小RNA家族的研究進(jìn)展

楊春雷，張伯池，楊裕

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料獸藥研究所，山西 太原 030031）

專論與綜述

小RNA家族的研究進(jìn)展

楊春雷，張伯池，楊裕*

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料獸藥研究所，山西 太原 030031）

小RNA主要可歸納為3類：微小RNA（microRNA，miRNA），小干擾RNA（short interfering RNA，siRNA）和piwi相互作用的RNA（piRNA）。miRNA和siRNA的發(fā)現(xiàn)改變了人們對(duì)RNA的看法，piRNA的發(fā)現(xiàn)更讓研究人員深信小RNA發(fā)揮著重要作用。它們參與調(diào)控生物體生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)分化和免疫等重要過(guò)程。小RNA的發(fā)現(xiàn)和功能的闡述是對(duì)中心法則的重要補(bǔ)充，促使研究人員重新思考細(xì)胞遺傳調(diào)控及其發(fā)育等方面的問(wèn)題。隨著小RNA的進(jìn)一步深入研究，小RNA將在生命起源和早期進(jìn)化、生殖發(fā)育、基因復(fù)雜性、疾病原理等方面起到更加重要的作用。

小RNA；miRNA；siRNA；piRNA

1953年Watson和Crick的分子模型表明，遺傳信息由DNA傳給RNA，再傳給蛋白質(zhì)，一旦進(jìn)入蛋白質(zhì)就不再轉(zhuǎn)移，Crick將之歸結(jié)為“中心法則”。一直以來(lái)人們認(rèn)為RNA僅僅是將DNA的遺傳信息傳遞給蛋白質(zhì)的中間體。但到反義RNA的發(fā)現(xiàn)使研究人員意識(shí)到RNA不僅是遺傳信息傳遞的中間體，還對(duì)基因的表達(dá)具有調(diào)節(jié)作用。目前，RNA干擾、miRNA和piRNA的發(fā)現(xiàn)使人們意識(shí)到，僅從DNA序列來(lái)解釋生物機(jī)體生長(zhǎng)、發(fā)育機(jī)制和疾病發(fā)生太過(guò)片面。RNA被分為兩大類：編碼RNA（coding RNA）和非編碼（non-coding RNA），根據(jù)Non-coding RNA中的小RNA特征，主要可歸納為3類：微小RNA（microRNA，miRNA），小干擾RNA（short interfering RNA，siRNA）和piwi相互作用的RNA（piRNA）。

對(duì)于高校實(shí)現(xiàn)立德樹(shù)人目標(biāo)而言非常重要一步就是密切關(guān)注當(dāng)代大學(xué)生的成長(zhǎng)與成才,將學(xué)校與社會(huì)緊密聯(lián)系起來(lái)建立完善的德育網(wǎng)絡(luò)體系。社會(huì)實(shí)踐是將各大院校中擁有的社會(huì)服務(wù)以及人才培養(yǎng)功能展現(xiàn)出來(lái),是學(xué)校和社會(huì)組織交流以及合作的一個(gè)重要的平臺(tái),可以幫助高校社會(huì)資源地引進(jìn)。社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)還能夠?yàn)楦咝５掠虒W(xué)通過(guò)吸收社會(huì)文化,家庭文化和校園文化并將其融合的過(guò)程以得到豐富的文化資源,從而達(dá)到形成全方位、全過(guò)程教育的良好局面。

1 miRNA

1993年Lee等發(fā)現(xiàn)控制秀麗新小桿線蟲(chóng)幼蟲(chóng)時(shí)序性發(fā)育的分子Lin-4，其突變體導(dǎo)致幼蟲(chóng)不能順利發(fā)育或者發(fā)育延遲。研究人員的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)此基因產(chǎn)物不編碼任何前體，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為莖環(huán)結(jié)構(gòu)，它與特定的3’端非翻譯序列互補(bǔ)從而抑制RNA的翻譯。Lin-4是最早發(fā)現(xiàn)的miRNA，至此掀起了研究人員對(duì)miRNA研究的熱潮。miRNA是短序列Non-coding RNA，由18～25個(gè)核苷酸組成的一類內(nèi)源性，短序列非編碼單鏈RNA。miRNA的形成包括轉(zhuǎn)錄、加工為成熟體和形成功能復(fù)合體3個(gè)主要過(guò)程。編碼miRNA的基因在RNA聚合酶Ⅱ的作用下轉(zhuǎn)錄,形成長(zhǎng)度為幾百個(gè)核苷酸的初級(jí)轉(zhuǎn)錄物pri-miRNA。pri-miRNA在RNaseⅢDrosha的作用下被加工成具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)，只含70～100nt的前體pre-miRNA，這個(gè)過(guò)程在核內(nèi)完成。pre-miRNA需要Exportin-5輔助，將其從核內(nèi)運(yùn)送到胞質(zhì)，在胞質(zhì)中的RNaseⅢDicer將pre-miRNA加工成約22個(gè)堿基的雙鏈miRNA，隨后miRNA的雙鏈解鏈形成成熟的miRNA。成熟的miRNA通過(guò)與一種類似RISC(the RNA-induced silencing complex)的核糖核蛋白復(fù)合體結(jié)合,形成miRNP，識(shí)別靶基因從而發(fā)揮作用。進(jìn)入RISC復(fù)合體的miRNA可以介導(dǎo)RISC復(fù)合體使靶mRNA降解或結(jié)合到靶基因mRNA的3’-UTR抑制靶mRNA翻譯，不翻譯成蛋白質(zhì)。參與基因在轉(zhuǎn)錄后水平的的表達(dá)調(diào)控，在細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞分化、細(xì)胞代謝等一系列生理過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。

以單相為例，將變壓器的一次側(cè)電流即系統(tǒng)電流和變壓器二次側(cè)電流即由逆變器產(chǎn)生的跟蹤電流進(jìn)行采樣取值，經(jīng)過(guò)處理變?yōu)镾VPWM的信號(hào)指令，產(chǎn)生的PWM脈沖控制逆變器工作。

miRNA*是在miRNA加工成熟的過(guò)程中產(chǎn)生的與其互補(bǔ)的大約22個(gè)核苷酸的RNA序列。人們一直以為miRNA*會(huì)迅速降解，是miRNA生物合成中沒(méi)有功能的副產(chǎn)品。但是最近有研究報(bào)道m(xù)iRNA*也具有功能，主要參與轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控，具有調(diào)控生物體生長(zhǎng)發(fā)育、激素分泌與信號(hào)傳導(dǎo)以及對(duì)外界環(huán)境脅迫的應(yīng)答能力。但不同的是,miRNA與Argonaute1蛋白（AGO1）結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RISC）,而miRNA*卻在AGO2的幫助下形成RISC復(fù)合體進(jìn)行RNA干涉,這點(diǎn)與siRNA的作用方式類似。

2 siRNA

反義鏈piRNA與Piwi或Aub結(jié)合，其5’末端偏愛(ài)尿嘧啶，而正義鏈piRNA同Ago3相結(jié)合的5’末端第10位核苷酸有腺嘌吟保守性，同反義鏈piRNA的5’端尿嘧啶互補(bǔ)配對(duì)?；诖巳藗兲岢鲆环N“乒乓模型”(ping-pong model)假說(shuō)。經(jīng)過(guò)未知核酸酶的加工反義鏈的piRNA前體生成了5'端具有U偏愛(ài)性的初級(jí)piRNA，這些piRNA與Aub或Piwi結(jié)合形成Aub-piRNA或Piwi-piRNA復(fù)合物。復(fù)合物通過(guò)堿基配對(duì)方式識(shí)別并結(jié)合正義鏈的piRNA前體，然后發(fā)揮剪切活性切割正義鏈piRNA前體，產(chǎn)生次級(jí)piRNA的5'端，具有成熟5'端的正義鏈piRNA前體被某種核酸酶切割形成3'端，產(chǎn)生成熟的正義鏈piRNA。正義鏈piRNA與Ago3結(jié)合形成Ago3-piRNA，以同樣的方式識(shí)別并切割反義鏈的piRNA前體。正義鏈的piRNA和反義鏈的piRNA相互識(shí)別，又通過(guò)PIWI成員的剪切，如此循環(huán)往復(fù)，不斷加工出次級(jí)piRNA。并且，在piRC切割piRNA前體擴(kuò)增piRNA的同時(shí)，也直接降解了從轉(zhuǎn)座子等自私性遺傳元件轉(zhuǎn)錄的RNA，這樣就達(dá)到了轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄后水平抑制，該模型將piRNA的生物合成途徑與piRNA功能發(fā)揮偶聯(lián)在了一起。這個(gè)假說(shuō)還沒(méi)能將piRNA的形成和功能發(fā)揮完全闡釋清楚，研究人員們正在不斷的補(bǔ)充和完善。

內(nèi)源或外源雙鏈RNA（double strand RNA，dsRNA）進(jìn)入細(xì)胞后,莖環(huán)狀dsRNA在RNaseⅢDicer酶的作用下切割成長(zhǎng)為21～25nt的雙鏈RNA分子。siRNA的其中一條鏈為引導(dǎo)鏈（guide strand），結(jié)合到Argonaute蛋白的Piwi結(jié)構(gòu)域，形成一種由多種蛋白組成的RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RNA induced silencing complex，RISC），特異識(shí)別靶標(biāo)mRNA，由RISC介導(dǎo)切割靶mRNA分子中與siRNA引導(dǎo)鏈互補(bǔ)的區(qū)域，斷裂的mRNA不能再翻譯為蛋白質(zhì)，以此達(dá)到干擾基因表達(dá)作用。與引導(dǎo)鏈互補(bǔ)的另一條鏈為過(guò)客鏈（passenger RNA）會(huì)被機(jī)體清除。RNAi技術(shù)被稱為基因敲除（knockout）或基因沉默（genesilencing）。RNAi是一種典型的轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控方法，又稱之為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post transcriptional gene silencing，PTGS）。這項(xiàng)技術(shù)已成為研究人員研究生物發(fā)育和基因功能的一種重要工具,通過(guò)特定的siRNA導(dǎo)入生物體內(nèi)可以有目的地抑制靶基因的表達(dá)，同時(shí)逐漸應(yīng)用于基因治療、病毒性疾病、腫瘤性疾病等方面。

3 piRNA

2006年《Nature》和《Science》報(bào)道了在哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)現(xiàn)了一類新新型小RNA分子，約30個(gè)核苷酸，發(fā)揮作用時(shí)需要與Piwi亞家族蛋白結(jié)合，所以稱為Piwi-interacting RNA，簡(jiǎn)稱piRNA。piRNA的表達(dá)具有組織特異性，目前僅在老鼠、果蠅和斑馬魚等哺乳動(dòng)物等數(shù)種哺乳動(dòng)物的精原細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)它的存在。主要參與生殖細(xì)胞和干細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控。

根據(jù)已知Piwi蛋白的功能推測(cè)piRNA的功能有沉默轉(zhuǎn)錄基因過(guò)程；維持生殖系和干細(xì)胞功能；調(diào)節(jié)翻譯和mRNA的穩(wěn)定性三個(gè)方面。

1990年科學(xué)家約根森（Jorgensen）研究小組將與花青素合成有關(guān)的查爾酮合成酶基因?qū)氚珷颗；ㄖ?，卻意外地發(fā)現(xiàn)一些花反而被漂白了，他們將這種過(guò)度表達(dá)內(nèi)源基因而導(dǎo)致的基因沉默稱之為共阻遏。1998年Fire等在進(jìn)行秀麗隱桿線蟲(chóng)（C. elegans）基因沉默研究中，將dsRNA注入線蟲(chóng)可特異性顯著抑制特定基因的表達(dá),。研究人員將這種雙鏈RNA抑制基因表達(dá)的現(xiàn)象稱為RNA干擾（RNAi），把引發(fā)RNA干擾現(xiàn)象的RNA稱為干擾RNA。這一研究在2006年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

piRNA產(chǎn)生的途徑還不清晰，研究人員根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的piRNA推測(cè)可能來(lái)自長(zhǎng)初始轉(zhuǎn)錄物，大部分來(lái)自同一條鏈，少部分來(lái)自互不重疊的兩條鏈上。而miRNA和siRNA分別由雙鏈、短發(fā)夾RNA前體衍生而來(lái)。而且piRNA的形成與Drosha和Dicer都無(wú)關(guān)，所以piRNA的形成與miRNA和siRNA的形成過(guò)程不同。piRNA是由某種核酸內(nèi)切酶從長(zhǎng)的單鏈RNA前體pre-piRNA加工而來(lái)，人們推測(cè)果蠅的Piwi、Aub和Ago3具有RNA剪接活性，可能就是這樣的酶。

這類長(zhǎng)度僅在26～32核苷酸的非編碼RNA小分子可能通過(guò)與PIWI家族蛋白質(zhì)相互作用，在表觀遺傳學(xué)水平和轉(zhuǎn)錄后水平沉默轉(zhuǎn)座子等基因組自私性遺傳元件，參與生殖干細(xì)胞自我維持和分化等生殖過(guò)程。

筆者以所在學(xué)校為個(gè)案，開(kāi)展了英語(yǔ)聽(tīng)說(shuō)隱性分層教學(xué)的實(shí)證研究，目的在于驗(yàn)證隱性分層教學(xué)對(duì)提高學(xué)生英語(yǔ)聽(tīng)說(shuō)水平和學(xué)習(xí)情感態(tài)度影響的有效性。

生物體是個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，存在著多種非編碼RNA小分子，形成了復(fù)雜的RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在表觀遺傳學(xué)水平上、轉(zhuǎn)錄前水平、轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)。siRNA、miRNA的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)改變了人們對(duì)RNA的看法，piRNA的發(fā)現(xiàn)更讓研究人員深信小RNA發(fā)揮著重要作用。它們參與調(diào)控生物體生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞凋亡、神經(jīng)分化和免疫等重要過(guò)程。小RNA的發(fā)現(xiàn)和功能的闡述是對(duì)中心法則的重要補(bǔ)充，促使研究人員重新思考細(xì)胞遺傳調(diào)控及其發(fā)育等方面的問(wèn)題。隨著小RNA的進(jìn)一步深入研究，小RNA將在生命起源和早期進(jìn)化、生殖發(fā)育、基因復(fù)雜性、疾病原理等方面起到更加重要的作用。

［1］朱圣庚.DNA與RNA誰(shuí)是主角.北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2003.39（6）:770-774.

［2］張超，等.siRNA與miRNA在生物體基因調(diào)控中沉默機(jī)制的比較.中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào).2012.28（5）: 393-398.

［3］Denli AM，et al.Processing of primary microRNAs by the Microprocessor complex.Nature.2004,432（7014）:231，5.

［4］朱文奇，等.動(dòng)物miRNA的最新研究進(jìn)展.中國(guó)畜牧獸醫(yī). 2009.36（11）:66-69.

［5］馬圣運(yùn)，等.miRNA*生物合成及其功能研究的新發(fā)現(xiàn).遺傳.2012.34（4）:383-388.

［6］金由辛.雙鏈RNA引發(fā)了基因沉默—評(píng)2006年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng).自然雜志.2006.28（6）:321-325.

［7］李敏，等.siRNA和miRNA的研究進(jìn)展.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技. 2007.22:145-146.

［8］黃文強(qiáng)，等.piRNA的生物學(xué)功能.中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào).2009.25（9）:783-788.

［9］L au NC，Seto AG，Kim J.Characterization of the piRNA complex from rat testes.Science，2006，313（5785）:363-367.

［10］李澤，等.小RNA的組成和功能-三類內(nèi)源小RNA的研究概況.生物技術(shù)通報(bào).2013.1:25-30.

［11］趙爽，等.piRNA和PIWI蛋白的功能機(jī)制研究進(jìn)展.生命科學(xué).2010.22（7）:623-627.

10．3969/J.ISSN．1671-6027．2016．01.001

楊春雷（1973～），山西省人，助理研究員，研究方向：動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)、動(dòng)物疾病防控

★通信作者