結構生物化學/核酸/RNA/微小RNA (miRNA)

概述

微小RNA (miRNAs) 是大約 21 個核苷酸長的小型單鏈 RNA。它們的功能是調節基因表達。與其他型別的 RNA 一樣，miRNAs 從 DNA 轉錄而來；但是，它們不參與蛋白質翻譯。miRNAs 是非編碼 RNA，它們與互補 mRNA 結合並抑制它們的翻譯。miRNAs 和 siRNAs 都具有干擾基因表達的功能。然而，miRNAs 是單鏈的，而 siRNAs 是雙鏈的。

miRNAs 已被確定在調節 DNA 損傷反應中發揮至關重要的作用。科學家認為，真核細胞中遺傳資訊的傳遞需要 DNA 複製和染色體準確性，以及檢測和修復自發和誘導的 DNA 損傷的能力。為了維持基因組完整性，細胞經歷 DNA 損傷反應，這是一個複雜的訊號通路網路。該網路由細胞週期阻滯、凋亡和 DNA 修復中的協調感測器、轉導器和效應器組成。

miRNAs 最近與各種疾病相關聯。最近的研究表明，miRNAs 的失調與某些疾病之間存在聯絡，這導致需要進一步研究 miRNA 活性的穩健調節。

miRNAs 曾經被認為是非常穩定的分子，因為已知 miRNAs 的表達受到作用於轉錄水平和 miRNA 前體的加工的機制的嚴格控制。然而，最近，科學家們發現了另一種對 miRNA 穩態很重要的機制，即成熟 miRNAs 的主動降解。miRNA 的降解在動態的 miRNA 表達模式中發揮作用。研究表明，miRNA 的降解會影響特定的一組 miRNAs，儘管這種特異性是如何產生的仍然未知。

形成與功能

miRNAs 的主要功能是調節 mRNA 的翻譯。在細胞核中，miRNAs 最初被轉錄為具有帽子和 poly-A 尾部的初級 miRNAs (pri-miRNAs)。然後，pri-miRNAs 透過一種稱為 Drosha 的酶被加工成前體 miRNAs (pre-miRNAs)。pre-miRNA 的結構是一個 70 個核苷酸長的莖環結構。然後，pre-miRNAs 被轉運到細胞質中，並透過一種稱為 Dicer 的酶被切割成成熟的 miRNAs。這些成熟的 miRNAs 將整合到 RNA 誘導的沉默複合體 (RISC) 中並激活 RISC。啟用的 RISC 然後可以使 miRNAs 與靶向 mRNA 結合並沉默基因表達。在動物細胞中，miRNAs 更常見地與 mRNA 配對並抑制蛋白質翻譯。miRNAs 與互補 mRNA 的結合可以降解 mRNA，從而終止蛋白質翻譯。或者 miRNA 可以抑制 5'-帽子的讀取並阻止翻譯。在植物細胞中，miRNAs 更可能與靶向 mRNA 完美結合並促進切割。MicroRNA 由長單鏈 RNA 的髮夾結構形成，這些髮夾結構會摺疊到自身上。雙鏈髮夾結構被稱為 Dicer 的酶切割，從而產生單鏈 microRNA。MircroRNA 然後形成 microRNA-蛋白質複合體，然後可以降解靶向 mRNA 並阻止靶向 mRNA 的翻譯。在少數情況下，miRNA 表現出促進翻譯的跡象，尤其是在飢餓條件下。這種活動的具體原因尚不清楚。

典型 miRNA 功能

發展中的研究表明，miRNAs 在與典型的 DNA 損傷反應相互作用中發揮著關鍵作用。DNA 損傷反應是一個積極的系統，包括啟動轉錄程式、增強 DNA 修復和如果損傷嚴重則發生凋亡。DNA 雙鏈斷裂透過同源重組和非同源末端連線修復途徑修復。其他形式的 DNA 損傷透過鹼基切除修復 (BER)、核苷酸切除修復 (NER) 和 DNA 錯配修復 (MMR) 修復。

miRNA 在基因調控和其他細胞功能中發揮著重要作用。許多 DNA 損傷反應中的重要基因受到其對應的 miRNAs 的管理。例如，miRNAs 透過靶基因監測 DNA 損傷反應。在 DNA 修復過程中，染色質重塑發生以允許 DNA 修復蛋白接觸受損的 DNA。隨著更多 miRNA 靶標，如 ATM、H2AX 和 RAD52，DNA 反應基因受到 miRNAs 的抑制。已經發現，某些 miRNA（如 miR-421）的表達升高會減少 ATM 的傳遞，並在特定細胞情況下下調 H2AX。

各種治療中的 DNA 損傷劑已被證明會引發 miRNAs。DNA 損傷事件顯示出與 miRNAs 啟用的相關性，這表明 miRNAs 根據 DNA 損傷的程度調節 DNA 損傷反應。

非典型 miRNA 功能

最近的研究表明，miRNA 可以透過直接靶向細胞核中其他 miRNA 的初級轉錄本來控制 miRNA 的生物合成。一個典型的例子是 miR-709，它負向調節 miR-15a/16-1。這種特殊的 miR709 存在於小鼠細胞核中，它特異性地結合 miR15a/16-1，它們都是 19 個核苷酸的識別元件。它聚集並阻止 miR-15a/16-1 的初級轉錄本加工成前體。因此，它在轉錄後水平上調節成熟，這意味著在初級轉錄本之後但在前體之前。因此，由於 miR-709 可以調節 miR-15a/16-1，而 miR-15a/16-1 又調節細胞凋亡，因此 miR-709 間接調節細胞凋亡。這反過來證明了 miRNA 可以影響細胞內事物的表達，因為它可以調節細胞內其他 miRNA 的生物合成。

miRNA 還可以調節長非編碼 RNA。ncRNA 通常長於 200 個核苷酸，是非蛋白質編碼轉錄本。第一個證明長 ncRNA 是功能性 miRNA 靶標的實驗證據由 Hansen 提供。在實驗中，小腦退化相關蛋白 1 (CDR1) 的反義轉錄本，它是一種環狀 ncRNA，已被證明與 miR-671 幾乎完美互補，miR-671 位於細胞核中。在實驗中，miR-671 以 AGO2 依賴的方式指導 CDR1 反義轉錄本的切割。因此，隨著環狀反義 ncRNA 的負向調控，它也降低了 CDR1 正義轉錄本。這項研究表明，反義 RNA 可以透過 AGO2 介導的切割被 miRNA 不穩定，而正義 mRNA 可以被環狀非編碼反義 RNA 穩定。

miRISCs 及其組成部分

miRNA 與 Argonaute 蛋白和 GW182 蛋白結合形成 miRNA 誘導的沉默複合物，或稱 miRISC。AGO 附著在 GW182 蛋白的 N 端，而 miRNA 則與 AGO 結合。GW182 蛋白似乎更為重要，因為它包含主要的沉默區域。這在果蠅細胞中敲除 AGO 後，miRNA 誘導的抑制仍然有效的情況下被發現。

miRNA 抑制翻譯

miRNA 擁有多種抑制翻譯的方法。抑制可以在翻譯前和翻譯後發生，但前者似乎是更優先的方法。

起始前

1. miRISC 可以透過干擾 5' eIF4F 帽結構的讀取來抑制翻譯。miRNA 阻止核糖體讀取帽子結構，因此起始過程從未開始。另一方面，能夠在沒有帽子識別步驟的情況下進行翻譯的 mRNA 不會受到 miRNA 的抑制。
2. miRNA 還可以阻止功能性核糖體單元的形成。在正常的 mRNA 中，40S 和 60S 核糖體亞基結合形成 80S 複合物，這有助於翻譯 mRNA。miRNA 抑制 60S 與 40S 亞基結合，使 mRNA 翻譯無法進行。翻譯永遠無法開始。

起始後

1. miRNA 阻止正在翻譯的新 RNA 的延伸。
2. 核糖體被迫從 mRNA 上脫落。40S 和 60S 核糖體亞基在翻譯完成之前分離。
3. miRNA 誘導新轉錄的多肽鏈的蛋白水解。該鏈被酶分解。

三種起始後抑制劑的機制是已知的。

miRNA 穩定性

與過去認為 miRNA 非常穩定的說法相反，最近的研究表明，某些環境中的單個 miRNA 會發生加速降解，從而改變 miRNA 的水平，進而影響其活性。^[4]

在 miRNA 生物發生過程中，miRNA 由聚合酶 II 轉錄為初級轉錄本（pri-miRNA），並經過多步生物發生過程成熟，產生成熟且功能性的 miRNA 形式。在一個例子中，pri-miRNA 被聚腺苷酸化，並且相當長（幾個千鹼基長）。pri-miRNA 擁有髮夾結構，其中包括 miRNA 的成熟序列在其莖部。在另一個例子中，前體 miRNA（pre-miRNA）可以保留在 mRNA 或其他非編碼 RNA 的內含子中。在這兩種情況下，核糖核酸酶 III 型酶 Drosha 與輔助因子 DiGeorge 綜合徵關鍵區域 8 同源物 (DGCR8) 形成複合物，在莖部附近進行切割，釋放約 70 個核苷酸的 pre-miRNA。^[5]

去腺苷酸化和降解

在去腺苷酸化過程中，miRNA 與 AGO、GW182 以及 poly(A) 結合蛋白 (PABP) 結合。PABP 附著在 GW182 蛋白上，形成略微不同的 miRISC。miRISC 從 mRNA 上移除 5' 帽，這立即導致 mRNA 降解。去腺苷酸化是有效的，因為它消除了細胞中多餘的 mRNA，減少了意外翻譯的可能性。降解的片段被 P 體收集，並被 miRNA 重用。

miRNA 的降解在幾種 miRNA 降解酶的幫助下進行。許多 miRNA 降解酶已被確定，包括 3' 到 5' 和 5' 到 3' 外切核糖核酸酶。最近的研究表明，某些 RNase 在不同生物體中不同 miRNA 叢集的週轉過程中發揮作用。然而，單個 miRNA 週轉酶的底物特異性和系統發育保守性仍然需要研究。^[6]

microRNA-206 和突觸修復

在 ALS 的小鼠模型中：當小鼠患上 ALS 時，microRNA-206 的產生會被誘導/增加。microRNA-206 的缺乏會加速疾病的進展。-microRNA-206 是受損神經肌肉突觸（肌肉和神經細胞之間的訊號）再生所必需的。當突觸受損時，microRNA-206 會啟動修復。沒有 miRNA-206，突觸無法修復；然而，一些突觸可以重新生長。-microRNA-206 透過組蛋白脫乙醯化酶和成纖維細胞生長因子 (FGF) 訊號通路來實現這一點。生長因子是來自其他細胞的特定訊號，指示細胞生長。-microRNA-206 阻止翻譯。然後它啟用組蛋白脫乙醯化，使染色質濃縮，因此阻止轉錄。-microRNA-206 透過修復神經肌肉突觸來減緩 ALS 的進展。

microRNA 基因位於基因間區域。這些區域有自己的 miRNA 基因啟動子和調控單元。大約 40% 的 miRNA 基因位於蛋白質編碼、非蛋白質編碼，甚至外顯子的內含子中。miRNA 位於與其宿主基因一起調節的方向。四十至五十 процентов其他 miRNA 基因顯示在共同啟動子中，這些啟動子源自多順反子單元。多順反子單元具有 3-6 個離散的環，成熟的 miRNA 在這些環中被加工，但 miRNA 家族不是同源結構功能。因此，啟動子與其他基因啟動子具有幾個相同的基序，這些啟動子轉錄了來自 RNA 聚合酶 II 的蛋白質編碼基因。此外，在成熟 miRNA 的產生過程中，DNA 模板沒有完成，因為大約 5% 的人類 miRNA 表現出 RNA 編輯。RNA 序列的位點特異性修飾，產生與其 DNA 編碼不同的產物。產物的產量可以增加多樣性，miRNA 作用範圍從基因組本身暗示而來。

miRNA 和疾病

癌症

最近的研究表明，miRNA 參與了疾病的發生。在癌症的情況下，研究人員發現 miRNA 可以抑制調節細胞增殖的 E2F1 蛋白。miRNA 在翻譯 E2F1 蛋白之前首先與 mRNA 結合。一種 microRNA，miR-21，被標記為第一個致癌miRNA。已知它透過靶向人體中自然存在的腫瘤抑制因子來促進腫瘤生長和轉移。肌球蛋白 1 (TPM1) 是 miR-21 的直接靶標，以及程式性細胞死亡 4 (PDCD4) 和 maspin，所有這些都與腫瘤存在時 miR-21 的表達呈負相關。這表明 miR-21 能夠同時靶向多個基因並抑制多個代謝途徑。

腎纖維化

腎纖維化是纖維組織（結締組織）的過度積累，在腎臟瘢痕或創傷後作為修復過程發生。這種腎病直接促進腎功能障礙，最終導致腎衰竭和死亡。研究表明，在腎臟瘢痕形成進展過程中，某些 microRNA，miR-21，的表達顯著升高。進行了實驗來驗證這種特定序列及其對小鼠的影響。

小鼠中 miR-21 的消除沒有表現出明顯的異常，也沒有明顯的腫瘤生長抑制/預防；然而，這些小鼠在應對腎臟損傷時產生的間質瘢痕組織明顯減少。分析已經檢測到由 miR-21 抑制的一組基因及其隨後的代謝途徑。其中之一涉及過氧化物酶體增殖物啟用受體-α(Pparα)，這是一種脂質代謝途徑，它包含合成反義 miR-21 寡核苷酸以抑制 miR-21。Pparα 被發現可以減輕輸尿管阻塞引起的腎纖維化的影響。miR-21 還調節涉及一種名為 Mpv171 的蛋白質的氧化還原代謝途徑。細胞中 Mpv171 的抑制透過減少氧自由基的產生而增強了腎臟損傷。

這些研究表明，miR-21 對微觀尺度具有廣泛的影響，可以成為抗纖維化和癌症治療的合適靶點。

心臟病

其他研究表明 miRNA 抑制了小鼠心臟的成熟，並在心臟發育過程中發揮著至關重要的作用。miRNA 的表達水平在人類心臟疾病中發生改變；它與心肌病有關。在心臟病發展過程中，在動物模型中發現了幾個特定的 miRNA，這些模型主要是在病理條件下的小鼠中。這些特定 miRNA 條件的關鍵因素對於心臟發生、肥大生長反應和心臟傳導至關重要。

參考文獻

Fabian, Marc R., Nahum Sonenberg, and Witold Filipowicz. "MicroRNAs 對 MRNA 翻譯和穩定性的調控。"《生物化學年度評論》（2010 年）：351-79。Biochem.annualreviews.org。Neil A. Campbell, Jane B. Reece "生物學第 8 版"

外部連結

• http://www.ambion.com/techlib/resources/miRNA/index.html
• http://en.wikipedia.org/wiki/Micro_RNA
• http://www.regulusrx.com/
• Chau 和 Tran。“MicroRNA-21 透過沉默代謝途徑促進腎臟纖維化。”美國國家醫學圖書館。N.p.，2012 年 2 月 15 日。網路。2012 年 10 月 20 日。<http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=MicroRNA-21%20Promotes%20Fibrosis%20of%20the%20Kidney%20by%20Silencing%20Metabolic%20Pathways.>.
• 劉友華。“腎臟纖維化：發病機制和治療的新見解。”Nature.com。自然出版集團，2005 年 9 月 19 日。網路。2012 年 10 月 20 日。<http://www.nature.com/ki/journal/v69/n2/full/5000054a.html>.
• 陳曦，梁輝，張春義，曾凱。“miRNA 調控非編碼 RNA：非經典功能模型”《趨勢生物化學科學》。2012 年 9 月 2 日。網路。2012 年 10 月 25 日。<http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22963870>.
• 萬國輝，Rohit Mathur，胡曉曉，張欣娜，陸雄斌，miRNA 對 DNA 損傷的響應，《趨勢生物化學科學》，第 36 卷，第 9 期，2011 年 9 月。<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0968000411000855>.