microRNA與mRNA不同位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展

伍華東，丁穎，徐廣峰

(中國(guó)人民解放軍第82醫(yī)院，江蘇淮安223001)

microRNA與mRNA不同位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展

伍華東，丁穎，徐廣峰

(中國(guó)人民解放軍第82醫(yī)院，江蘇淮安223001)

microRNA(miRNA)是一類(lèi)單鏈非編碼小RNA，主要參與功能基因的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，具有廣泛、多樣的生物功能，在真核生物體內(nèi)對(duì)基因表達(dá)具有重要的調(diào)控作用。miRNA既可以抑制編碼基因mRNA的表達(dá)，又可以激活mRNA的作用；既可以在細(xì)胞質(zhì)中作用于mRNA的不同區(qū)域，也可以返回細(xì)胞核中發(fā)揮重要的生物學(xué)功能；同一個(gè)miRNA不一定只是一種作用模式，它可以同時(shí)作用于3′UTR、5′UTR和ORF區(qū)域。在細(xì)胞質(zhì)中，miRNA通過(guò)與mRNA 3個(gè)區(qū)域中存在的識(shí)別位點(diǎn)互補(bǔ)配對(duì)并結(jié)合一些輔助蛋白發(fā)揮作用；在細(xì)胞核中，miRNA通過(guò)與lncRNA的相互作用起到調(diào)節(jié)基因功能的作用；miRNA還可與DNA的啟動(dòng)子序列相結(jié)合，誘導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄與翻譯。

microRNA；3′非翻譯區(qū)；5′非翻譯區(qū)；啟動(dòng)子；開(kāi)放閱讀框

microRNA(miRNA)是一類(lèi)內(nèi)生的、長(zhǎng)度20～24個(gè)核苷酸的單鏈非編碼小RNA[1]。首次確認(rèn)的miRNA是在線(xiàn)蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)的lin-4和let-7，隨后在人類(lèi)、果蠅、植物等多個(gè)物種中鑒別出數(shù)千條miRNA。在動(dòng)物細(xì)胞核內(nèi)原始轉(zhuǎn)錄本的轉(zhuǎn)錄初產(chǎn)物稱(chēng)為pri-miRNA，長(zhǎng)度為300～1 000個(gè)堿基；pri-miRNA經(jīng)過(guò)Drosha酶剪切后，成為pre-miRNA即前體miRNA，長(zhǎng)度為70～90個(gè)堿基；pre-miRNA通過(guò)核輸出蛋白exportin5轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中，再經(jīng)過(guò)Dicer酶剪切后，成為長(zhǎng)度20～24個(gè)堿基的成熟miRNA，成熟miRNA通過(guò)調(diào)控靶基因發(fā)揮生物學(xué)功能[2]。人類(lèi)整個(gè)染色體中約有2%的基因能夠編碼蛋白質(zhì)，其中60%以上的功能基因受到miRNA的調(diào)控。miRNA參與了生命過(guò)程中的一系列重要進(jìn)程，包括早期發(fā)育、細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞死亡、脂肪代謝和細(xì)胞分化等諸多方面[3]。同一個(gè)miRNA可以調(diào)控多個(gè)不同的基因，幾個(gè)不同的miRNA組合也可以精細(xì)調(diào)控某一個(gè)基因。由于miRNA存在的廣泛性和多樣性，提示miRNA可能具有非常廣泛多樣的生物功能。據(jù)推測(cè)，miRNA在真核生物體內(nèi)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用可能與轉(zhuǎn)錄因子一樣重要，其可能是一種新的基因表達(dá)調(diào)控方式。本文就近年來(lái)關(guān)于miRNA與mRNA不同位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展綜述如下。

1 miRNA與mRNA細(xì)胞質(zhì)中作用位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)

miRNA可以與靶標(biāo)mRNA不同區(qū)域的識(shí)別位點(diǎn)結(jié)合而發(fā)揮不同的生物學(xué)功能。一個(gè)轉(zhuǎn)錄本的總體結(jié)構(gòu)由5′非翻譯區(qū)(5′UTR)、開(kāi)放閱讀框(ORF)和3′非翻譯區(qū)(3′UTR)組成。miRNA不僅能夠識(shí)別某個(gè)區(qū)域的結(jié)合位點(diǎn)，而且可以在mRNA的3個(gè)區(qū)域中都存在識(shí)別位點(diǎn)[4]。在動(dòng)植物中，miRNA與靶標(biāo)基因結(jié)合后通過(guò)不同的方式發(fā)揮生物學(xué)功能，在動(dòng)物中主要通過(guò)抑制mRNA翻譯發(fā)揮作用，在植物中主要通過(guò)降解mRNA發(fā)揮作用[5]。

1.1 miRNA與mRNA 3′UTR結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng) 與mRNA 3′UTR結(jié)合是miRNA最主要的作用模式。3′UTR在mRNA轉(zhuǎn)錄后修飾、細(xì)胞內(nèi)定位及轉(zhuǎn)運(yùn)、維持mRNA穩(wěn)定性及保證翻譯的效率等方面都具有重要的調(diào)控功能。在細(xì)胞質(zhì)中，miRNA首先結(jié)合到RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體(RISC)上，然后進(jìn)一步與mRNA的3′UTR種子序列互補(bǔ)配對(duì)結(jié)合，使得RISC結(jié)合到mRNA上，從而導(dǎo)致mRNA的翻譯抑制或降解[6]。

miRNA lin-4最先在線(xiàn)蟲(chóng)中被發(fā)現(xiàn)。在線(xiàn)蟲(chóng)發(fā)育的幼體期，lin-14蛋白表達(dá)是必不可少的，但隨著線(xiàn)蟲(chóng)的發(fā)育而逐漸消失[7，8]。miRNA lin-4可與mRNA lin-14的3′UTR互補(bǔ)結(jié)合，促使lin-14蛋白表達(dá)下降，因此lin-14蛋白隨著線(xiàn)蟲(chóng)的發(fā)育而逐漸消失。這種作用方式是miRNA最主要的作用方式。一些經(jīng)典的miRNA如miR-1、miR-21、miR-26、miR-143，均可通過(guò)這種方式來(lái)抑制基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白的表達(dá)。miR-130b在膠質(zhì)瘤中的表達(dá)明顯增高，PPAR-γ的3′UTR能與miR-130b特異性結(jié)合，降低E-鈣黏素(E-cadherin)水平，升高β-連環(huán)蛋白水平，促進(jìn)體內(nèi)膠質(zhì)瘤的增殖與侵襲[9]。

除了抑制作用外，miRNA靶向3′UTR也具有激活轉(zhuǎn)錄增加表達(dá)的作用。其主要是通過(guò)與RNA結(jié)合蛋白(RBP)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合3′UTR的AU富集區(qū)域，從而防止mRNA的降解。miR-466l可以競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合IL-10的3′UTR的AU富集區(qū)域，此區(qū)域是典型的RBP結(jié)合位點(diǎn)，而鋅指蛋白36(TTP)是一個(gè)經(jīng)典的RBP，其可介導(dǎo)IL-10 mRNA的快速降解。miR-466l的效應(yīng)就是綁定到IL-10的AU富集區(qū)域，防止IL-10 mRNA降解，從而延長(zhǎng)mRNA的半衰期，提高IL-10表達(dá)[10]。

1.2 miRNA與mRNA 5′UTR結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng) 研究表明，人類(lèi)mRNA 5′UTR也存在miRNA的作用位點(diǎn)，這種作用主要介導(dǎo)mRNA的降解。腫瘤生長(zhǎng)因子β(TGF-β)信號(hào)通路參與多種細(xì)胞生命活動(dòng)，包括細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、凋亡以及胚胎發(fā)育等，TGF-β1 5′UTR存在miR-122的靶向位點(diǎn)，miR-122下調(diào)可促進(jìn)TGF-β1生成，加快腫瘤細(xì)胞增殖，縮短患者的生存期[11]。放療是治療鼻咽癌的首選方法，而輻射抵抗會(huì)降低治療效果。研究發(fā)現(xiàn)，miR-24可通過(guò)直接綁定于Jab1/CSN5的3′UTR和5′UTR抑制其翻譯，從而抑制腫瘤生長(zhǎng)，并增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的放療敏感性[12]。因此miR-24可作為鼻咽癌細(xì)胞的腫瘤抑制劑和輻射敏化劑。

miRNA作用于蛋白轉(zhuǎn)錄本的5′UTR也能促進(jìn)蛋白表達(dá)。miR-122是肝臟中含量較高的miRNA，可結(jié)合丙型肝炎病毒(HCV)的5′UTR，在這一區(qū)域存在HCV的內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)，在病毒轉(zhuǎn)錄本失去5′端帽子結(jié)構(gòu)的前提下，miR-122便可通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄本翻譯過(guò)程而調(diào)節(jié)病毒的生命活動(dòng)周期[13]。在一些兒科腫瘤中，胰島素樣生長(zhǎng)因子-2(IGF-2)往往高表達(dá)，而miR-483-5p可直接結(jié)合于IGF-2 mRNA的5′UTR，從而促進(jìn)RNA解旋酶的聚集，并激活其轉(zhuǎn)錄和翻譯[14]。

1.3 miRNA與mRNA ORF結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng) Fas相關(guān)因子1(FAF1)是與癌細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因，miR-24可與FAF1 mRNA的ORF的兩個(gè)位點(diǎn)結(jié)合，抑制其凋亡[15]。視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因1(RB1)是一種腫瘤抑制因子，miR-181可作用于RB1的ORF，在腫瘤的發(fā)展過(guò)程中起重要作用，雖然miR-181也可結(jié)合到RB1的3′UTR，但這種作用方式?jīng)]有前一種的效果明顯[16]。E-cadherin在乳腺腫瘤發(fā)生過(guò)程中下調(diào)，而miR-221是其中一個(gè)重要的調(diào)節(jié)因子。研究發(fā)現(xiàn)，miR-221通過(guò)與E-cadherin mRNA的ORF靶向結(jié)合降低其蛋白的表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展[17]。還有報(bào)道顯示，在果蠅ORF中存在的miRNA結(jié)合位點(diǎn)與3′UTR中存在的結(jié)合位點(diǎn)一樣普遍，甚至更多[18]。表明ORF區(qū)域確實(shí)存在許多miRNA的作用位點(diǎn)。

2 miRNA與mRNA細(xì)胞核中作用位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)

miRNA的經(jīng)典作用模式是成熟后在細(xì)胞質(zhì)中抑制mRNA的翻譯，或是降解mRNA而發(fā)揮生物學(xué)作用。但最近研究表明，miRNA的功能更為廣泛。長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)是一類(lèi)轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度超過(guò)200 nt、不編碼蛋白的RNA。在細(xì)胞核中，miRNA通過(guò)與lncRNA的相互作用起到調(diào)節(jié)基因功能的作用。核富集常染色體轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物1(NEAT1)和肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄本1(MALAT-1)都是表達(dá)豐富、保存完整的lncRNA。lncRNA具有連接miRNA的作用，可以將各種不同的miRNA聚集到一起，共同發(fā)揮作用[20]。NEAT1是一種與腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展有關(guān)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，研究表明，NEAT1基因中存在著與miR-140的結(jié)合位點(diǎn)，miR-140在細(xì)胞質(zhì)中加工成熟后可以返回到細(xì)胞核中與NEAT1交互作用，調(diào)節(jié)NEAT1基因的表達(dá)，從而進(jìn)一步影響了脂肪源性干細(xì)胞(ADSCs)脂肪形成的能力[19]。此外，MALAT-1是一種與非小細(xì)胞肺癌轉(zhuǎn)移有關(guān)的指標(biāo)，miR-9也可返回細(xì)胞核中通過(guò)Argonaute蛋白作用于MALAT-1，使其發(fā)生降解[6]。

3 miRNA與mRNA其他作用位點(diǎn)結(jié)合后的生物學(xué)效應(yīng)

miRNA還可與DNA的啟動(dòng)子序列相結(jié)合。miRNA可直接綁定于基因啟動(dòng)子區(qū)域，進(jìn)一步招募Ago蛋白，組成miRNA-Ago復(fù)合體，吸引組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)，從而上調(diào)目標(biāo)蛋白的表達(dá)。這種RNA介導(dǎo)的過(guò)程需要Ago2蛋白的參與，且與組蛋白的甲基化有關(guān)。對(duì)這種模式的深入研究可能對(duì)靶向治療有重要意義[21]。另有研究表明，miR-373和pre-miR-373都可以誘導(dǎo)cadherin和CSDC2基因表達(dá)，其作用方式也是通過(guò)與基因的啟動(dòng)子區(qū)域的互補(bǔ)配對(duì)[22]。miRNA還可作用于基因的增強(qiáng)子區(qū)域，通過(guò)影響增強(qiáng)子的表達(dá)情況，發(fā)揮調(diào)控目的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)的功能[23]。

綜上所述，miRNA既可以抑制編碼基因mRNA的表達(dá)，又可以激活mRNA的作用；既可以在細(xì)胞質(zhì)中作用于mRNA的不同區(qū)域，也可以返回細(xì)胞核中發(fā)揮重要的生物學(xué)功能；同一個(gè)miRNA不一定只是一種作用模式，它可以同時(shí)作用于3′UTR、5′UTR和ORF區(qū)域[24]。對(duì)miRNA生物學(xué)功能的不斷探索有助于開(kāi)發(fā)更多的診斷工具，提供更好的治療策略。

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