調控基因表達的microRNA

（西南大學農學與生物科技學院，重慶 400715）

之前很長一段時間，人們認為RNA 的作用僅相當于一個橋梁，連接DNA 與蛋白質。隨著對研究深入，發現有些微小RNA 可以與某些mRNA 結合并進行互補配對，從而關閉或抑制基因的表達，即在轉錄水平上對基因表達進行負調控。顯著的代表就是近30 年來被廣泛研究的microRNA（miRNA），它是一類長約19-24 個核苷酸的非編碼RNA 單鏈，由于核苷酸數量并不像普通RNA 分子那樣龐大，將其稱為微小RNA，但它可以廣泛地存在于真核生物中。越來越多的研究也讓我們認識到miRNA 在細胞增殖、分化、生長發育和響應外界環境信號等方面都有著不可替代的作用。

1.miRNA 的發現

1993 年，第一個miRNA 被Lee 等人在秀麗隱桿線蟲中發現，它不會翻譯成蛋白質，而是對線蟲胚胎后期的發育具有調控作用，將其命名為lin-4。第一次miRNA 的發現并未完全引起人們的重視，大約7 年后才有新的發現。2000 年，第二個miRNA 基因let-7 被Pasquinelli 等人在線蟲中發現并報道，對應的miRNA 為let-7。

植物miRNA 的研究進展稍晚于動物。2002 年，第一個植物miRNA“miR171”被發現，是由Reinhart 等人在擬南芥中分離克隆出來的。隨后有人將植物與動物miRNA 進行比較實驗，發現植物miRNA 與靶基因序列具有更高的互補配對性，而動物miRNA 與其靶mRNA 的契合度并不是那么高，miRNA 在動植物中使轉錄退化的機制不同之處就基于這一結論。此后，各種關于miRNA 的研究接踵而至，在病毒中也發現有miRNA 的存在。

2.miRNA 的生物合成

植物和動物細胞中的miRNA 合成不完全相同，但基本方式不變。miRNA 的合成主要有三個步驟：

（1）首先在DNA 聚合酶II 的催化下，細胞核內含miRNA 基因的DNA 進行轉錄，得到pri-miRNA。PrimiRNA 只是miRNA 的前體轉錄本，不能直接經過加工得到成熟的miRNA 分子。

（2）第二步pri-miRNA 被RNase Ⅲ核酸酶Drosha 進一步加工得到miRNA 的前體pre-miRNA。Pre-miRNA 是具有莖環、約含70-80 個核苷酸的結構，它成為成熟的miRNA 還需要下一步的修飾。

（3）miRNA 合成的最后一步是pre-miRNA 被剪切為僅有19-24 個核苷酸的成熟miRNA，同于前兩個步驟，它的發生場所從細胞核轉移到了細胞質。主要是Ran-GTP 依賴的核質/細胞質轉運蛋白Exportin5 和G 蛋白因子Ran 將pre-miRNA 進行轉移，在剪切過程中雙鏈RNA轉移性RNA 內切酶（Dicer 酶）發揮著必不可少的作用。

3.miRNA 的作用機制

miRNA*是一條在堿基序列上可以與成熟miRNA 分子進行互補的單鏈，它會與miRNA 形成螺旋結構。螺旋體中的其中一條鏈會與細胞質中的沉默復合體RISC 結合形成復合物miRNP。當miRNA 與其結合后會打破沉默復合體RISC 的對稱，所以形成的miRNP 是非對稱的復合物。miRNA 可以在這種被其結合的非對稱復合物(miRNP)中進行靶基因的識別，mRNA 會與靶mRNA 的3′端非翻譯區（3′UTR）進行互補配對從而起到轉錄后負調控的作用，而小RNA 降解酶（SDN）會迅速降解掉另外一條RNA 鏈。miRNA 作用機制主要有兩種方式：使轉錄退化或參與翻譯抑制。

3.1 miRNA 使轉錄退化

miRNA 在動植物中使轉錄退化的作用機制并不完全相同。前文提到，植物miRNA 與動物的不同之處是它與靶基因序列的匹配性更高，植物miRNA 錯配率較低，在進化過程中保守性更強。由于動物miRNA 與其靶基因的互補性不強，無法直接剪切mRNA。動物miRNA 主要是通過RISC 沉默復合體對mRNA 進行降解，這個過程需要去腺苷化酶和脫帽蛋白與RISC 復合體結合后方能進行。

植物miRNA 主要是通過介導靶基因mRNA 剪切來使轉錄退化。當miRNA 對目標mRNA 進行剪切，靶mRNA的3′端由于被結合切割會暴露出5′單磷酸基團，當這個結構被連接酶捕獲并添加接頭構建，就可以得到降解組文庫。植物的miRNA 發揮剪切需要通過AGO 蛋白的核酸內切酶來發揮作用，被剪切的mRNA 片段就會進入下一步核酸外切酶降解途徑，降解靶mRNA 從而導致靶基因的降解，表達受到抑制。

3.2 miRNA 參與翻譯抑制

第一次提出“翻譯抑制”概念是在1993 年發現線蟲miRNA 時，經過研究發現線蟲miRNA“lin-4”的靶基因lin-14 轉錄出的mRNA 并沒有受到影響，而其蛋白質水平明顯下降。關于miRNA 介導的翻譯抑制機制，在動物方面還沒有得到更深入的研究。

植物主要是在擬南芥中發現了miR172 可以通過使參與花器官發育調控的靶基因APETALA2（AP2）的蛋白水平下降，使得表達被抑制。后續還有眾多研究發現植物中的miRNA 不影響mRNA 的水平，而均可以降低其相應的蛋白水平來抑制基因表達，揭示了miRNA 介導的翻譯抑制機制是在植物中廣泛存在且非常重要的。曾有報道指出miRNA 參與的翻譯抑制在早期的植物中就有所發現，DOUBLE-STRANDED RNA-BINDING 2 及其同源基因在早期被子植物和苔蘚中就已經存在，它們可以影響這些植物基因的翻譯抑制。由此看來，miRNA 的翻譯抑制功能也具有保守性。

4.miRNA 調節的優點

miRNA對基因表達調控的調節是在轉錄后進行調節，可以高效利用細胞內資源。其調節的效果比轉錄前調節更好且可逆；與蛋白水平的調節相比它消耗能量更低，減輕了生物的負擔。

5.總結與展望

綜上，miRNA 在基因表達調控中有著不可替代的重要性。近年來，關于miRNA 在各個領域作用的研究正在不斷豐富中：miRNA 被發現是免疫反應中重要的調控因子；在植物抗逆方面，miRNA 作為調節因子參與植物在高溫脅迫中的生長發育與逆境響應；miRNA 還可以通過精密的調節機制對植物的胚和胚乳發育進行調控。除此之外，很多領域關于miRNA 研究也展現出蓬勃的生機，隨著未來科學技術的進步，相信miRNA 研究之路會愈發寬廣。