非编码调控

第5节　非编码RNA调控

一、RNA干扰概述

RNA干扰（RNA interference，RNAi）是细胞内通过双链RNA分子在mRNA水平诱导特异性序列的基因沉默。1990年研究人员进行转基因植物有关研究时偶然发现，将全长或部分基因导入植物细胞后，某些内源性基因不能表达，但这些基因的转录并无任何影响，并将这种现象称为基因转录后沉默（post－transcriptional gene silencing，PTGS）。

1998年，研究人员将dsRNA注入线虫（C.elegans）后，可特异性高效地抑制特定基因的表达，并将这种由dsRNA引发的特定基因表达受抑现象称为RNA干扰作用（RNA interfer－ence，RNAi），这是有关生物界RNAi存在的首次报道。动物中双链RNA诱导的RNAi与植物中的共抑制和真菌中的压制现象都是高度保守的相似机制，它们具有相同的起源，是生物界中的普遍现象。细胞为保护自身基因免受损害（如病毒入侵或转座子插入编码基因引起突变）而采取的一种重要的调控机制，使入侵的外源基因失活，却不影响其他基因的表达。

2000年以来，RNAi的分子机制逐步被揭示。较早被揭示的小分子调控RNA为siRNA和miRNA，二者有一些共同之处，如大小均为22bp左右；需要多种同类酶和蛋白质因子参与；在转录后水平负调控基因表达。二者也存在一定的差别，如siRNA可能是内源性的或外源性的，而miRNA则都是内源性的；siRNA引发mRNA的降解，而miRNA主要抑制转录后的翻译。

由于使用RNAi技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性、恶性肿瘤等疾病的基因治疗。

二、siRNA

小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）为长21～25bp的特殊双链结构，因其序列与靶mRNA具有同源性而发挥作用。在siRNA介导的RNAi途径中，细胞中dsRNA先在Dicer酶催化作用下被切割为21～25核苷酸长的siRNAs。Dicer酶一般含有具催化活性的RNA聚合酶Ⅲ结构域和双链RNA结合结构域（dsRNA－binding domain，dsRBD）。siRNA双链可以与一个核酶复合物结合形成RNA诱导沉默复合物（RNA－induced silencing complex，RISC）并被激活。在ATP供能的情况下，激活的RISC将siRNA的双链分开，RISC中的一个核心组分核酸内切酶Argonaute（Ago）负责催化siRNA其中一条链去寻找互补的mRNA链，然后对mRNA其进行切割。Ago家族蛋白具有PAZ和PIWI两个主要结构域，其中PAZ是RISC中siRNAs的结合位点，PIWI结构域负责完成mRNA切割作用，在PIWI结构域中还存在一个可以直接与Dicer结合的区域。切割过程首先是反义链与同源mRNA先配对结合，然后RISC在距离siRNA 3′端12个碱基的位置将mRNA切断。

三、miRNA

微小RNA（microRNA，miRNA）是指长度为21～25nt的小分子单链RNA，位于基因组的非编码区，可在翻译水平上对基因表达进行调节。该家族中的大多数成员在进化上高度保守。第一个被鉴定的miRNA是1993年Lee等在研究线虫（C.elegans）发育缺陷时发现的lin－4和let－7，它们通过部分序列互补结合到目的mRNA靶的3′非编码区（3′UTRs），以一种未知方式诱发蛋白质翻译抑制，这样通过调控一组关键mRNAs的翻译调控线虫发育进程。随着miRNA研究不断深入，发现miRNA在其他种系中都能找到同源体。迄今已发现的miRNA有数百个。

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，大约60%miRNA单独表达，15%miRNA以基因簇的形式表达，而25%miRNA位于基因的内含子中，与基因同时被转录。动物miRNA成熟需要经历2个过程，首先是初期miRNA复合体（pri－miRNA）被加工成70个核苷酸前体（pre－miRNA），然后pre－miRNA在Dicer酶、ATP和解旋酶的共同作用下分裂成21～25nt的成熟miRNA。成熟的miRNA从miRNA∶miRNA＊双体中分离，被选择性地组合进核糖核酸沉默诱导复合体（RISC）并进行靶基因识别，miRNA＊会被迅速降解。动物miRNA作为转录抑制因子，通过序列完全或不完全的匹配，识别、结合靶基因的3′UTR，通过抑制蛋白质的翻译发挥它的生物学功能，这种调控一般不会影响靶基因mRNA的稳定性。

对于miRNA来说，Dicer和RISC是必不可少的，Dicer是产生成熟miRNA的工具，而RISC是miRNA实现功能的载体。miRNA基因的表达具有特定模式：阶段特异性和组织特异性，在不同组织中表达有不同类型的miRNA，在生物发育的不同阶段里有不同的miRNA表达。如lin－4及let－7在线虫发育过程中为阶段特异性表达，另外有一些miRNA基因的表达为组织特异性，如Mir－1专一地表达于人类的心肌组织，在其他组织中检测不到；mir－1的表达只在小鼠的胚胎形成阶段。这也就是说多细胞动物中每一种细胞在每一个发育阶段都有一个特定的miRNA表达谱，其中包括表达量的差别。