结构生物化学/核酸/RNA/微小RNA (miRNA)

概述

微小RNA (miRNAs) 是大约 21 个核苷酸长的小型单链 RNA。它们的功能是调节基因表达。与其他类型的 RNA 一样，miRNAs 从 DNA 转录而来；但是，它们不参与蛋白质翻译。miRNAs 是非编码 RNA，它们与互补 mRNA 结合并抑制它们的翻译。miRNAs 和 siRNAs 都具有干扰基因表达的功能。然而，miRNAs 是单链的，而 siRNAs 是双链的。

miRNAs 已被确定在调节 DNA 损伤反应中发挥至关重要的作用。科学家认为，真核细胞中遗传信息的传递需要 DNA 复制和染色体准确性，以及检测和修复自发和诱导的 DNA 损伤的能力。为了维持基因组完整性，细胞经历 DNA 损伤反应，这是一个复杂的信号通路网络。该网络由细胞周期阻滞、凋亡和 DNA 修复中的协调传感器、转导器和效应器组成。

miRNAs 最近与各种疾病相关联。最近的研究表明，miRNAs 的失调与某些疾病之间存在联系，这导致需要进一步研究 miRNA 活性的稳健调节。

miRNAs 曾经被认为是非常稳定的分子，因为已知 miRNAs 的表达受到作用于转录水平和 miRNA 前体的加工的机制的严格控制。然而，最近，科学家们发现了另一种对 miRNA 稳态很重要的机制，即成熟 miRNAs 的主动降解。miRNA 的降解在动态的 miRNA 表达模式中发挥作用。研究表明，miRNA 的降解会影响特定的一组 miRNAs，尽管这种特异性是如何产生的仍然未知。

形成与功能

miRNAs 的主要功能是调节 mRNA 的翻译。在细胞核中，miRNAs 最初被转录为具有帽子和 poly-A 尾部的初级 miRNAs (pri-miRNAs)。然后，pri-miRNAs 通过一种称为 Drosha 的酶被加工成前体 miRNAs (pre-miRNAs)。pre-miRNA 的结构是一个 70 个核苷酸长的茎环结构。然后，pre-miRNAs 被转运到细胞质中，并通过一种称为 Dicer 的酶被切割成成熟的 miRNAs。这些成熟的 miRNAs 将整合到 RNA 诱导的沉默复合体 (RISC) 中并激活 RISC。激活的 RISC 然后可以使 miRNAs 与靶向 mRNA 结合并沉默基因表达。在动物细胞中，miRNAs 更常见地与 mRNA 配对并抑制蛋白质翻译。miRNAs 与互补 mRNA 的结合可以降解 mRNA，从而终止蛋白质翻译。或者 miRNA 可以抑制 5'-帽子的读取并阻止翻译。在植物细胞中，miRNAs 更可能与靶向 mRNA 完美结合并促进切割。MicroRNA 由长单链 RNA 的发夹结构形成，这些发夹结构会折叠到自身上。双链发夹结构被称为 Dicer 的酶切割，从而产生单链 microRNA。MircroRNA 然后形成 microRNA-蛋白质复合体，然后可以降解靶向 mRNA 并阻止靶向 mRNA 的翻译。在少数情况下，miRNA 表现出促进翻译的迹象，尤其是在饥饿条件下。这种活动的具体原因尚不清楚。

典型 miRNA 功能

发展中的研究表明，miRNAs 在与典型的 DNA 损伤反应相互作用中发挥着关键作用。DNA 损伤反应是一个积极的系统，包括启动转录程序、增强 DNA 修复和如果损伤严重则发生凋亡。DNA 双链断裂通过同源重组和非同源末端连接修复途径修复。其他形式的 DNA 损伤通过碱基切除修复 (BER)、核苷酸切除修复 (NER) 和 DNA 错配修复 (MMR) 修复。

miRNA 在基因调控和其他细胞功能中发挥着重要作用。许多 DNA 损伤反应中的重要基因受到其对应的 miRNAs 的管理。例如，miRNAs 通过靶基因监测 DNA 损伤反应。在 DNA 修复过程中，染色质重塑发生以允许 DNA 修复蛋白接触受损的 DNA。随着更多 miRNA 靶标，如 ATM、H2AX 和 RAD52，DNA 反应基因受到 miRNAs 的抑制。已经发现，某些 miRNA（如 miR-421）的表达升高会减少 ATM 的传递，并在特定细胞情况下下调 H2AX。

各种治疗中的 DNA 损伤剂已被证明会引发 miRNAs。DNA 损伤事件显示出与 miRNAs 激活的相关性，这表明 miRNAs 根据 DNA 损伤的程度调节 DNA 损伤反应。

非典型 miRNA 功能

最近的研究表明，miRNA 可以通过直接靶向细胞核中其他 miRNA 的初级转录本来控制 miRNA 的生物合成。一个典型的例子是 miR-709，它负向调节 miR-15a/16-1。这种特殊的 miR709 存在于小鼠细胞核中，它特异性地结合 miR15a/16-1，它们都是 19 个核苷酸的识别元件。它聚集并阻止 miR-15a/16-1 的初级转录本加工成前体。因此，它在转录后水平上调节成熟，这意味着在初级转录本之后但在前体之前。因此，由于 miR-709 可以调节 miR-15a/16-1，而 miR-15a/16-1 又调节细胞凋亡，因此 miR-709 间接调节细胞凋亡。这反过来证明了 miRNA 可以影响细胞内事物的表达，因为它可以调节细胞内其他 miRNA 的生物合成。

miRNA 还可以调节长非编码 RNA。ncRNA 通常长于 200 个核苷酸，是非蛋白质编码转录本。第一个证明长 ncRNA 是功能性 miRNA 靶标的实验证据由 Hansen 提供。在实验中，小脑退化相关蛋白 1 (CDR1) 的反义转录本，它是一种环状 ncRNA，已被证明与 miR-671 几乎完美互补，miR-671 位于细胞核中。在实验中，miR-671 以 AGO2 依赖的方式指导 CDR1 反义转录本的切割。因此，随着环状反义 ncRNA 的负向调控，它也降低了 CDR1 正义转录本。这项研究表明，反义 RNA 可以通过 AGO2 介导的切割被 miRNA 不稳定，而正义 mRNA 可以被环状非编码反义 RNA 稳定。

miRISCs 及其组成部分

miRNA 与 Argonaute 蛋白和 GW182 蛋白结合形成 miRNA 诱导的沉默复合物，或称 miRISC。AGO 附着在 GW182 蛋白的 N 端，而 miRNA 则与 AGO 结合。GW182 蛋白似乎更为重要，因为它包含主要的沉默区域。这在果蝇细胞中敲除 AGO 后，miRNA 诱导的抑制仍然有效的情况下被发现。

miRNA 抑制翻译

miRNA 拥有多种抑制翻译的方法。抑制可以在翻译前和翻译后发生，但前者似乎是更优先的方法。

起始前

1. miRISC 可以通过干扰 5' eIF4F 帽结构的读取来抑制翻译。miRNA 阻止核糖体读取帽子结构，因此起始过程从未开始。另一方面，能够在没有帽子识别步骤的情况下进行翻译的 mRNA 不会受到 miRNA 的抑制。
2. miRNA 还可以阻止功能性核糖体单元的形成。在正常的 mRNA 中，40S 和 60S 核糖体亚基结合形成 80S 复合物，这有助于翻译 mRNA。miRNA 抑制 60S 与 40S 亚基结合，使 mRNA 翻译无法进行。翻译永远无法开始。

起始后

1. miRNA 阻止正在翻译的新 RNA 的延伸。
2. 核糖体被迫从 mRNA 上脱落。40S 和 60S 核糖体亚基在翻译完成之前分离。
3. miRNA 诱导新转录的多肽链的蛋白水解。该链被酶分解。

三种起始后抑制剂的机制是已知的。

miRNA 稳定性

与过去认为 miRNA 非常稳定的说法相反，最近的研究表明，某些环境中的单个 miRNA 会发生加速降解，从而改变 miRNA 的水平，进而影响其活性。^[4]

在 miRNA 生物发生过程中，miRNA 由聚合酶 II 转录为初级转录本（pri-miRNA），并经过多步生物发生过程成熟，产生成熟且功能性的 miRNA 形式。在一个例子中，pri-miRNA 被聚腺苷酸化，并且相当长（几个千碱基长）。pri-miRNA 拥有发夹结构，其中包括 miRNA 的成熟序列在其茎部。在另一个例子中，前体 miRNA（pre-miRNA）可以保留在 mRNA 或其他非编码 RNA 的内含子中。在这两种情况下，核糖核酸酶 III 型酶 Drosha 与辅助因子 DiGeorge 综合征关键区域 8 同源物 (DGCR8) 形成复合物，在茎部附近进行切割，释放约 70 个核苷酸的 pre-miRNA。^[5]

去腺苷酸化和降解

在去腺苷酸化过程中，miRNA 与 AGO、GW182 以及 poly(A) 结合蛋白 (PABP) 结合。PABP 附着在 GW182 蛋白上，形成略微不同的 miRISC。miRISC 从 mRNA 上移除 5' 帽，这立即导致 mRNA 降解。去腺苷酸化是有效的，因为它消除了细胞中多余的 mRNA，减少了意外翻译的可能性。降解的片段被 P 体收集，并被 miRNA 重用。

miRNA 的降解在几种 miRNA 降解酶的帮助下进行。许多 miRNA 降解酶已被确定，包括 3' 到 5' 和 5' 到 3' 外切核糖核酸酶。最近的研究表明，某些 RNase 在不同生物体中不同 miRNA 集群的周转过程中发挥作用。然而，单个 miRNA 周转酶的底物特异性和系统发育保守性仍然需要研究。^[6]

microRNA-206 和突触修复

在 ALS 的小鼠模型中：当小鼠患上 ALS 时，microRNA-206 的产生会被诱导/增加。microRNA-206 的缺乏会加速疾病的进展。-microRNA-206 是受损神经肌肉突触（肌肉和神经细胞之间的信号）再生所必需的。当突触受损时，microRNA-206 会启动修复。没有 miRNA-206，突触无法修复；然而，一些突触可以重新生长。-microRNA-206 通过组蛋白脱乙酰化酶和成纤维细胞生长因子 (FGF) 信号通路来实现这一点。生长因子是来自其他细胞的特定信号，指示细胞生长。-microRNA-206 阻止翻译。然后它激活组蛋白脱乙酰化，使染色质浓缩，因此阻止转录。-microRNA-206 通过修复神经肌肉突触来减缓 ALS 的进展。

microRNA 基因位于基因间区域。这些区域有自己的 miRNA 基因启动子和调控单元。大约 40% 的 miRNA 基因位于蛋白质编码、非蛋白质编码，甚至外显子的内含子中。miRNA 位于与其宿主基因一起调节的方向。四十至五十 процентов其他 miRNA 基因显示在共同启动子中，这些启动子源自多顺反子单元。多顺反子单元具有 3-6 个离散的环，成熟的 miRNA 在这些环中被加工，但 miRNA 家族不是同源结构功能。因此，启动子与其他基因启动子具有几个相同的基序，这些启动子转录了来自 RNA 聚合酶 II 的蛋白质编码基因。此外，在成熟 miRNA 的产生过程中，DNA 模板没有完成，因为大约 5% 的人类 miRNA 表现出 RNA 编辑。RNA 序列的位点特异性修饰，产生与其 DNA 编码不同的产物。产物的产量可以增加多样性，miRNA 作用范围从基因组本身暗示而来。

miRNA 和疾病

癌症

最近的研究表明，miRNA 参与了疾病的发生。在癌症的情况下，研究人员发现 miRNA 可以抑制调节细胞增殖的 E2F1 蛋白。miRNA 在翻译 E2F1 蛋白之前首先与 mRNA 结合。一种 microRNA，miR-21，被标记为第一个致癌miRNA。已知它通过靶向人体中自然存在的肿瘤抑制因子来促进肿瘤生长和转移。肌球蛋白 1 (TPM1) 是 miR-21 的直接靶标，以及程序性细胞死亡 4 (PDCD4) 和 maspin，所有这些都与肿瘤存在时 miR-21 的表达呈负相关。这表明 miR-21 能够同时靶向多个基因并抑制多个代谢途径。

肾纤维化

肾纤维化是纤维组织（结缔组织）的过度积累，在肾脏瘢痕或创伤后作为修复过程发生。这种肾病直接促进肾功能障碍，最终导致肾衰竭和死亡。研究表明，在肾脏瘢痕形成进展过程中，某些 microRNA，miR-21，的表达显着升高。进行了实验来验证这种特定序列及其对小鼠的影响。

小鼠中 miR-21 的消除没有表现出明显的异常，也没有明显的肿瘤生长抑制/预防；然而，这些小鼠在应对肾脏损伤时产生的间质瘢痕组织明显减少。分析已经检测到由 miR-21 抑制的一组基因及其随后的代谢途径。其中之一涉及过氧化物酶体增殖物激活受体-α(Pparα)，这是一种脂质代谢途径，它包含合成反义 miR-21 寡核苷酸以抑制 miR-21。Pparα 被发现可以减轻输尿管阻塞引起的肾纤维化的影响。miR-21 还调节涉及一种名为 Mpv171 的蛋白质的氧化还原代谢途径。细胞中 Mpv171 的抑制通过减少氧自由基的产生而增强了肾脏损伤。

这些研究表明，miR-21 对微观尺度具有广泛的影响，可以成为抗纤维化和癌症治疗的合适靶点。

心脏病

其他研究表明 miRNA 抑制了小鼠心脏的成熟，并在心脏发育过程中发挥着至关重要的作用。miRNA 的表达水平在人类心脏疾病中发生改变；它与心肌病有关。在心脏病发展过程中，在动物模型中发现了几个特定的 miRNA，这些模型主要是在病理条件下的小鼠中。这些特定 miRNA 条件的关键因素对于心脏发生、肥大生长反应和心脏传导至关重要。

参考文献

Fabian, Marc R., Nahum Sonenberg, and Witold Filipowicz. "MicroRNAs 对 MRNA 翻译和稳定性的调控。"《生物化学年度评论》（2010 年）：351-79。Biochem.annualreviews.org。Neil A. Campbell, Jane B. Reece "生物学第 8 版"

外部链接

• http://www.ambion.com/techlib/resources/miRNA/index.html
• http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_RNA
• http://www.regulusrx.com/
• Chau 和 Tran。“MicroRNA-21 通过沉默代谢途径促进肾脏纤维化。”美国国家医学图书馆。N.p.，2012 年 2 月 15 日。网络。2012 年 10 月 20 日。<http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=MicroRNA-21%20Promotes%20Fibrosis%20of%20the%20Kidney%20by%20Silencing%20Metabolic%20Pathways.>.
• 刘友华。“肾脏纤维化：发病机制和治疗的新见解。”Nature.com。自然出版集团，2005 年 9 月 19 日。网络。2012 年 10 月 20 日。<http://www.nature.com/ki/journal/v69/n2/full/5000054a.html>.
• 陈曦，梁辉，张春义，曾凯。“miRNA 调控非编码 RNA：非经典功能模型”《趋势生物化学科学》。2012 年 9 月 2 日。网络。2012 年 10 月 25 日。<http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22963870>.
• 万国辉，Rohit Mathur，胡晓晓，张欣娜，陆雄斌，miRNA 对 DNA 损伤的响应，《趋势生物化学科学》，第 36 卷，第 9 期，2011 年 9 月。<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000411000855>.