简述miRNA及其在动植物中的差异

1、简述 miRNA 及其在动、植物中的差异生命科学学院 遗传系 董贤欣 072023032 摘要： mi RNA ，是一段非常短的非编码 RNA 序列，长度约为 20 23 个核苷酸。 miRNA 通 过与靶 mRNA 的互补配对而在转录、转录后和翻译水平上对基因的表达进行负调控，导致 mRNA 的降解或翻译抑制 ,进而对多种生物学过程起调控作用。 在植物和动物中， miRNA 执 行这种调控作用的机理却不尽相同。 同时 miRNA 在动植物体内的形成过程也存在很多的不 同之处。本文综述了 miRNA 的根本特征及其在动植物中的差异。关键词： 微小 RNA ；动、植物；差异Abstract ：

2、MicroRNA, is a very small section of non-coding RNA sequence with about 22-23 nucleotides length. MiRNA function as sequence-specific negative regulators in transcriptional 、 post-transcriptional translational gene silencing by base pairing with target mRNAs, which leads to mRNA cleavage or translat

3、ional repression. This can regulate several biological processes. Meantime ， there are also many differences in the biogenesis of miRNAs in plants and animals. This review highlights the basic character of miRNA and the differences of miRNA in plants and animals.Key words ： miRNA, animal and plant ,

4、differences作为 Science 2002 年十大科技突破的第一名 miRNA 已成为生物学研究的一大焦点， miRNA 由内源性基因编码 , 可通过诱导 mRNA 的切割降解 , 翻译抑制或者其他形式的调节 机制抑制靶基因的表达 .它在生物的发育时序调控和疾病的发生中起到非常重要的作用。1 miRNA 的概述miRNA 是一类长度很短的非编码调控单链小分子RNA，约2024 nt(少数小于20 nt的)。miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，而且绝大局部定位于 基因间隔区。 其转录独立于其他基因， 并不翻译成蛋白质， 而是在体内代谢过程中起到多种 调控作

5、用 1 。现已证实， miRNA 广泛存在于真核生物细胞内，是最大的基因家族之一，大约占到整 个基因组的1%2。而且，miRNA与其靶分子mRN组成了一个复杂的调控网络，如某一特定 的 miRNA 可以与多个 mRNA 分子结合而发挥调控功能，反之，不同的 miRNA 分子也可以 结合在同一 mRNA分子上，协同调控此mRNA 分子的表达，由此可见，miRNA在生物体生 长、发育过程中起着无法替代的重要作用。1.1 miRNA 的发现1993 年 ， Lee 等4 在秀丽新小杆线虫 ( Caenorhabditis elegan ) 中发现了第一个能时序 调控胚胎后期发育的基因 lin24.

6、时隔7 年之后 ，Reinhart 等5 同样又在线虫 C. elegans 中发 现了第二个异时性开关基因 let27 ， 并将这类基因所编码的能时序调控发育进程 ， 长度约为 21个核苷酸(nt)的小分子RNA 称为stRNA ( small temporal RNA)。2002年，美国的俄勒冈 州立大学、 Rutgers 大学、麻省理工学院与 Rice 大学 ，和奥地利科学院的四个研究小组分别 报道从植物发现了 miRNA ，这是最早在植物中发现的 miRNA 6-9。随着技术的开展，越来越 多的该类小RNA在多种生物中被发现，2001年，这些小RNA被统称为miRNA(microRNA

7、)。1.2 miRNA 的命名规那么随着miRNA发现和预测数量的不断增多 ，国际上已经有统一针对 miRNA的命名法那么口。:使用34个字母的前缀来标明物种 ，如hsa表示人类(Homosapiens) ,mmu表示小鼠(Mus musculus), dme 表示果蝇(Drosop hila melanogaster)等;用 miR 表示成熟的 miRNA ,用 mir 表示前体发夹结构。而最后的数字那么说明不同的miRNA ,也可以表达不同物种miRNA之间的关系，如has-miR-101和mmu-miR-101是人和鼠的具有同源性的成熟miRNA。成熟的同源miRNA可能在一个或两个位点

8、有变异，可用字母后缀来标注(如mmu-miR-10a和 mmu-miR-10b),如果变异位置明确那么用数字标识(dme-mir-281-1和dme-mir-281-2)。到目前为止除了线虫中的lin4和let7外，其它miRNA 统一用以上表达方式。1.3 miRNA的特征miRNA有6个明显特征：1) 广泛存在于真核生物中，是一组不编码蛋白质的短序列RNA ,它本身不具有开放阅读框架(ORF)，并且由不同于 mRNA的独立转录单位表达；2) 通常的长度为2024 nt,但在3端可以有12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

9、 ,在四膜虫(Tet rahymenas )中 发现的能使大核局部 DNA失活的28 nt RNA也被归于其中;3) 成熟的miRNA , 5端有一磷酸基团，3端为羟基，且具有独特的序列特征.它们可以和上游或下游的序列不完全配对形成茎环结构。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；4) miRNA 5端第一个碱基对u有强烈的倾向性，而对G却有抗性，但第2-4个碱基缺乏u,一般 来讲，除第4个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏 C5) 保守性：在的鼠和人类的 miRNA 中有53% 与fugu rubripes(puffer fish ) 或daniorerio (zebra f

10、ish )同源12,已有实验证明约12 %的miRNA在线虫、果蝇、哺乳动物和植物中 呈现保守性，而且序列比拟发现，这些保守片段中的碱基差异仅为12 nt13 .6) 时序性和组织特异性：即在生物发育的不同阶段里有不同的 miRNA表达，在不同组织中表达有不同类型的 miRNA。Gary(2001)发现m ir235到m ir240基因簇的miRNA 在胚 胎和成虫早期高度表达，而在其它各发育阶段不表达。在拟南芥中，mir-157在幼苗中高表达,mir-171那么在花中高表达。miRNA在不同的细胞和组织中不同发育时间的差异性表达暗示它们极可能控制生物体发育的特定过程；而局部miRNA在多种细

11、胞或组织中的均一表达可能意味着它们在基因表达调控中具有更加广泛的作用2动、植物中 miRNA的差异1) 前体miRNA长度不同植物miRNA前体的茎环结构(stemloop)更大、更复杂，大约是动物中的3倍长，预测的折回(fold back)长度变异(64303 nt)也比动物 miRNA(6070 nt)明显 网；ARCATKX GftCOGGMiGCTJUUOH AtFC ACUGCAGOG GOG CUGORAftCfiUCC GagDGGMGCUGDG AGQUGUCAU CGU GACGUUUGUAGG GUGACUUUCQGCKC G丫QGOAACUUCAUC-C C |C-GQf

12、tQA C图1 pre-miRNA结构模式示意图(标注 Drosha酶作用位点)2) 植物miRNA长度多为21 nt，而动物miRNA长度多为2223 nt，这源于Drosha与Dicer 切割性能的差异15 ；3) 植物miRNA 5 端更优选择脲嘧啶Ue ,热力学分析说明，这种末端不稳态是通过 RISC 来维持的15 ，另外植物中miRNA3末端2nt突出的3 -OH存在甲基化，而动物中无甲基化；4) 相对于动物miRNA植物miRNA具有较高的进化保守性，因此，对植物miRNA目标基因的预测要相对简单18 ；5基因组上的存在位置不同动物miRNA广泛存在基因簇现象，即多个miRNA由同

13、一个前体RNA加工而来，且来自同一基因簇的miRNA具有较强的同源性，不同基因簇的miRNA的同源性那么较弱 g,基因组的基因之间及结构基因的内含子区域均存在大量编码miRNA的基因，因此，来源于pre-mRNA 内含子区域的 miRNA 伴随pre-mRNA的剪接而形成；而植物 miRNA多数由单一 pre-RNA加工而来，只有极少数 miRNA，如miR395存在基因簇现象。除了极少数特例编 码miR402的基因被发现存在于pre-mRNA内含子区域 列，编码miRNA的基因主要存在于编码蛋白的基因之间的区域，且大多是远离miRNA目标基因的独立的转录单元；6加工方式不同植物中，细胞核内编

14、码miRNA的基因的转录与加工是偶联的，即miRNA的形成过程是在细胞核中完成的。 首先，细胞核中编码 miRNA的基因在RNA聚合酶H的作用下转录形成 长度约为几百个核苷酸的初级转录物一pri-miRNA ;然后在一种类Dicer酶一DCL1的作用下形成miRNA 前体pre-miRNA，该前体长度一般为 64- 303 nt, DCL1继续作用于pre-miRNA 而形成双链miRNA ;最后，双链 miRNA在miRNA甲基转移酶一一HENI的作用下，使3端 最后一个核苷酸发生甲基化修饰。甲基化的主要作用是阻止转移酶、聚合酶的活性。以上过程均在细胞核中完成的。成熟的miRNA或者是在细胞

15、核中与类似 RISC的核糖核蛋白结合形成miRNP，然后被Exportin 5的同源物一一HASTY运送到细胞质中， 或者是先被HASTY 运 送到细胞质中，再与核糖核蛋白结合形成miRNP辺。动物中，细胞核内编码 miRNA的基因首先在RNA聚合酶H的作用下发生转录，形成长度约为几百个核苷酸的初级转录物一pri-miRNA ,初级转录物在 RNase III家族酶一 Drosha的作用下进一步被加工成为只含60 70 nt具有茎环结构的单个 miRNA前体一pre-miRNA ,由转运蛋白Exportin-5运送到细胞质；在另一个RNase III家族酶一Dicer的参与下，miRNA 前体

16、被加工形成双链 miRNA，随后miRNA的双链解链形成成熟的 miRNA。成熟的miRNARNA Pol II通过与一种类似 RISC the RNA-induced silencing complex 的核糖核蛋白结合形成 miRNP 而 发挥作用。實，I HENImtR/miR* 出皿严植物中miRNA的加工机制动物miRNA的加工机制角ISI Ml I 日 Mi 导i图2： miRNA在动、植物中不同的加工方式7作用机制不同研究发现，在植物和动物发育过程中，miRNA与靶mRNA结合的程度和部位不同，作用方式也不同。在动物中，多数miRNA以不完全互补方式与其靶 mRNA的3端非翻译区

17、的识别位点 结合，从而阻碍翻译机器对该 mRNA的翻译来调控基因表达，但不影响mRNA的稳定性。如线虫中的miRNA lin-4就是以这种方式调控它的两个靶基因lin-14和lin-28的翻译23-24。但是，Soraya Yekta2004年，研究证明在小鼠胚胎中的 miR-196可以介导靶基因 mRNA HOXB8的降解，说明动物中的 miRNA也存在转录水平的调控曲。植物中的miRNA 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，引发了基因沉默。 此现象

18、是Hutvagner和Zamore对拟南芥miRNA let-7 的研究时首次发现的。后来Leave也在拟南芥中证明了该机制。唯一例外的是mir-172 , mir-172与其靶基因APETALA 2 (AP2)高度互补，且互补位点落在编码区域而非3 UTR，它在拟南芥的花朵发育中介导翻译抑制，而不是直接降解RNA但最近的研究说明，miR172对AP2的调控作用也是以剪切为主，只是低 AP2浓度可以刺激AP2基因的表达西。另外，Lin等研究证明线虫中的let- 7有两种作用模式，当与靶标基因完全互补时，切割 并降解靶基因，如果蝇和HeLa细胞中的let- 7直接介导RISC分裂切割靶mRNA。

19、当与靶标 基因不完全互补时，起转录抑制的作用，如线虫的let- 7通过识别、结合lin-41和hbl- 1(lin- 57)的3 UTR并阻止它们转录 旳。(A)(B)这些区别说明，在生物进化过程中，动、植物从最后的共同祖先分化后，各自miRNA基因的进化是彼此独立的。但 miRNA依然普遍存在于动、植物中，从一定侧面证明了miRNA对于生物个体形成和开展具有重要的意义。3讨论miRNA的发现是RNA研究领域的一个里程碑式突破。目前，miRNA勺研究已经成为当前生命科学研究的一个热点，而且也取得了一些成果，但是，它距离我们真正搞清楚miRNA勺作用机制，还是有待很长的时间去探索。随着对模式生物

20、体内miRNA的形成、功能及作用机理的深入研究，最终将能解释为什么miRNA在动物和植物中功能相似而作用机理不同，以及miRNA在不同生物体中是如何调控其生长发育的，使人类更好地了解生命的本质，并 用其知识解决众多实际问题。参考文献1 华友佳，肖华胜.microRNA研究进展.生命科学，2005(17)3:1-42 Bartel D P. MicroRNAs: Genomics，biogenesis，mechanism，and function. Cell，2004, 116: 281-2973 Lewis B P，Shih I H，Jones Rhoades M W，et al.Predic

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