-
-
-.
miRNA
的作用机制及功能研究进展
王娟
（德州学院生物系，山东德州
253023
）
摘要
microRNA (miRN
A)
是内源性的大小在
20-25nt
的一类非编码
RNAs
，
具有调节基因
表达
活性的功能，广泛存在于真核生物体内，并在进化中保守。
miRNA
的广泛存在与进化上的
保守性，暗示它在生命活动中
具有必不可少的调节作用，他们参与动植物生长发育、细胞
分化、细胞增殖与调亡、激素
分泌、肿瘤形成等各种过程。本文总结了近几年来在
miRNA
的特征、生物发生、作用机制及功能意义上的研究进展。
miRNA
无论在数量上还是功能上，
可能都远远超过目前的发现，对其进行深入的研究，将有
助于我们对生物体的各种生理病
理机制的理解，并最终为疾病的诊断和治疗提供新的思路
和理论基础。
关键词
siRNA
；
microRNA
；
piRNA;
微处理器
;
核糖核酸内切酶Ⅲ
;
基因调控
;
生长发育；
肿瘤治疗
前言
2006
年，
Andrew Fire
和
Craig Mello
由于在<
/p>
RNAi
（
RNA interfere
nce
，
RNAi
）及基因
沉默现象研究领域的杰出贡献而获得诺贝尔医学奖，这再次将人们的注意力拉到
siRNA
这样一种小分子
RNA
上。
小分子
RNA
< br>包括一个大家族，
并在真核生物中具有广泛的调节功能。
目前已经有至
少两种小分子
RNA
被描
述：来源于发夹状前体的
miRNAs
(microRNAs
)
和由长的
dsRNAs
加工而来的<
/p>
siRNAs (small interfering RNAs)
。
研究发现，
miRNA
与
siRNA
有很多相似之处，
但也有很大的不
同，二者的区别将在以下文中进行论述。
最近又有文章报道了
一种新的小分子
RNA
的发现
[25]
——
piRNAs
(piwi-
interacting
RNAs),
他们特异地在小鼠的生
精细胞中大量表达。这些
RNAs
比以前发现的大多数小
RNAs
较大，
约
2
6
–
31nt(nucleotides)
，
并与
Argonaute
蛋白家
族的
Piwi
亚枝
(Piwi-
subclade)
成员相联系。
Argonaute
蛋白大约
100
KD
，
具有
PAZ
(Piwi Argonaut and Zwille)
和
PIWI
结构域。
一种
小
RNA
分子引导
Argonaute
蛋白识别靶分子并介导基因沉默。
Argonaute
家族被分为
Ago
和
Piwi
两个亚枝。
一般，
Ago
成员广泛存在并与
miRNAs
和
siRNAs
有关，
而
Piwi
成员则
-
-
总结
-
-.
限制在种系细胞和干细胞中表达。
克隆的
piRNAs
在染色体中表现
出极不均匀的分布，
大多数
piRNAs
簇集于染色体中
相对较小的基因座位，大小约
1
kb
到
100
kb
包含
10
–
4500
个小
RNAs
。尽管目前
对这
些
RNAs
的生物发生和功能还不
清楚，
但这些发现为小
RNA
生物学和
种系细胞生物学增
加了新的内容。
本
文将重点论述
miRNA
的最新研究进展，
miRNA
自被发现，
迅速成为近几年生命科
学领域的研究热点。对它的研究将会对转录后基因调节领域的发展产生深远影响。
miRNA
是一类长度约为
22
nt
的小分子非编码单链
miRNA
，
由具有发夹结构的约
70-90
个碱基大小的单链
RNA
前体（
pre-miRNA
< br>）加工而来，能够和互补或部分互补的
靶
mRNA
的
3
＇末端非翻译区
(3
′
untranslationalregion,3
′
UTR)
结合，使
mRNA
降解或介
导其翻译抑制。
m
iRNA
家族的成员是在研究秀丽线虫的发育转变过程中作为小分子短暂
RNA
（
stRNA
）被发现
的。研究发现，
miRNA
是
stRN
A
中的一个大家族，并且在线虫、果
蝇、植物、哺乳动物、甚至
病毒中均有发现。这类小
RNA
在表达上具有组织和时间的特<
/p>
异性，是调节其他功能基因表达的重要调节分子，在生物体的各种生命活动过程中发挥
着重要作用。
1
miRNA
的发现及命名
早在
1993
年
Lee
等
[20]
利用遗传分析的方法已经在线虫中发现一个
22nt
的小分子非
编码
RNA:lin-4
。
Lee
等注意到
，
lin-4
或
lin-14
突变后造成线虫发育差时表型
(heterochronic
phenotype)
，在线虫发育早期起作用的
lin-4
基因的突变使线虫中应该在早期出现的发育
事件延
迟发生，
而
lin-14
基因的缺失突
变却造成了完全相反的结果。
后来证明，
这种
< br>lin-4
基因编码的约
22
个
核苷酸的单链
RNA
通过不完全互补的方式结合到靶
mRNA(target
mRNA)lin-14
的
3
＇末端非翻译区
(3
′
untranslationalregion
，
3
′
UTR)
，短暂下调
lin-14
蛋
白的水平
，
促使线虫从
L1
期向
L2
期的过渡，
但并不影响
m
RNA
的水平。
2000
年
Reinhart
-
-
总结
-
-.
等
[
22]
发现了另一个类似的具有转录后调节功能的小分子
RNA
:let-7
。第二个
miRNA
l
et-7
的发现掀起了寻找
miRNA
的热潮，拟南芥、线虫、果蝇、小鼠、以及人类等各种生物及
病毒中都相继有
miRNA
的报道
,
且主
要以模式生物为主。
miRNA
种类的普遍性及多样性
预示着它在生物界中具有更广泛的功能。
mi
RNA
的命名，除最早发现的几种
miRNA
< br>（如：
lin-4
和
let-
7
等）以外，其他发现
的都用“
miR
-#
”来表示
[12]
，
“
#
”为阿拉伯数字（如
m
iR-1
，
miR-2
）
，对应的基因也用
这三个字母后缀加数字命名，
具体
根据不同物种的命名习惯采用连字符、
斜体或大写
（如
线虫和果蝇中的
mir
-1
，水稻和拟南芥中的
MIR
-156
）
。
2 miRNA
的特征及与
siRNA
的比较
2.1 miRNA
的特征
2.1.1
结构特征
长度为
~
22nt
是
miRNA
一个最基本的特征
,
且具有能形成分子内茎<
/p>
环结构的前体。在动物中
,
前体的长度一
般在
70
～
90nt,
而在植物中前体的长度可变性很
大
,
< br>可以从几十到数百
nt
。
2.1.2 miRNA
的存在形式
miRNA
基因常以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在<
/p>
于基因组中
,
在基因组中有固定的基因
座位，
70
％
~
90
％位于蛋白基因的基因间隔区
(intergenic
region,IGR)
，其余在内含子，还有个别在编码区的互补链，说明它们的转录
独
立于其他的基因
,
具有本身的转录调
控机制。最近有研究
[21]
发现，
2
5%
的人类已知
miRNA
位于蛋白质
编码基因的基因内区域
(intronic regions)
，
其中大约
50%
定位于内含子
(introns)
中
,
这些
miRNA
都具有独立的转录单元，可以作用于其主基
因
(host
gene)
的非翻译区
(untranslated region
，
UTR)
下调其蛋白质编码基因的表达水平，并且还可以作为重要的负
反馈调节子。
2.1.3
保守性
miRNA
< br>不仅在结构上保守而且在物种间具有高度的进化保守。结构
上，
< br>miRNA
在颈部的保守性较强，而环部可以容纳较多的突变位点的存在。种系
上，
有
-
-
总结
-
-.
些
m
iRNA
在一些物种中是高度保守的。约
12
< br>％的
miRNA
在线虫、果蝇、哺乳动物和植
物中呈现保守性，经序列比较发现，这些保守片断的碱基差异仅为
1
~
2
nt
；
miR-1
、
miR-34
< br>、
miR-87
在非脊椎动物和脊椎动物中高度保守。<
/p>
在线虫中
,
发现
85 %
的
miRNA
在
C. briggsaze
基因组
序列中是有同源物的
[18]
。
最具有
miRNA
保守性的是
let-7 RNA,let-7
在
C. eleg
ans
和人类中完全保守；
大约
40<
/p>
％
的
C. elegans
中的
miRNA
在人类中也是保守的。线虫
s
中的
let-7 miRNA
可以在
果蝇基因组
,
人的第<
/p>
9
、
11
和
22
条染色体上各找到一个与之完全一致序列
,
另外在人的第
9
条染色体上还有一
个仅差
1
个核苷酸的序列
[10]
。
2.1.4
时空特异性
目前研究较清楚的
lin-4
与
let-7
呈时间特异性表达。
在
s
中，
lin-4
只在幼虫的第一期和第二期存在
;let-7
却存在第三、第四期及成虫期
,
< br>在第一和
第二期并不存在；在拟南芥中，
miR157<
/p>
在幼苗中高表达，
miR171
则在花中
高表达
[23]
。
同时
,miRNAs
的表达具有组织特异性。
例如，
mir-290~mir-295
只在鼠胚胎干细胞中表达，
而在成体组织主要在胸腺和骨髓中表达
[14]
。最近一项研究
[28]
发现，
miR
NA
靶目标在成熟
小鼠和果蝇组织中的表达水平要比在胚胎中低
，同时，
miRNA
更倾向于靶向广泛表达的
< br>而不是组织特异性表达的基因，
这项结果表明了
miRN
A
广泛地参与胚胎发育及成体组织
特性的维持。
2.2 miRNA
与
si
RNA
的比较
miRNA
与
siRNA
的根本区别是他们来源不同，
而二者的作用机制相通。
首先，
miRNA
与
siRNA<
/p>
之间有许多相同之处：
1.
二者的长度都
约在
22nt
左右。
2.
二者都依赖
Dicer
酶的
加工，是
Dicer
的产物，所以具有
Dicer
产物的特点
:
5
＇端磷酸，
3
＇端均有
2
个游离核
苷酸。
3.
miRNA
和
siRNA
合
成都是由双链的
RNA
或
RNA
前体形成的。
4.
二者都是
RISC(RNA induced
silencing complex)
组分，
都具有组成
RISC
复合体的
Argonaute
蛋白家族，
其功能界限已变得不清晰，如二者在介导沉默机制上有重
叠。
-
-
总结
-
-.
miRNA
< br>和
siRNA
也有区别。
1.<
/p>
根本区别是
miRNA
是内源的，
在基因组中有固定的基
因座位；
siRNA<
/p>
可以是人工体外合成的，也可以是基因组的转录片断，降解片断和转座
片断，病毒基因组转录片断等，关键在于
siRNA
没有固
定的基因座位，本身不是基因组
的功能片断，是随机产生的，即加工位点不是保守的。<
/p>
2.
二者结构上没有本质区别，功
能分子
都是单链
RNA
，
miRNA
转录出来时必然是发夹状的，
siRNA
可以由
完全互补的双
链切断而来，也可以从发夹来。
3.
本质区别在于作用位点上，
miRNA
作用于固定的
靶基
因，
有特定的作用位点，
一般在靶
基因
3
′
-UTR
区，
而
siRNA
由于是随机产生
的或者人
工设计的，因此作用位点可以设计或改变，可作用于
m
RNA
的任何部位。
4.
在作用方式<
/p>
上，没有本质区别，是否降解或翻译抑制取决于互补程度，
siR
NA
也可抑制靶标基因的
翻译。
的生理功能在于调控发育分化和调亡，
适时调节内源基因表达，
而
siRNA
是生物抵抗外来核酸片断入侵的
一种方式，原始作用是抑制转座子活性和病毒感染。
miRNA
与
siRNA
的区别总结于表
1
[2]
。
表
1 miRNA
和
siRNA
的区别
特性
miRNA
siRNA
来源
内源转录本
转基因、病毒
RNA
大小
约
22nt
约
22nt
前体
茎环状的
pre-miRNA
双链结构的
dsRNA
催化酶
Drosha
、
Dicer
或类似
Dicer
Dicer
的酶复合体
RISC
复合体
含
Argonaute
蛋白家族
含
Argonaute
蛋白家族
匹配方式
不完全互补（动物）或
完全互补
完全互补（大多数植物）
作用目标的专一性
相对较低
高
-
-
总结
-
-.
(
特异性
)
续表
1
特性
miRNA
siRNA
作用点
蛋白质合成水平
转录后水平
靶基因的命运
抑制转录或者被降解
被降解
功能
发育过程中调节
抑制转录活性、病毒
内源基因的表达
感染、表型遗传
3
miRNA
的生物发生
目前，
关于
miRNA
的
生物发生的研究已经取得较大进展。
动物
(
尤其是人
) miRNA
的
生物
合成过程已经初步得到了诠释。
miRNA
的生物发生过程如图
1
[4]
所示。
图
1
miRNA
的生物发生过程
3.1<
/p>
细胞核中
miRNA
基因的转录与加工<
/p>
-
-
总结
-
-.
大多数
miRNA
是由基因间
DNA
序列编码的
,
转
录方向与相邻的基因往往相反
,
被认为
是与基因表达不同的独立单位。基因组
DNA
在
RNA
聚合酶Ⅱ的作用下产生原始
miRNA
转录本
(primary
transcripts,
Pri-
miRNA)
。
Pri-miRNA
在
5
′端具有甲基化的鸟嘌呤
,
而
3
′
端具有多聚腺嘌
呤碱基。另外一类
miRNA
是位于基因的内含子中
,
并会随着信使
RNA(mRNA)
转录
,
包含在
mRNA
的前体中。这一类
miRNA
的转录方向是
和对应的
mRNA
转录方向一致的
,<
/p>
因此一般认为此类
miRNA
的表达和对
应的
mRNA
一样具有组织特异性
[1
1]
。
pri-miRNA
在一种叫做微处理器的复合体的作用下，
剪切为约
70
个核苷酸长度，
一
端
5
＇磷酸，一端
3
＇端两
个悬垂，且具有茎环结构的
miRNA
前体
(precusor
of
miRNA,pre-miRNA)
。细胞核中的微处理器在不
同的生物体中，所包含的成分不尽相同。
在线虫、果蝇及哺乳动物体内，该复合体至少包
含有两种蛋白质成分，分别为
Drosha
和
< br>Pasha(Partner of Drosha)
。
Drosha
的主要作用是剪切
pri
-miRNA
形成
3
＇
端
2nt
悬垂的
pre-mi
RNA
，
Pasha
为
dsRNA
结合蛋白，参与
Drosha
对底物的识别
[6]
。在人类，
Pasha
又称为
DiGeorge
综合征关键区
域基因
8(DGCR8)
。对
DGCR8
的研究结果显示
,
DGCR8
是由染色体
22q11.
2
的一个基因
编码
,
对
miRNA
在发育过程中有重
要调节作用。
3.2 pre-
miRNA
的出核转运
在最初的剪切后，
pre-
miRNA
在
Ran-GTP
依赖的
核质
/
细胞质转运蛋白
Exporti
n 5
的
作用下，
从核内运输到细胞
质中。
Exportin
5
与
Ran-GTP
以及
pre-miRNA
形成异三聚体
，
通过核孔到达胞浆，然后，
Ran-
GTP
转变为
Ran-
GDP
，释放
pre-
miRNA
。
3.3
细胞质中
miRNA
的成熟
一旦
pre-miRNA
被运送到细胞
质中
,
第二种
RNA
< br>内切酶Ⅲ
,
称为
Dicer(<
/p>
双链
RNA
专一
性
RNA
内切酶
),
< br>对茎环前体一端
5
＇磷酸，一端
3
＇端两个悬垂的结构有特殊亲和力，
-
-
总结
-
-.
在
Dicer
进一步的作用下，
miRNA
前体被剪切成
21~25
个核苷酸长度的双链
miRNA
。起
初，成熟
miRNA
与其互补序列互相结合成所谓
miRNA:miRNA*
双螺旋结构
(miRNA*
是
miRNA
的互补序列
);
随后，在解旋酶的作
用下，双螺旋解旋，其中一条结合到
RNA
诱
< br>导的基因沉默复合物
(RNA-induced silencing comp
lex
，
RISC)
中，形成非对称<
/p>
RISC
复合物
(asymmetric
RISC assembly)
。
该复合物会结合到目标靶
mRNA
上，
从而引起靶
< br>
mRNA
的
降解或者翻译抑制。
在
miRNA miRNA*
双螺旋中
，
只有其中一条单链可以选择性结合到
RISC
上去而成为
成熟
miRNA
，
然后另一条立即被降解。
尽管从理论上来说成熟
miRNA
的产生是随机选择
的结果，
但由于两条链的稳定性有所不同，
导致机会的不等。
如
图
2
[3]
所示
miRNA miRNA*
双螺旋结构中两条链的
3
＇
端均有
2
个游离核苷
酸。
此外，
它的两条链是不完全对称的：
miRNA
链上靠近
5
＇
端有一个不与
miRNA*
链相应位置配对的小突
起。
这个小突起显著地
减弱了
miRN
A 5
＇端的稳定性。由于成熟的
miRNA
< br>产生总是趋向于选择更不稳定的
5
＇
端，因此
miRNA
链被选中的机会要大大多于
miRNA*
链
(
大约<
/p>
100
倍
)
。结
果往往是双链
解开后
miRNA
链结合
到
RISC
中以做靶识别
,
而
miRNA*
则被迅速降解。这样极度不对称<
/p>
的选择性的好处是，不会因为
miRNA*
链结合到
RISC
中的比例过多而显著降低
< br>miRNA
对翻译的抑制效率
[3]
。
图
2 miRNA
miRNA*
双螺旋结构示意图
由上
可知，
miRNA
成熟过程中的连续加工，需要至少两种核糖核
酸内切酶
-
Ⅲ
（
RNAase
Ⅲ）
：
Drosha<
/p>
和
Dicer
催化，两者都是特定
dsRNA
的
RNA
内切酶。近年来对核
糖核酸内切酶
-
Ⅲ
[8]
的研究也有了一定进展。
-
-
总结
-
-.
核糖核酸内切酶Ⅲ家族依据其
蛋白结构域的组成不同，可以分为
3
个种类。第一
类包括一个保守的核糖核酸内切酶Ⅲ结构域
(RNase
Ⅲ
domain,R
Ⅲ
D)
和一个
dsRNA
结合结
构域
(dsRNA
binding
domain,dsRBD)
，在细菌和酵母中有发现。如
中的核糖核酸内
切酶
-
Ⅲ。第一类除了参与
rRNA
前体的加工成熟过程以外
,
还参与
mRNA
、
tRNA
前体的
加工成熟过程。
体内外实验都证明
,
无论是外源性还是内源性的
dsRNA,
均可以被机体的
核糖核酸内切酶Ⅲ识别并
且进行切割
,
产生约为
12~15
个核苷酸长度的
siRNA
。此
siRNA
的特点是
5
＇
端有磷酸基团
,3
＇端有羟基基团
,<
/p>
并且
3
＇端突出
2~3
个核苷酸长度
,
5
＇端
凹陷。
由核糖核酸内切酶Ⅲ产生的
siRNA
与机体内的一些酶等辅助因子形成蛋白质
-RNA
复合物
,
即为
RNA
引导的沉默复合物
(RISC)
。在
RISC
的指导下
,s
iRNA
中的反义链寻找与
其同源的
m
RNA
区域
,
并且在
< br>RISC
内的核酸内切酶的作用下降解同源
mRNA,<
/p>
使相应基因
封闭。第二类包括
2
个
R
Ⅲ
D(R
Ⅲ
a
和
R
Ⅲ
b)
和
1
个
dsRBD
，如
Drosh
a
及其同源物，仅在
动物细胞中有发现。
Drosha
定位于细胞核内
,
可以
识别核内的
pri-miRNA
并将其切割成发
夹样结构
,
约含有
70
个核苷酸长度的
miRNA
前体
(pre-miRNA),
然后通过转运蛋白
exp
ortin-5,
结合形成
exportin-5
、
Drosha
、
pre-
miRNA
的蛋白
-RNA
复合物
,
将
pre-miRNA
由
细胞核转运至细胞质。第三类如
Dicer
及其同源物，广泛存在于原核、真核及植物当中
,
由多个结构域组成，除了有
2
个
R<
/p>
Ⅲ
D(R
Ⅲ
a<
/p>
和
R
Ⅲ
b)
和
1
个
dsRBD
外，还有
1
个长的
N
末端，此末端中含有
1
个
DExH
RNA
螺旋酶
/ATP
酶结构域、
DUF283
结构域和
PAZ
结构
域
,
这种酶可以和含有
PP
结
构域
(PAZ Piwi domain,PPD)
的蛋白质相
互作用。这种核糖核
酸内切酶
-
Ⅲ在真
核细胞内定位于细胞质中
,
分散地分布于核糖体上
,
并且参与
miRNA
的<
/p>
加工成熟过程。
它可以识别具有茎
-
环样结构约含有
70
个核苷酸长度的
pre-miRNA,
并且
对其进行切割产生
成熟
miRNA
。
4 miRNA
的作用机制
miRNA
在发挥作用之前，需要同细胞内一些协同因子结合形成蛋
白质
- RNA
复合物
-
-
总结
-
-.
（
miRNA-containing ribonucleo
protin
，
miRNP
）
，
在
miRNP
的作用
下指导其识别同源
mRNA
。
在
Hela
细胞裂解液中发现这类核糖核酸蛋白复合物的大小在
15S
左右，其主要成分为
Germin3
、
Germin4
和
Argonaute
蛋白家族成员
eIF2C2
因子
,
后两种蛋白质与运动神经元的
存活
(survival of motor neurons,SMN)
有关
[10]
。研究认为，
miRNP
即为
RISC.
miRNA
与靶
mRNA
作用的典型方
式主要有两种
(
如图
3
，图
4
[16]
)
：
在大多数情况下
(<
/p>
例如在动物中
)
，复合物中的单链
miRNA
与靶
mRNA
< br>的
3'
UTR
不
完全互补配对，阻断该基因的翻译过程，从而调节基因表达。这种方式只影响蛋白表达
水平，并不影响
mRNA
的稳定性。目前，该翻译抑制
的详细机理尚不清楚。最近有研究
对此提出质疑，他们
[24]
认为，正常衰退途径引起的
mRNA
降
解速度的升高也会导致蛋白
质表达水平的下降，
且
miRNA
不仅能作用于翻译起始后的延长阶段，
还
能够抑制翻译的
起始。被抑制的靶
mRNAs
< br>和
miRNAs
共同聚集于胞浆中被称为
P-bodies
的区域，这个
区域还浓缩了许多参与
mRNA
降解的酶类。然而，
P-bo
dies
可能是作为未翻译
mRNA
进
行暂时的可逆储存的容器，
并且，
减少
一些特定
P-body
组成蛋白的表达能够缓和
miRNA
介导的基因表达抑制。
P bodies
[13]
是胞浆中的一定区域
(
如图
3)
，它包含参与多种转录后过程的蛋白质，例如：
mRN
A
降
解
(mRNA
< br>degradation)
、
无
义
介
导
mRNA
衰
退
(nonsense-mediated
mRNA
decay
,NMD)<
/p>
，转录抑制及
RNA
介导的基因沉默
(RNA-mediated
gene
silencing)
。尽管
P
bodies
不是介导基因沉默所必需的，
但阻断
siRNA
或
miRNA
基因沉默途径的任何一步都
会阻碍
P-bod
y
的形成，这表明
P-body
是基因
沉默的结果。因此，尽管
P-body
成分在
< br>mRNA
沉默及衰退中起重要作用，但
P-body
中的这种聚集并不是介导基因沉默机制所
必需的，而只能作为他们活
动的结果。
-
-
总结
-
-.
图
3 P
bodies
的作用机制
另一种作用
方式是，当
miRNA
与
mRNA
完全互补配对时，引起目的
mRNA
在互补
区的特异性断裂，
从而导致基因沉默，
这种作用方式与
siRNA
类似。<
/p>
如大多数植物在可
读框
(ORF)
中与它的靶位点几乎完全配对。这种
mi/siRNA
介导的基因沉默机制已得到了
相关的阐释。以
siRN
A
参与的
RNAi
为例进行说明，
siRNA
可与
RISC
< br>结合
,
作为模板识别
mRNA<
/p>
靶子，通过碱基互补配对原则，
mRNA
与
siRNA
中的反义链结合，置换出正义链。
双链
mRNA
在
Dicer<
/p>
酶、
ATP
和解旋酶共同作用下产生
22nt
左右的
siRNA
，
siRNA
继续同
RISC
形成复合体，与
siRNA
互补的
mRNA
结合，使
mRNA
被
RNA
酶裂解。这个过程也
-
-
总结
-
-.
称为转录后基因沉默
(PTGS)
。<
/p>
miRNA
以何种方式与目的基因作用
和
miRNA
与目的基因的配对程度有关。
MiRNA
与目的基因配对不完全时，
miRNA
就以抑制目的基因的表达方式作用；
miRNA
与目的基
因某段序列配对完全时，就可能引起目的基因在互补区断裂而导致基因沉默。<
/p>
-
-
总结
-
-.
图
4
miRNA
的两种作用机制
这两种作用机制是最早被发现和熟知的，除此之外，近期，
PNAS
刊载一项最新的
发现：快速脱腺苷酸化
(a
ccelerated
deadenylation)
是
miRNA
抑制基因表达的新机制
[
26]
。
Wu
等以
miR-125b
和
let-7
两种代表性的
miRNA
为研究对象，在哺乳动物细胞中发
现
它们能够促进
mRNA
聚腺苷酸尾巴
(polyA
tail)
的去除。他们认为
miRNA
去除聚腺苷酸
尾巴的能力不是由于降低翻译水平或需要
poly(A)
为存在的翻译抑制。为证明这点，
W
u
等用
3
′组蛋白茎
-
环结构取代聚腺苷酸尾巴，结果发现不但可以消除
miR-125b
对
mRNA
含量的影响，还可以降低对蛋白质合成的作用。由此可知，
miRNA
通过降低翻
译效率和聚腺苷酸化
mRNA
的浓度来抑制基因表达远比阻遏翻译强而全面，而且
，不
像翻译阻遏那样导致
mRNA
的解体是不可逆转。
总之，
miRNA
与靶
mRNA
不完全互补
后有两种转录后作用机制，除了阻遏翻译外还可引起
mRNA
快速脱腺苷酸化而被降解
以抑制基因表达。
对
miRNA
作用机制的不断深入研究不仅在理论上丰富了我们对基因调控的认识，
miRNA
应该具有潜在的多种调节基因表达方式，
这还有待于实验技术的进步
和人们的进
一步发现。
5
miRNA
的功能及意义
高等真核
细胞中，
miRNA
基因占已知基因的
~
1%
，目前估计哺乳动物细胞中有
6
00
多个
miRNA
，
30%
的基因要受到
miRNA
的调节。
miRNA
的多样性与进化保守性决定了其
在生理生化功能上的重要性与普遍性。然而只有少数
miRNA
的已经明确，许多
miRNA
的功能还尚待深入
研究。表
2
[1]
列出了几种已知功能
的
miRNA
，现在已经认识到这类小
分子
miRNA
在生物体发育、
细胞增
值与分化、
激素分泌、
肿瘤形成等过程中扮演者重要
角色。
表
2
已知功能的
miRNA
-
-
总结
-
-.
miRNA
名称
物种
生物学功能
靶基因
lin-4
线虫
发育时序调节
lin-14
,
lin-28
let-7
线虫
发育时序调节
lin
-41
,
hbl-1
lsy-6
线虫
神经细胞化学感受器
cog-1
不对称性调节
miR-273
线虫
神经细胞化学感受器
die-1
不对称性调节
miR-165/166
拟南芥
叶子近轴与离轴细胞的分化
PHV/PHB
miR-172
拟南芥
花朵发育
APETALA2(AP2)
Bantam
果蝇
调节细胞增殖和凋亡
hid
miR-14
果蝇
调节细胞凋亡和脂类代谢
caspase Ice?
续表
2
miR-15a/
哺乳动物
B
细胞慢性淋巴细胞白血病
Bcl
-2
miR-16-1
（
B
－
CLLs<
/p>
）
miR-196
哺乳动物
脊椎动物发育
Hox-B
8
miR-143
哺乳动物
脂肪细胞分化
erk5
miR-375
哺乳动物
胰岛素分泌调节
mtpn
miR-1
哺乳动物
心脏细胞的生长和分化
Hand2
5.1
miRNA
与生物体的发育分化
在动
物中，针对数种模式生物
(
人、小鼠、果蝇、线虫
)
的
miRNA
所做的研究
已经非
常深入。在线虫中除了最早发现的
lin-4
、
let-7
参与线虫的形态转换
,
还发现两个与神经
模式发生有关的
< br>miRNA:lsy-6
和
mir-273,
证据已经表明
,lsy-6
和
< br>mir-273
能影响左右神
-
-
总结
-
-.
经系统内某一特定化学感受器受体的水平
,
这部分解释了神经系统功能的非对称性
[7]
。另
外，研究发现另一种重要的发育相关基因
miR-196
和靶基因
Hox-B8
匹配的非常完美，
并导致靶
mRNA
的降解。
在植物中，大多数的
miRNA
介导
其靶
mRNA
的降解。植物中的
miR
NA
与相应的靶
mRNA
近似完全配对
，并且互补区域散布在靶
mRNA
的转录区域内而非仅仅局限在
3'
UTR
，使得
< br>miRNA
会结合到包括编码区域在内的多个位点上去，从而直接降解
mRNA
而
非抑制其翻译。
例如
mir-172
，
它在拟南芥的
花朵发育中介导翻译抑制。
与动物
miRNA
< br>不同的是，
mir-172
的互补位点与其靶基因
APETALA2(AP2)
的互补位点落在编码区域而
非
3 'UTR
。因此，植物中的
< br>miRNA
功能与
siRNA
的功能非常相似。
[3]
5.2
miRNA
与细胞分化
在鼠骨髓、胸
腺的
B
淋巴细胞中
miR-181
特异表达
,
参与增强哺乳动物
B
淋巴细胞
分化，
miR-181
过表达引起
B
淋巴细胞减少
,T
淋巴细胞增加
,
但目前
miR-181
作用的靶<
/p>
mRNA
还未发现。此外
,
有人鉴定了干细胞和已分化细胞的
miRNA,
发现
有些
miRNA
是干
细胞特有的
,
例如
,
小鼠干细胞
特异表达
miR290
~
295,
人干细胞特异表达
miR371
~
373,
推测
是维持细胞全能性所必需的并参与
细胞分化过程。一些
miRNA
呈组织特异性表达
,
似乎
表明它们与维持分化细胞的功能有关
[7]
。
近期有研究
表明
:miRNAs
在心脏细胞的生长和分化过程中
,
也扮演着极为重要的平
衡角色。
miR-1
家族包括
miR-1-1
< br>和
miR-1-2,
在心肌、骨骼肌中特异表达
,
miR-1
能够
靶
向
Hand2
基因的
mRNA,
而
Hand2
基因是心脏形成的一种关键调节
因子
,
miR-1
能适时
关闭
Hand2
蛋白制造
,
以促使心脏正常发育
[27]
。因为
Hand2
蛋白是一种重要的调节因子，
所以发现这种
miR-1
对控制
Ha
nd2
及其他蛋白具有重要意义。
5.3 miRNA
与细胞增殖和调亡
果蝇中的
bantam
与细胞凋亡和生
长控制有关
,
这是第一个被鉴定的与增殖相关的
-
-
总结
-
-.
miRNA
基因。
bantam
的靶基因
hid
，
h
id
已被证实是一种调亡诱导基因，
bantam
与
hid mRNA
的
3'
UTR
互补结合，阻止
hid mRNA
的翻译，抑制蛋白的表达，最终表现为促进细胞增
殖的作用。相反，如果敲除
bantam
，
hid
的表达水平将上调，诱导调亡的发生，抑制细
胞增殖。似乎，
b
antam
扮演了一种癌基因的角色
[1]
。
Xu
等在果蝇体内发现了另一种调亡
抑制
miRNA
：
miR-14
，它通过调节调亡效应因
子半胱天冬酶
Dri
ce
而参与细胞调亡和脂肪代谢。
目前还不清楚
miR-14
的靶基因，
但发
现
miR-14
的突变，
会导致调亡效
应因子
caspase Ice
水平的增高，
< br>这可能是
miR-14
的作
用靶
点
[1
，
7]
。
2002
年
,Calin
等首先发现，
miR
－
15a
和
miR-16-1
在约
65%
的
B
细胞慢性淋巴细
胞白血病
（
B
－
CLLs
）
病人中表达下调。
随后不久，
Cimmino
等
[15]
又发现，
在
B
－
CLLs
细
胞中
mi
R
－
15a
和
miR-16-1
直接与
BCL2
的<
/p>
3
′－
UTR
序
列相互作用调控
BCL2
蛋白的
表达，
并与之成负相关，
而
BCL2
是作为抗凋亡基因参与细胞凋亡过程的
,
这里<
/p>
miR
－
15a
和
miR-16-1
发挥了类似抑癌基因的作用，而且
miR
－
15a
和
miR-16-1
还可能激活外源
性
APAF
－
1
—胱天
蛋白酶－
9(caspase-9)-PARP
凋亡途径，参与
凋亡过程。
5.4
miRNA
与激素分泌
美国洛克菲洛
大学的研究人员从糖诱导的鼠胰岛β及α细胞系的
RNA
中克隆
出大
量长度为
21~23
个核苷酸长度
的
RNA
，其中，
miR
-375
含量最多，研究发现，
miR
-375
能够抑制β细胞系分泌胰岛素，进一步研究结果表明，
miR
-375
通过与靶基因
mtpn
的
mRNA3'
UTR
不完全互补配对，转录后水平抑制了靶蛋白的表达，从而抑制了胰岛素分
泌的出胞过程
[1]
。这一研究发现为机体如何调节胰
岛素分泌过程开辟了新路，同时也为
一些疾病（如糖尿病）的治疗奠定了基础。组织特异
性
miRNAs
，如
miR
-375
，将可能
成为一些疾病治疗药物新的作用
靶点。
5.5
miRNA
与肿瘤发生及治疗
-
-
总结