研究热点| MicroRNA及其简单调控模型

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// 摘要：

MicroRNA在动物植物等真核生物中广泛存在，近些年成为了科学家们中的“明星分子”。它一般由长达几千nt的初级转录本剪切为成熟的22-24nt的microRNA，之后会形成沉默诱导复合体（RISC）负调控基因的表达。目前已发现microRNA在多种方面均有应用，特别是在作物改良策略在提高生产力和营养价值方面有着巨大的潜力。

1 介绍

MicroRNA是一类由内源基因编码的长度约为20-24个核苷酸的非编码单链RNA分子，它们在动植物中参与转录后基因表达调控，在几乎所有已知的生物过程都不可或缺。例如细胞增殖分化、生长发育和响应外界环境信号等多种生物过程。1993 年和 2000 年，Ambros 与 Reinhart 及其小组分别先后在秀丽隐杆线虫中鉴定了最早的动物microRNA，lin-4 和 let-7 （Lee RC. et al. , 1993; Pasquineli AE. et al., 2002）。截止到2018年10月，miRBase收录了38589 条microRNA前体信息，这些前体共计产生48860 条不同的成熟microRNA；其中人类基因组中鉴定发现2654个成熟microRNA，拟南芥中发现 428 个成熟microRNA (Kozomara. et al. , 2019)。更多的研究有关microRNA产生的生物学过程、功能分析、逆境胁迫等方面的研究报道逐年攀升，microRNA已然成为科学研究领域炙手可热的“明星分子”。

2 MicroRNA的形成过程：

经典的microRNA成熟途径如下（图1）。MicroRNA相关基因在细胞核由RNA聚合酶Ⅱ转录为初级microRNA，此时microRNA长达几千nt (Lee Y. et al. , 2004)。随后由微处理复合物Drosha-DGCR8将初级microRNA裂解成前体microRNA，此时形成了发卡结构，以上过程是在核内进行的 (Lee Y. et al. , 2003)。之后前体microRNA转运出核。在胞浆中，与双链RNA结合蛋白TRBP结合的Dicer RNA酶将前体microRNA分解成成熟的长度，这时microRNA还处于双链状态 (Hutvagner G. et al. , 2001)。最后双链的microRNA被转载进argonaute（AGO），形成诱导沉默复合体（RISC）。microRNA双链中的一条链保存在RISC复合物中，另一条链则排出复合物外并迅速降解。成熟的microRNA与AGO家族蛋白结合形成RNA诱导的沉默复合体（RNA-induced silencing complex， RISC），其通过降解mRNA与抑制翻译来负调控基因表达 (Alsharafi WA. et al. , 2015)。

图1 //microRNA形成过程

3 MicroRNA在动物体内的调控模型：

  //3.1 MicroRNA介导的动物基因沉默：

MicroRNA可以通过降解mRNA和抑制翻译两种途径来抑制蛋白的表达（图2）。在降解mRNA的模型，microRNA中的种子位点可以与mRNA互补，之后会与AGO蛋白可形成沉默诱导复合物（RISC）中，种子位点即microRNA与其靶mRNA之间的互补优先位点。与AGO蛋白结合的GW182蛋白会与PolyA结合蛋白（PABPC）以及细胞质去腺苷化复合物PAN2-PAN3和CCR4-NOT复合物相互作用 (Jonas S. et al. , 2015)。PAN2-PAN3和CCR4-NOT复合物主要作用是催化靶mRNA的去腺苷化 (Wahle E. et al. , 2013)。但microRNA抑制翻译确切的分子机制尚不清楚。目前的大多数科学家的共识是，microRNA通过干扰真核细胞起始因子EIF4F复合物的活性或组装来抑制翻译起始 (Jackson R. J. et al. , 2010)。

图2 //microRNA介导的动物基因沉默

 //3.2 mRNA衰变路径：

PAN2-PAN3复合物被认为是催化去腺苷化反应第一阶段所需要的，然后由CCR4-NOT复合物继续进行 (Wahle E. et al. , 2013; Y. Amashita A. et al. , 2005)。在去腺苷至小于一定数量之后，mRNA被解帽蛋白DCP1-DCP2复合体去掉帽子，其中还包括解帽增强剂EDC3-EDC4 (Jonas S. et al. , 2013)。同时还存在DDX6蛋白，其具体作用未知，但它具有ATPase活性，同时也与CCR4-NOT复合体相互作用。脱腺苷酸和去帽的mRNA从5ʹ末端被5ʹ-3ʹ外切核酸酶（XRN1）降解 (Jonas S. et al. , 2013)。最近的研究尚不能解释CCR4-NOT复合物何时进行去腺苷化作用，但在没有PAN2-PAN3复合物的情况下，它依然可以催化去腺苷反应 (Wahle E. et al. , 2013; Y. Amashita A. et al. , 2005) （图3）。

图3//5ʹ-3ʹmRNA衰变路径

4 植物与动物microRNA调控的区别：

与动物相比，植物的机制也略存不同。首先，植物的microRNA几乎与靶mRNA完全互补，而动物仅仅局限于种子区域 (张翠桔. et al. , 2020; Ipsaro JJ. et al. , 2015)。其次植物体内，目前无证据证明存在GW182蛋白，也没有对其招募去腺苷蛋白的机制进行描述。同时植物体内在mRNA降解前存在剪切机制，其主要依赖AGO蛋白的PIWI结构域，此结构有着RNA内切酶的活性（Hutvagner G. et al. , 2008)，将mRNA分为5ʹ端和3ʹ端，之后进入核酸外切酶降解途径 (张翠桔. et al. , 2020)。

5 MicroRNA的研究意义：

目前已证实在植物发育中，microRNA具有重要的作用，例如microRNA164，其靶基因SPL家族，在调控根系发育等功能中起着非常重要的作用 (Yoon E. et al. , 2010)。同时microRNA在增强营养价值和食用性的水果改良中，例如microRNA 与果实特异性启动子结合抑制番茄内源性DET1基因，使其类胡萝卜素和黄酮类化合物的含量提高，对人体健康有很大的好处 (Gou J. et al. , 2011)。除此之外，microRNA在非生物压力耐受性，过敏原和抗营养素消除，谷物产量等方面均有应用 (Yamisaki H. et al. , 2007; Mallory AC. et al. , 2005)。

6 展望：

对于microRNA结构研究以及全基因组测量microRNA对mRNA和蛋白水平影响，简化了我们对microRNA介导沉默的理解。迄今为止，植物 microRNA 主要通过剪切mRNA和翻译抑制两种方式对靶基因进行负调控，已经成为该领域最新的共同认知。未来研究的另一个挑战是准确理解microRNA沉默复合体如何抑制翻译，以及翻译抑制之间的相互作用。微阵列、高通量测序和基于生物信息学的计算机分析等技术为植物microRNA在基因组范围上的鉴定，预测，靶基因证实以及调控路径明确提供了便利，这也有助于“microRNA工程”进行分子育种。目前科学家们对于microRNA的研究日益深入，并且已经有了相对应的应用出现，在未来，基于小的非编码RNA的作物改良策略在提高生产力和营养价值方面有着巨大的潜力。 

//Reference：

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iGEM

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