呢?miRNAs的加工成熟是一個(gè)經(jīng)歷了細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)空間轉(zhuǎn)變、多種酶和輔助蛋白協(xié)調(diào)完成的受到多層次調(diào)節(jié)的多步驟精密反應(yīng)[8]。
RNA聚合酶最先合成的是miRNA的初始轉(zhuǎn)錄本(primary transcript),稱(chēng)為primary miRNA(pri-miRNA)。Pri-miRNA一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)千nt,內(nèi)部有莖環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loop structure)。Pri-miRNA到最終的成熟體miRNA,需要經(jīng)歷“切兩刀”。首先,pri-miRNA上的莖環(huán)結(jié)構(gòu)會(huì)在細(xì)胞核中被RNaseIII型的核酸內(nèi)切酶Drosha從初始轉(zhuǎn)錄本上切割下來(lái),得到的長(zhǎng)約65nt的小發(fā)卡結(jié)構(gòu)稱(chēng)為pre-miRNA。隨后,pre-miRNA被一個(gè)細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白exportin5(EXP5)轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中。來(lái)到細(xì)胞質(zhì)的pre-miRNA會(huì)被細(xì)胞質(zhì)中另一種核酸內(nèi)切酶Dicer切第二刀,形成一個(gè)22nt左右的雙鏈RNA。
需要特別說(shuō)明的是,在miRNA的加工成熟中會(huì)發(fā)生一個(gè)鏈選擇(strandselection)的過(guò)程:選擇哪一條鏈被保留在RISC中去行使功能,哪一條鏈被丟棄。這個(gè)選擇的基本原則是:兩條鏈里,5’端雙鏈相對(duì)更不穩(wěn)定的那一條鏈傾向于被保留,而另一條鏈則會(huì)被丟棄然后降解。當(dāng)然,這一規(guī)則并不嚴(yán)格,導(dǎo)致有的雙鏈的兩條鏈都可能被保留下來(lái),這種時(shí)候需要在miRNA的序號(hào)后面加上5p或者3p加以區(qū)分。
圖3. miRNA的加工成熟途徑
miRNA是一類(lèi)在進(jìn)化上非常保守的基因,55%的線蟲(chóng)miRNAs在人體內(nèi)有同源分子,提示miRNA在進(jìn)化上有重要意義,并且有著重要的生物學(xué)功能[9]。約有40%的miRNA的基因位于編碼蛋白基因的內(nèi)含子區(qū)域(內(nèi)含子miRNA),與宿主基因(hostgene)共享啟動(dòng)子和調(diào)節(jié)元件。約50%的miRNA擁有獨(dú)立的非編碼轉(zhuǎn)錄本,其中約40%位于這些轉(zhuǎn)錄本的內(nèi)含子區(qū)域,10%位于外顯子區(qū)域。
圖4. 五種pri-miRNA的結(jié)構(gòu)
三、miRNA的作用機(jī)制
當(dāng)miRNA被裝載到RISC復(fù)合物中后,便可以發(fā)揮其基因表達(dá)調(diào)控的作用。miRNA會(huì)通過(guò)其種子序列(5 ’端第2-8位核苷酸)識(shí)別靶基因mRNA 3’UTR上的結(jié)合位點(diǎn),攜帶RISC發(fā)揮作用。miRNA的作用效果主要有三種:轉(zhuǎn)錄抑制(transcriptional repression),mRNA的切割或降解(mRNA cleavage or degradation)。
轉(zhuǎn)錄抑制涉及到一個(gè)重要的蛋白GW182。RISC有兩個(gè)核心組件:AGO蛋白和AGO結(jié)合蛋白GW182。GW182可以通過(guò)N端的GW結(jié)構(gòu)域結(jié)合AGO蛋白,而它的C端的沉默結(jié)構(gòu)域(silencing domain)可以形成一個(gè)大的平臺(tái)用以招募其它輔助蛋白,比如PABP、CCR4-NOT等。通過(guò)這些結(jié)合蛋白,可以在兩個(gè)層面抑制mRNA的翻譯。第一可以在轉(zhuǎn)錄起始之前,抑制40S核糖體小亞基和60S核糖體大亞基結(jié)合成80S的核糖體,從而阻止翻譯的起始。第二可以在翻譯延伸階段,阻止核糖體的前進(jìn),導(dǎo)致翻譯終止[10]。
圖5. miRNA影響mRNA的三種方式
第二種影響mRNA水平的作用方式是miRNA介導(dǎo)的mRNA切割,但這種調(diào)節(jié)方式在動(dòng)物中并不常見(jiàn)。因?yàn)閯?dòng)物體內(nèi)的miRNA一般與靶基因匹配程度不高(除種子序列之外),而mRNA的切割需要miRNA與靶基因盡可能地完美匹配。切割作用的執(zhí)行者是AGO蛋白。哺乳動(dòng)物有四種AGO蛋白,分別是AGO1-4,其中有切割功能的只有AGO2。由于miRNA裝載到四種AGO蛋白的概率一致,所以要發(fā)生切割mRNA的反應(yīng),必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件:miRNA被AGO2包裹并且能與靶基因很好的配對(duì)。
第三種影響mRNA水平的作用方式是 miRNA 介導(dǎo)的mRNA降解,這可能是miRNA 造成 mRNA 水平降低的主要方式。如圖5所示,當(dāng)mRNA的正常轉(zhuǎn)錄受到抑制時(shí),可能引發(fā)mRNA的脫帽、脫尾反應(yīng),然后引起mRNA從5’端或者3’端開(kāi)始降解。
關(guān)于miRNA在mRNA上的結(jié)合位置,主要認(rèn)為是在3’ UTR上。但是后來(lái)的研究表明,有的miRNA也能結(jié)合到5’ UTR甚至CDS區(qū)上行使功能[11,12]。目前綜合已有的證據(jù)來(lái)說(shuō),結(jié)合到5’ UTR的miRNA常常起到翻譯激活的作用,這有可能是RISC復(fù)合物“撐”開(kāi)了折疊的mRNA,方便負(fù)責(zé)翻譯的起始因子或核糖體的進(jìn)入。而結(jié)合到CDS區(qū)的miRNA則跟結(jié)合到3’ UTR的經(jīng)典負(fù)調(diào)控方式相同。比如Tay等人找到多個(gè)miRNAs可以結(jié)合到Nanog、Oct4和Sox2的CDS區(qū),并且抑制這些蛋白的表達(dá)[12]。
另外,關(guān)于 miRNA 的作用場(chǎng)所主要在細(xì)胞質(zhì),也有報(bào)道在細(xì)胞質(zhì)加工成熟的miRNA可以重新進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。
四、miRNA的功能
miRNA行使功能主要依靠上述方式抑制下游基因表達(dá),以這種間接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生理病理狀態(tài)的調(diào)節(jié)。據(jù)估計(jì),miRNA能調(diào)節(jié)人類(lèi)近1/3的基因。而一個(gè)基因往往受到數(shù)個(gè)甚至數(shù)百個(gè)miRNA的調(diào)控(而這些估計(jì)主要是基于miRNA通過(guò)種子序列結(jié)合到靶基因 mRNA的3’ UTR這一基礎(chǔ),如果考慮不同的結(jié)合序列以及不同的結(jié)合位點(diǎn),這一數(shù)字將更為可觀)。因此,miRNA的基因調(diào)控作用將是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),如圖6所示[13]。
圖6. miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)示意圖
這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)結(jié)果:首先一個(gè)miRNA的功能將非常廣泛,通過(guò)直接或者間接的調(diào)控,可以影響到很多生物學(xué)功能;而不同miRNA之間的相互配合又可以加強(qiáng)這種效果。但是,這樣又會(huì)造成 miRNA 功能的稀釋?zhuān)沟妹恳粋€(gè)具體靶點(diǎn)能受到某個(gè)miRNA的影響可能會(huì)變得很??;而不同miRNA之間也可能存在功能的抵消。又如圖7所示[14],作者區(qū)分了三類(lèi)miRNA的靶點(diǎn):“switch targets”、“tuning targets”以及“neutral targets”。其中 miRNA對(duì)于switch targets作用很強(qiáng),抑制效率很高,為的是使這些靶點(diǎn)的表達(dá)維持在很低的水平。這些基因往往是特定時(shí)期需要表達(dá)的基因,一旦異常表達(dá),危害很大。miRNA對(duì)于tuning targets只有較弱的抑制效果,為的是使這些靶點(diǎn)表達(dá)在一個(gè)合適的范圍內(nèi),既不太高也不太低。miRNA對(duì)于neutral targets作用不明顯,這些基因類(lèi)似于管家基因,傾向于避免miRNA的調(diào)控。
圖7. miRNA和靶點(diǎn)調(diào)控關(guān)系的不同類(lèi)型
miRNA的功能涉及到各種生理病理過(guò)程,包括:發(fā)育過(guò)程調(diào)節(jié)、抵抗病毒入侵、動(dòng)物免疫功能調(diào)節(jié)、各器官/系統(tǒng)疾病以及腫瘤等。
1. miRNA與發(fā)育
miRNA最初就是在研究線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)的[15]。第一個(gè)miRNA,也是miRNA 調(diào)節(jié)發(fā)育過(guò)程的經(jīng)典案例就是lin-4對(duì)它的靶基因lin-14的調(diào)節(jié)。除了lin-4,在線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中還有許多miRNA參與,包括著名的let-7,miR-48,miR-84和miR-241等等。Dicer酶敲除的小鼠在發(fā)育的第7.5天會(huì)死亡,提示miRNA在發(fā)育中有重要作用。
圖8. 線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中miRNA控制發(fā)育時(shí)序
2.? miRNA與病毒
在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中,有的miRNA發(fā)展出抵抗病毒入侵的功能。而作為對(duì)手,某些病毒也進(jìn)化出自己的miRNA系統(tǒng)或者學(xué)會(huì)利用宿主現(xiàn)成的miRNA系統(tǒng),來(lái)幫助自己感染、增殖或者潛伏。miR-122是肝特異性表達(dá)的一種miRNA,它在抵抗HBV中有重要作用。miR-122可以直接結(jié)合到HBV的前基因組RNA上,抑制HBV的復(fù)制與翻譯。然而,miR-122卻能結(jié)合到HCV RNA的5’ UTR,促進(jìn)HCV的增殖。另外,還有的病毒本身可以編碼miRNA,然后在宿主細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)自身病毒基因或者宿主基因表達(dá)。
3. miRNA在代謝方面的作用
人體代謝反應(yīng)的正常進(jìn)行是生命活動(dòng)得以發(fā)生的保障。miRNA在這一重要生命活動(dòng)中也發(fā)揮著多種多樣的重要功能。上文提及的肝臟特異性miRNA—miR-122是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)與代謝調(diào)控有關(guān)系的miRNA,它可以調(diào)節(jié)肝臟膽固醇和脂質(zhì)的代謝。在另一項(xiàng)研究里,在高脂喂食的肥胖小鼠里下調(diào)miR-122后,小鼠肝臟膽固醇和脂肪酸的合成減少,脂肪的β氧化增加,循環(huán)系統(tǒng)的膽固醇和甘油三酯也發(fā)生減少,脂肪肝情況有所改善。另外,miRNA在胰島素和糖代謝方面也有重要作用,miRNA還可能調(diào)節(jié)胰島的發(fā)育,miRNA也參與脂肪細(xì)胞的生成和功能調(diào)節(jié)。
圖9. miRNA參與胰島素信號(hào)和葡萄糖代謝的調(diào)控
4. miRNA與腫瘤
miRNA參與了各種生命活動(dòng)的調(diào)節(jié),尤其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中有很重要的作用。在腫瘤發(fā)生發(fā)展的每個(gè)環(huán)節(jié),都有多種miRNA的參與[16]。如圖10所示,在結(jié)腸癌中,miRNA的調(diào)控發(fā)生在腫瘤的增殖、凋亡、侵襲遷移、血管形成、能量代謝和免疫逃逸等各個(gè)方面。在腫瘤發(fā)生發(fā)展的不同階段,腫瘤細(xì)胞和患者血清中的miRNA表達(dá)譜都會(huì)發(fā)生特異的變化,可以用于疾病的診斷、預(yù)后及藥物效果的評(píng)估。
圖10. miRNA參與胰島素信號(hào)和葡萄糖代謝的調(diào)控
五、miRNA的表達(dá)調(diào)控
miRNA作為基因表達(dá)調(diào)控的重要開(kāi)關(guān),能參與幾乎所有生理病理活動(dòng)。研究miRNA的時(shí)候,找到合適的研究miRNA的gain of function或者loss of function是必要的,這將對(duì)于我們理解生理病理活動(dòng)、開(kāi)發(fā)應(yīng)用miRNA提供巨大幫助。
1. mimic/inhibitor
實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞實(shí)驗(yàn)最常使用的,當(dāng)屬miRNA的mimic和inhibitor了。miRNA的mimic和inhibitor是人工合成的RNA oligos,其中mimic是雙鏈,inhibitor是單鏈。mimic兩條鏈的3’端各帶2nt的懸垂堿基TT,其余序列完全互補(bǔ),模擬天然經(jīng)Dicer酶切割后的miRNA雙鏈;瞬轉(zhuǎn)入細(xì)胞,可以提高miRNA的含量。而inhibitor則是與相應(yīng)miRNA完全互補(bǔ)的單鏈,瞬轉(zhuǎn)入細(xì)胞,可以結(jié)合細(xì)胞內(nèi)的miRNA,從而達(dá)到封閉miRNA的目的,解除對(duì)靶基因的抑制。
但是這種方法也存在一定的局限性,瞬轉(zhuǎn)mimic提高了miRNA的含量達(dá)數(shù)十到數(shù)千倍之多,可能會(huì)造成結(jié)果的不準(zhǔn)確性;另外,inhibitor并不能降低miRNA的表達(dá),只是封閉了miRNA的功能,對(duì)檢測(cè)上有一定的難度。而有的功能可能需要較長(zhǎng)時(shí)間段的miRNA含量改變才能表現(xiàn)出來(lái),這時(shí)候,穩(wěn)轉(zhuǎn)的方法改變miRNA的含量就顯得有了優(yōu)勢(shì)。
2. agomir/antagomir
agomir/antagomir是在mimic和inhibitor基礎(chǔ)上,3’端增加了硫代膦酸和膽固醇的修飾,而每一個(gè)核糖也進(jìn)行了2’-O甲基化修飾,提高了穩(wěn)定性,也可以被用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。但上述局限性仍然存在。
3. 質(zhì)粒/病毒載體
使用質(zhì)粒載體表達(dá)產(chǎn)生pri-miRNA或者pre-miRNA,然后經(jīng)切割產(chǎn)生成熟的miRNA。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于模擬了天然miRNA的成熟途徑,經(jīng)過(guò)一系列細(xì)胞內(nèi)的加工過(guò)程,使成熟的miRNA能有效地裝載到RISC中發(fā)揮作用。除此之外,還可以直接做成熟體的過(guò)表達(dá),但其因?yàn)椴皇翘烊坏慕Y(jié)構(gòu),可能會(huì)存在不能正確剪切的可能。質(zhì)粒載體再經(jīng)過(guò)病毒包裝的步驟包出來(lái)病毒,就可以用在包含體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)等不同的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中。
做miRNA封閉呢,也可以用質(zhì)粒或者病毒載體做。目前常用的有miRNA sponge技術(shù)和miRNA antago技術(shù)。miRNA sponge是利用miRNA-mRNA的相互作用,設(shè)計(jì)出帶有串聯(lián)排列的miRNA結(jié)合位點(diǎn)的質(zhì)粒載體,作為分子海綿吸附相應(yīng)miRNA,解除對(duì)其靶基因的抑制。miRNA antago技術(shù)也是利用miRNA-mRNA的相互作用,但只設(shè)計(jì)含有一個(gè)miRNA結(jié)合位點(diǎn)的質(zhì)粒載體。跟sponge比較,antago封閉miRNA的功能比較弱,正常情況下優(yōu)先選擇miRNA sponge。
4,miRNA的敲除調(diào)控
針對(duì)于編碼基因的敲除,非3倍數(shù)堿基的插入/缺失會(huì)導(dǎo)致移碼突變,編碼提前終止等現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)編碼基因的敲除,但這些通過(guò)影響編碼基因正確編碼的手段并不能對(duì)包含miRNA在內(nèi)的非編碼RNA達(dá)到敲除效果。因此,要想實(shí)現(xiàn)miRNA的敲除,則需要在基因組上對(duì)miRNA的上下游各設(shè)計(jì)sgRNA,通過(guò)片段敲除的方式,實(shí)現(xiàn)miRNA敲除[17]。
圖11. 使用cirspr/cas9技術(shù)敲除miRNA
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