-
microRNA
在各种疾病中发挥的作用
微生物与生化药学金靖
S0930580
摘要
MicroRNA
（
miRNA
< br>）是一类可负性调控基因表达的长度约为
22
个碱基左右非蛋白编
码的
RNA
家族，主要功能是调节生物体内与机体生长、发育、疾病发生发展过程有关的基
因的表达调控。
miRNA
在肿瘤、心血管疾病、
糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森病和艾滋病
等多种疾病中都起着重要作用。本文将对
miRNA
与人类疾病的关系作一综述。
关键词
microRNA
疾病
The role of
the microRNA in a variety of diseases
Abstract MicroRNAs (miRNAs) are short
non-coding RNAs involved in negative
regulation of gene expression. Their
major function is the regulation to the gene
expression of
growth
、
development
and
diseases.
miRNA
plays
an
important
role
in
cancer
、
cardiovasc
ular
diseases
、
dia
betes
、
Alzheimer
’<
/p>
s disease
、
Parkinso
n
’
s
disease
、
AIDS and
so on. This review
summarizes the
relation between microRNA and diseases.
Key words microRNA
diseases
MicroRNA
(miRNA)
是一类可负性调控基因表达的长约
22nt
的非编码的单链
RNA
分子，
广泛
存在于
从植物、线虫到人类的细胞中，其通过碱基配对的方式结合到靶
mRNA
，从而抑制其
翻译，但不影响其转录。最早发现
miRNA
是在
1993
年，
Lee
等研究人员在秀丽新小杆线
虫
(s)
中发现了控制着线虫时序性发育的
lin-4
。
2000
年，
Reinhart
等发现了另一个具
有转录后调节功能的小分子
R
NA
：
let-7
。随后的几年时间里
，许多研究人员相继发现了这类
RNA
。目前，在各物种中共发现
4,449
个
miRNA
，其中在人类中发现并已经得到实验证实的
有<
/p>
474
个。这些
miRNA
的功能主要是调节生物体内与机体生长、发育、疾病发生过程有关
的基因的表达，对
miRNA
的深入研究，势必有利于我们对生物体生理、病理机制的理解，
并为疾病的
诊断和治疗提供理论基础和新思路。
[1]
miRNA
的发现
1993
年
Lee
等在对秀丽新小杆线虫
(C. elegans)
进行突变体的
遗传分析中意外发现一种控
制细胞发育时序的长度约为
22
nt
的小分子非编码单链
RNA-lin-4
< br>；
2000
年
Reinhart
等在线虫
中发现了另一种重要的具有转录后调节作用的
miRNA-let-7
。
lin-4
和
let-7
即是首先被确认的
miRNA
，它们通过部分序列结合到目的
miRNA
靶的
3'UTR
，以一种未知方式诱发
蛋白质翻译
抑制，
通过调控一组关键
m
RNA
的翻译调控线虫发育过程。
随后对
miRNA
的研究不断增加，
多个研究小组在包括人类、
果蝇、
植物等多种生物物种中鉴别出数百个
miRNA
，
预计大约有
1 000
种人类
miRNA
参与近三分之一人类
蛋白编码基因的调控。
[2]
1.1
定位克隆
目前，已知的
miRNA
基因多是通过定位克隆的方法发现的。定位克隆
miRNA
分子的简要
步骤：细胞裂解，获得总
RNA
；变性胶分离并纯化
19
～
25 nt
的小
RNA
；小
RNA
分子通过分
离
、纯化与
3
′和
5
′寡聚核苷酸接头连接；进行
RT - PCR
获得
cDNA
；
cDNA
连接载体，构
建
cDNA
文库；筛选克隆进行测序，获得
miRNA
序列。
该方法常受其他小分子
(
如
siRNA)
的影响，易产生假阳性。
[3]
1.2
生物信息学方法
生物信息学方法是依据成熟的
miRNA
基因
(
具有较大的序列同源性以及前体的茎环结构
)
在
种属间具有高度的保守性特点，
以某些
miRNA
基因保守结构的特
点为基础设计计算机程序，
扫描基因组序列以鉴定潜在的
miRNA
基因的方法。该方法根据比较基因组学原理并结合生
物信息软件，以序列为基本框架在不同种属间进行序列比对，找寻可能的
miRNA
基因。根
据同源性的
高低再进行
RNA
二级结构预测，将
符合条件的候选
miRNA
基因与已
经通过试
验鉴定的
miRNA
分子进行比较分析，最终确定该物种
miRNA
的分布及数量。
Xie
X
等人在<
/p>
人、小鼠、大鼠和狗的基因组比对分析中指出，
3
′
- UTR
存在大量的调节结构域，且近一半
的调节结构域与
miRNA
有关。其中
miRNA
5
′端的
2
～
8
个核苷酸为“种子区”
，其对于
miRNA
与
3
′
- UTR
的配对非常重要。
miRNA
的“种子区”能很好地与靶序列
配对，靶序列
在不同物种中通常十分保守，
“种子区”在同源的
miRNA
中很保守。因此，可用“种子区”
< br>序列预测未知的
miRNA
基因。目前，国际上计算机分
析工具已被广泛地应用于许多物种候
选基因的筛选。
它们鉴别出
的基因中有相当一部分都在试验中得到验证，
这一方法由于灵敏
度高，也已被应用于人类
miRNA
基因的寻找。生物信息学与
生物芯片及定位克隆技术相结
合也可预测
miRNA
基因，
Bent wich I
等通过计算机在整
个人类基因组中筛选出一些可折叠为
发夹结构的序列，从
40<
/p>
多万个潜在的
miRNA
中挑选了首批<
/p>
5300
个“代表”
，借助高通量生
物芯片在胎盘、睾丸、胸腺、前列腺和脑组织中进行筛选，发现其中有
886
个表达，通过
选择其中
359
个进行克隆与测序，研究者们鉴别
出
89
种新的
miRNA
，从这些结果中推断
人类基因组中至少有
800
个
miRNA
。
[3]
2
miRNA
的特征和作用机制
2.1 miRNA
的特征
研究表明，
miRNA
有以下几个明显特征：①
miRNA
是一种长度为
19
～
25
nt
的单链小
分子，
广泛存在于真核生物中，
是一组非编码短序列
RNA
，
其本身不具有
开放阅读框架
(ORF)
，
但
在
3
′端可以有
1
～
2
个碱基的长
度变化，
对
miRNA
的具体长度范围尚无统一标准，
在拟南
芥和烟草中发
现的
26 nt
RNA
，
在四膜虫
(
Tetrahym enas)
中发现的能使大部分
DNA
失活的
28
nt
RNA
也被归于其中；②其前体
具有发夹或折叠的二级结构，不含有大的内部环状结构和
突起，且成熟的
miRNA
应位于发夹结构的颈部；
[1]
③
miRNA
能够互补配对结合于基因序列
的侧翼区域，成熟的
lin -
4
和
let - 7
与靶
mRNA
的
3
′非翻译区互
补结合可抑制靶
mRNA
的
翻译；④由
核酸酶
Dicer
作用于前体的双链
而生成的产物含有
3
′羟基和
5
′磷酸的核苷酸
片段，这一特点使它与大多数寡核苷酸和功能
RNA
的降解片段区别开来；⑤大多数
miRNA
基因以基因簇形式存在于基因组中，
它们多以顺反子的形式转录出前体转录本，
且大部分位
于独立
的转录单位中，
人类
miRNA
基因分布于除
Y
之外的所有染色体中；
⑥
miRNA
在物种
间具有高度的保守性、时序性和组织特异性
。约
12%
的
miRNA
在线虫、果蝇、哺乳动物和
植物中呈现保守性。序
列比较发现这些保守序列只有
1
～<
/p>
2
个碱基的差异，
mir -
1
、
mir -
34
和
mir -
87
在无脊椎动物和脊椎动物中高度保守。
[3]
2.2 miRNA
的作用机制
已知动物
miRNA
靶基因中
miRNA
的结合位点通常有多个，例如
lin-1
4
基因有
7
个靶点，并
且总在
3
’
-UTR
。
然而，这对发现动物
miRNA
结合位点可能有偏颇，因为这主要建立在使用
仅有
3
’
-UTR
序列构成数据库的计算机预
测基础上，
这些结合位点的数量和互补性可能与翻
译减弱的程度
有关。
如果仅有一个位点结合，
表达减弱；
但是如果所有位点都结合，翻译就
完全抑制。
实际上协同翻
译抑制已经通过在
3
’
-UTR
添加多个结合位点而得到证实。
再者翻
译抑制
具有可变的调节性和可逆性，即
miRNA
从结合位点移去
miRNA
又可翻译。相反，在
编码区裂解
就永久破坏了
mRNA
，产生了只有
m
RNA
重新转录才能逆转的彻底抑制。
miRNA
转录后抑制的确切分子机制在很大程度上仍然未知。研究的最好例子之一是
lin-4
，
它通过翻译抑制负调控靶
基因
lin-14
。
lin-4
和
lin-14
碱基配对对其在体内的相互作
用非常关
键，因为影响它们互补的突变体会减弱或丧失该负调控作用。令人感兴趣的是<
/p>
lin-4
仅抑制
lin-14
蛋白的合成，而不影响
lin-14mRNA
的
合成丰度。而且，在存在
lin-4
的情况下，
lin-14
翻译起始似乎正常发生，因为即使
lin
-4
表达，
lin-14mRNA
仍能
有效地形成多聚核糖体。因
此，推测
lin-4
翻译抑制发生在翻译起始后，可能在翻译延伸和（或）
lin-14
蛋白释放过程。
靶基因的翻译抑制并不是
lin-4
所特有，目前研究表明，在整个动物界，靶基因的翻译抑制
是通过
miRNA
负调控其靶标的主要
调控机制。尽管大多数动物
miRNA
抑制靶基因的翻译，
然而，一个新发现的哺乳动物
miRNA
---miR-196
，与其靶标
Hoxb8
< br>几乎完全配对，直接介导
鼠胚胎和培养细胞中
Hoxb8
mRNA
的裂解。
所以，
miRNA
与目的基因的作用方式有
2
种，
miRNA
以何种方式与目的基因作用，
同
miRNA
与目的基因的配对程度有关。
miRNA
与目的基因不完全配对时，就以抑制目的基因翻译
的
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。
[4]
3
miRNA
与疾病的关系
3.1 miRNA
与肿瘤的关系
3.1.1
miRNA
与肿瘤的发生发展
目前已经识别和鉴定的人类
miRNA
序列有
321
个，其中
234
个被实验证实。多数
miRNA
定位在与肿瘤相关的染色体部位，
miRNA
的异
常表达与特定肿瘤有关，
可以调控重要的肿瘤
相关基因，参与肿
瘤细胞增殖、凋亡、侵袭或血管形成等过程。这些迹象表明，
miRNA
在人
类肿瘤发生、发展中发挥了重要作用。
[5]
认为，
miRNA
在肿瘤发生中的作用主要在于
3
个
方
面：
(1)
有些编码
miRNA
的基因可能起着癌基因的作用；
(2)
有些
miRNA
基因则可能起到
抑癌基因的作用；
(3)
一些致瘤病毒编码的
miRNA
也可能参与相关肿瘤的发生。
[6]
以往的研究发现蛋白编码基因的异常会导致肿瘤的发生
发展，自
2002
年
11
月
Croce
研究
组首
次报道
miRNA
异常与肿瘤相关，越来越多的证据显示
miRNA
在肿瘤的发生发展中起着
重要的作
用。有关
miRNA
的研究，为更全面深入地了解肿瘤的发病机
理提供了新的思路。
[7]
多个研究小组利用
< br>microarray
和磁珠杂交技术发现良性和恶性肿瘤中
miRNA
的表达水平
发生改变，但是
< br>miRNA
表达水平的改变是肿瘤发生的“因”还是“果”尚不清楚。相对于
正常组织，有些
miRNA
的表达水平在
肿瘤组织中发生明显下调，如肺癌中的
let-7
；慢性淋
巴细胞性白血病
(CLL)
中的
miR-15a/miR-16-1
表达簇；结肠癌中的
< br>miR-143/miR-145
。有些
miRNA
的表达水平则在肿瘤组织中发生明显的上调，乳头状甲状腺瘤、恶性胶质瘤中的
miR-221/miR-222
；睾丸生殖细胞瘤中的
miR-372/miR-373
；乳腺癌、肺癌中的
miR-21
；霍
金森淋巴瘤、
B
细胞型淋巴瘤中的
miR-155
。
[8]
目前认为引起
miRNA
在肿瘤中表达水平发生改变的可能
原因：
(1)50
％的
miRNAs
位于或靠
近基因组中肿瘤相关的脆性区域，即经常发生缺失、扩
增、易位的染色体片段，如在慢性淋
巴细胞性白血病中表达降低的
miR-15a/miR-16-1
，位于肿瘤中经常缺失的
13q14
，在淋巴瘤
中上调的
miR
-17-92
表达簇，位于肿瘤中经常发生扩增的
13q31<
/p>
；
(2)
由于异常甲基化造成的
miRNA
转录水平的明显改变，如在前列腺癌、膀胱癌中的
miR-127
；
(3)miRNA
加工过程的
关键蛋白的表达异常，如肺癌中
Dic
er
表达水平的下调；
(4)miR
NA
前体上的突变或多态影
响
miRN
A
的加工成熟：如
miR-15a/16-1
< br>前体上游
7bp
的
C/T
多态位点，位于
miR-125a
成熟
体的
G/T
多态位点。肿瘤中常呈现蛋白编
码基因的突变，至今为止只有两篇文献报道在肿
瘤组织中检测
m
iRNA
前体序列的改变，
其中
Cro
ce
小组在
75
例
CLL
中分析了
42
个
miRNA
，
共计在
11
例样本中发现
5
种
< br>miRNA
胚系突变。
我们实验室在
96
例肝癌组织中分析了
59
个
miRNA
前体序列，没有发现碱
基突变。
miRNA
的突变是否与肿瘤的发生发展相关还需在更
多的肿瘤标本上进行验证。
[8]
3.1.2
miRNA
与肿瘤的基因治疗
miR
NA
通过与特定靶
mRNA
结合，负性
调控靶
mRNA
的转录和翻译。通过补充
miRNA
或使
用抑制物调节靶<
/p>
mRNA
及其蛋白的表达，达到控制肿
瘤恶性增殖和促进细胞凋亡的目的。
miRNA
作为重要的“肿
瘤干涉基因”的出现对肿瘤的基因治疗具有很大影响。抑制
miRNA