microRNA與mRNA不同位點結合后的生物學效應研究進展

伍華東，丁穎，徐廣峰

(中國人民解放軍第82醫院，江蘇淮安223001)

microRNA與mRNA不同位點結合后的生物學效應研究進展

伍華東，丁穎，徐廣峰

(中國人民解放軍第82醫院，江蘇淮安223001)

microRNA(miRNA)是一類單鏈非編碼小RNA，主要參與功能基因的轉錄后調控，具有廣泛、多樣的生物功能，在真核生物體內對基因表達具有重要的調控作用。miRNA既可以抑制編碼基因mRNA的表達，又可以激活mRNA的作用；既可以在細胞質中作用于mRNA的不同區域，也可以返回細胞核中發揮重要的生物學功能；同一個miRNA不一定只是一種作用模式，它可以同時作用于3′UTR、5′UTR和ORF區域。在細胞質中，miRNA通過與mRNA 3個區域中存在的識別位點互補配對并結合一些輔助蛋白發揮作用；在細胞核中，miRNA通過與lncRNA的相互作用起到調節基因功能的作用；miRNA還可與DNA的啟動子序列相結合，誘導基因轉錄與翻譯。

microRNA；3′非翻譯區；5′非翻譯區；啟動子；開放閱讀框

microRNA(miRNA)是一類內生的、長度20～24個核苷酸的單鏈非編碼小RNA[1]。首次確認的miRNA是在線蟲中發現的lin-4和let-7，隨后在人類、果蠅、植物等多個物種中鑒別出數千條miRNA。在動物細胞核內原始轉錄本的轉錄初產物稱為pri-miRNA，長度為300～1 000個堿基；pri-miRNA經過Drosha酶剪切后，成為pre-miRNA即前體miRNA，長度為70～90個堿基；pre-miRNA通過核輸出蛋白exportin5轉運至細胞質中，再經過Dicer酶剪切后，成為長度20～24個堿基的成熟miRNA，成熟miRNA通過調控靶基因發揮生物學功能[2]。人類整個染色體中約有2%的基因能夠編碼蛋白質，其中60%以上的功能基因受到miRNA的調控。miRNA參與了生命過程中的一系列重要進程，包括早期發育、細胞增殖、細胞凋亡、細胞死亡、脂肪代謝和細胞分化等諸多方面[3]。同一個miRNA可以調控多個不同的基因，幾個不同的miRNA組合也可以精細調控某一個基因。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。據推測，miRNA在真核生物體內對基因表達的調控作用可能與轉錄因子一樣重要，其可能是一種新的基因表達調控方式。本文就近年來關于miRNA與mRNA不同位點結合后的生物學效應研究進展綜述如下。

1 miRNA與mRNA細胞質中作用位點結合后的生物學效應

miRNA可以與靶標mRNA不同區域的識別位點結合而發揮不同的生物學功能。一個轉錄本的總體結構由5′非翻譯區(5′UTR)、開放閱讀框(ORF)和3′非翻譯區(3′UTR)組成。miRNA不僅能夠識別某個區域的結合位點，而且可以在mRNA的3個區域中都存在識別位點[4]。在動植物中，miRNA與靶標基因結合后通過不同的方式發揮生物學功能，在動物中主要通過抑制mRNA翻譯發揮作用，在植物中主要通過降解mRNA發揮作用[5]。

1.1 miRNA與mRNA 3′UTR結合后的生物學效應 與mRNA 3′UTR結合是miRNA最主要的作用模式。3′UTR在mRNA轉錄后修飾、細胞內定位及轉運、維持mRNA穩定性及保證翻譯的效率等方面都具有重要的調控功能。在細胞質中，miRNA首先結合到RNA誘導的沉默復合體(RISC)上，然后進一步與mRNA的3′UTR種子序列互補配對結合，使得RISC結合到mRNA上，從而導致mRNA的翻譯抑制或降解[6]。

miRNA lin-4最先在線蟲中被發現。在線蟲發育的幼體期，lin-14蛋白表達是必不可少的，但隨著線蟲的發育而逐漸消失[7，8]。miRNA lin-4可與mRNA lin-14的3′UTR互補結合，促使lin-14蛋白表達下降，因此lin-14蛋白隨著線蟲的發育而逐漸消失。這種作用方式是miRNA最主要的作用方式。一些經典的miRNA如miR-1、miR-21、miR-26、miR-143，均可通過這種方式來抑制基因的轉錄和蛋白的表達。miR-130b在膠質瘤中的表達明顯增高，PPAR-γ的3′UTR能與miR-130b特異性結合，降低E-鈣黏素(E-cadherin)水平，升高β-連環蛋白水平，促進體內膠質瘤的增殖與侵襲[9]。

除了抑制作用外，miRNA靶向3′UTR也具有激活轉錄增加表達的作用。其主要是通過與RNA結合蛋白(RBP)競爭結合3′UTR的AU富集區域，從而防止mRNA的降解。miR-466l可以競爭性結合IL-10的3′UTR的AU富集區域，此區域是典型的RBP結合位點，而鋅指蛋白36(TTP)是一個經典的RBP，其可介導IL-10 mRNA的快速降解。miR-466l的效應就是綁定到IL-10的AU富集區域，防止IL-10 mRNA降解，從而延長mRNA的半衰期，提高IL-10表達[10]。

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

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

1.3 miRNA與mRNA ORF結合后的生物學效應 Fas相關因子1(FAF1)是與癌細胞凋亡相關的基因，miR-24可與FAF1 mRNA的ORF的兩個位點結合，抑制其凋亡[15]。視網膜母細胞瘤基因1(RB1)是一種腫瘤抑制因子，miR-181可作用于RB1的ORF，在腫瘤的發展過程中起重要作用，雖然miR-181也可結合到RB1的3′UTR，但這種作用方式沒有前一種的效果明顯[16]。E-cadherin在乳腺腫瘤發生過程中下調，而miR-221是其中一個重要的調節因子。研究發現，miR-221通過與E-cadherin mRNA的ORF靶向結合降低其蛋白的表達，從而促進腫瘤的進展[17]。還有報道顯示，在果蠅ORF中存在的miRNA結合位點與3′UTR中存在的結合位點一樣普遍，甚至更多[18]。表明ORF區域確實存在許多miRNA的作用位點。

2 miRNA與mRNA細胞核中作用位點結合后的生物學效應

miRNA的經典作用模式是成熟后在細胞質中抑制mRNA的翻譯，或是降解mRNA而發揮生物學作用。但最近研究表明，miRNA的功能更為廣泛。長鏈非編碼RNA(lncRNA)是一類轉錄本長度超過200 nt、不編碼蛋白的RNA。在細胞核中，miRNA通過與lncRNA的相互作用起到調節基因功能的作用。核富集常染色體轉錄產物1(NEAT1)和肺腺癌轉移相關轉錄本1(MALAT-1)都是表達豐富、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，共同發揮作用[20]。NEAT1是一種與腫瘤的發生和進展有關的長鏈非編碼RNA，研究表明，NEAT1基因中存在著與miR-140的結合位點，miR-140在細胞質中加工成熟后可以返回到細胞核中與NEAT1交互作用，調節NEAT1基因的表達，從而進一步影響了脂肪源性干細胞(ADSCs)脂肪形成的能力[19]。此外，MALAT-1是一種與非小細胞肺癌轉移有關的指標，miR-9也可返回細胞核中通過Argonaute蛋白作用于MALAT-1，使其發生降解[6]。

3 miRNA與mRNA其他作用位點結合后的生物學效應

miRNA還可與DNA的啟動子序列相結合。miRNA可直接綁定于基因啟動子區域，進一步招募Ago蛋白，組成miRNA-Ago復合體，吸引組蛋白甲基化轉移酶，導致轉錄增強，從而上調目標蛋白的表達。這種RNA介導的過程需要Ago2蛋白的參與，且與組蛋白的甲基化有關。對這種模式的深入研究可能對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cadherin和CSDC2基因表達，其作用方式也是通過與基因的啟動子區域的互補配對[22]。miRNA還可作用于基因的增強子區域，通過影響增強子的表達情況，發揮調控目的基因轉錄和蛋白表達的功能[23]。

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

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