microRNA

microRNA

MicroRNA(miRNA)是一類內生的、長度約20-24個核苷酸的小RNA,是髮夾結構的約70-90個鹼基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工後生成。這種方式是身體調節基因表達的一個重要策略。據推測,miRNA調節著人類三分之一的基因。

microRNAmicroRNA
MicroRNA(miRNA)是一類內生的、長度約20-24個核苷酸的小RNA,是髮夾結構的約70-90個鹼基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工後生成。其在細胞內具有多種重要的調節作用。每個miRNA可以有多個靶基因,而幾個miRNAs也可以調節同一個基因。這種複雜的調節網路既可以通過一個miRNA來調控多個基因的表達,也可以通過幾個miRNAs的組合來精細調控某個基因的表達。隨著miRNA調控基因表達的研究的逐步深入,將幫助我們理解高等真核生物的基因組的複雜性和複雜的基因表達調控網路。miRNA廣泛存在於真核生物中,是一組不編碼蛋白質的短序列RNA,其本身不具有開放閱讀框(ORF)。成熟的miRNA,5′端有一個磷酸基團,3′端為羥基。編碼miRNAs的基因最初產生一個長的pri-RNA分子,這種初期分子還必須被剪下成約70-90個鹼基大小、具髮夾結構單鏈RNA前體(pre-miRNA)並經過Dicer酶加工後生成。成熟的miRNA 5’端的磷酸基團和3´端羥基則是它與相同長度的功能RNA降解片段的區分標誌。miRNA 5'端第一個鹼基對U(尿苷)有強烈的傾向性,而對G卻排斥,但第二到第四個鹼基缺乏U。一般來講,除第四個鹼基外,其他位置鹼基通常都缺乏C。這些分子能夠與那些和它的序列互補的mRNA分子相結合,有時候甚至可以與特定的DNA片斷結合。這種結合的結果就是導致基因的沉默。這種方式是身體調節基因表達的一個重要策略。據推測,miRNA調節著人類三分之一的基因。

形式

1. pre-miRNA
約70bp含microRNA莖環結構的pre-miRNA。
製備方式:化學合成、生物轉錄合成、pre-miRNA質粒表達載體、pre-miRNA病毒。

2. pri-miRNA
天然pri-miRNA
從染色體基因文庫中調取300bp-1000bp完整的microRNA基因,克隆到質粒載體(普通載體或病毒載體),以強大的CMV啟動子操縱該300bp-1000bp microRNA。
人工pri-miRNA
選擇一個完整的microRNA基因,克隆到質粒載體(普通載體或病毒載體)。以人工合成的約70bp含miRNA莖環結構的目標pre-RNA替代原pre-RNA,並以pol Ⅱ/pol III 啟動子操縱該microRNA結構單元。

作用方式

microRNAmicroRNA的形式
miRNA基因是一類高度保守的基因家族,按其作用模式不同可分為三種:第一種以線蟲lin-4為代表,作用時與靶標基因不完全互補結合,進而抑制翻譯而不影響mRNA的穩定性(不改變mRNA豐度),這種miRNA是目前發現最多的種類;第二種以擬南芥miR-171為代表,作用時與靶標基因完全互補結合,作用方式和功能與siRNA非常類似,最後切割靶mRNA;第三種以let-7為代表,它具有以上兩種作用模式:當與靶標基因完全互補結合時,直接靶向切割mRNA,如果蠅和Hela細胞中let-7直接介導RISC分裂切割靶mRNA;當與靶標基因不完全互補結合時,起調節基因表達的作用,如線蟲中的let-7與靶mRNA3´端非翻譯區不完全配對結合後,抑制調節基因的翻譯。

特異性

研究表明MiRNAs在物種間具有高度的保守性、時序性和組織特異性——在特定的時間、組織才會表達。
細胞特異性或組織特異性是miRNA表達的主要特點,又如擬南芥中的miR-171僅在其花序中高水平表達,在某些組織低水平表達,在莖、葉等組織中卻無任何表達的跡象;20-24h的果蠅胚胎提取物中可發現miR-12,卻找不到miR3-miR6,在成年果蠅中表達的miR-1和let-7也無法在果蠅胚胎中表達,這同時體現了miRNA的又一特點——基因表達時序性。MiRNA表達的時序性和組織特異性暗示miRNA的分布可能決定組織和細胞的功能特異性,也可能參與了複雜的基因調控,對組織的發育起重要作用。
siRNA是RNAi途徑的主要作用物,miRNA和siRNA很容易混淆,他們有許多共同點也有許多不同點。為了能夠清楚地讓讀者弄清兩者之間的差異之處,筆者特別將它們之間的差別劃分入三個大的階段:起源階段、成熟階段和功能階段(即調節基因表達的作用階段)。

在描述兩者的差異之前,有必要先說一說它們的共同點:

1. MiRNA和siRNA都是由22個左右的核苷組成;

2. 它們都是Dicer酶的產物;

3. 它們在起干擾、調節作用時都會和RISC複合體結合;

4. 它們都可以在轉錄後和翻譯水平干擾以抑制靶標基因的翻譯;

差異

兩者之間的主要差異:

起源階段
SiRNA:通常是外源的,如病毒感染和人工插入的dsRNA被剪下後產生外源基因進入細胞(註:病毒入侵,或者是自身合成RNA中出現錯誤,細胞內就會產生雙鏈RNA,來阻止這些異常基因的表達)。
MiRNA:是內源性的,是一種非編碼的RNA;由miRNA基因表達出最初的pri-miRNA分子。

成熟過程
SiRNA:直接來源是長鏈的dsRNA(通常為外源);經過Dicer酶*切割形成雙鏈siRNA,而且每個前體daRNA能夠被切割成不定數量的siRNA片段。
MiRNA:在細胞核中轉錄的較大的pri-miRNA經由Drosha(一種RNAse Ⅲ酶)和Pasha(含有雙鏈RNA結合區域)加工成為單鏈pre-miRNA;接著,髮夾狀、部分互補的pre-miRNA在細胞質中被Dicer*(一種RNAse Ⅲ酶)酶切割形成miRNA;在生物體中的表達具有時序性、保守性和組織特異性。

功能階段

siRNA:它與RISC*(RNA誘導的沉默複合物,使用的AGO蛋白家族的成分為AGO2)結合,以RNAi途逕行使功能,即通過與序列互補的靶標mRNA完全結合(與編碼區結合),從而降解mRNA以達到抑制蛋白質翻譯的目的;它通常用於沉默外源病毒、轉座子活性。

MiRNA:它和RISC形成複合體(利用的AGO蛋白家族成員為AGO1)後與靶標mRNA通常發生不完全結合,並且結合的位點是mRNA的非編碼區的3’端;它不會降解靶標mRNA,而只是阻止mRNA的翻譯; miRNA能夠調節與生長發育有關的基因。
註:RISC, RNA誘導的沉默複合物(RNA-induced silencing complex; RISC)的組裝是在RNAi和miRNA通路中最為複雜的過程。新的研究表明,與siRNA和miRNA結合的RISC複合物並不完全相同其中的AGO蛋白質有AGO1和AGO2之分。剛產生的siRNAs和miRNAs都是雙鏈結構,這種雙鏈結構需要解螺鏇才能被組裝到RISC中發揮作用。組裝後的複合物分別稱為siRISC和miRISC。從dsRNA引發RNAi的發生大致劃分為三個階段,即啟動、剪下和擴增。
Dicer酶:新的研究表明siRNA成熟需要Dicer-2和R2D2蛋白,而miRNA則依賴Dicer1和它的伴侶loqs蛋白。

選擇方法

1.pre-miRNA是最早採用的microRNA,擁有大量的成功報導。化學合成的pre-miRNA製備快捷,可以標記螢光等追蹤。缺點是製備的RNA穩定性較差,而且,由於製備的microRNA較長,合成時RNA的錯誤難以避免(當合成RNA超過60bp時,出現一個鹼基錯誤率約30%),轉錄製備的pre-miRNA穩定性較好,但無flank結構,很少使用。質粒載體形式的pre-miRNA也因為發現microRNA的flank對於microRNA功能和測定非常重要,現已逐漸被pri-miRNA取代。
2.人工pri-miRNA效果較pre-miRNA好,也有足夠多的成功使用的經驗報導,但這種人工microRNA採用固定的mir155 flank,製備的microRNA功能不及天然原始microRNA,故也逐漸較少使用。
3.原始天然pri-miRNA克隆自天然文庫的microRNA由於保留了每個microRNA獨自的原始天然雙臂結構,效果更好,是近來被首選方法。
4.pre-miRNA或pri-miRNA腺病毒:可以轉染大多數絕細胞,產品質量可靠。缺點是腺病毒有一定的毒性,以往實驗腺病毒毒性並未引起重視,但我們發現在microRNA實驗中顯得比較突出。另外,製備周期長,費用高也是不容忽視的缺點。
5.慢病毒microRNA:目前最好的microRNA實驗產品,缺點是慢病毒自身的不足,即製備lenti-virus時,病毒的質量批間差異較大。
AAV、或retrovirus microRNA:與腺病毒和lenti-virus microRNA一樣,具有病毒產品的優勢與缺點。

microRNA的檢測

越來越多的研究成果表明,miRNA將在疾病,特別是癌症的診斷和治療中起到積極的深遠作用。與蛋白編碼基因表達譜相比,用miRNA表達譜對癌症進行分型更加精確可靠。此外,在常規收集的、福馬林固定、石蠟包埋的臨床組織標本中,miRNAs都表現出較高的穩定性,更進一步預示其作為診斷性分子標記的巨大潛能。因此,研究特定細胞microRNA的表達圖譜、篩選未知miRNA、探究每種miRNA的特定功能成為當前的研究熱點。
目前常見的miRNA檢測方法包括NorthernBlot、微陣列晶片、微球、實時螢光定量PCR等技術,然而由於以下原因而各具缺陷。首先,由於miRNA本身鹼基數過少,使得探針鹼基序列的選擇受限。並且不同microRNA具有不同的最適雜交溫度,在相同的雜交條件下,往往會引起很大程度的錯配雜交,從而限制了對於相似序列microRNA的高效識別。其次,由於miRNA存在序列的高度相似性,所以檢測的特異性往往難以保證。
目前市場占主導地位的商品是Invitrogen公司(原ABI公司)開發的實時螢光定量PCR方法(TaqManmicroRNA檢測方法),該方法雖然在一定程度上克服了上述缺陷,但是仍具有高成本等缺點,限制了其廣泛套用。
北京賽諾亞生物技術有限責任公司(www.sirnoa.com)自主開發出了方便實用的高通量miRNA檢測方法:等溫實時螢光定量miRNA檢測[1]。該技術具有高特異、高靈敏度、低成本等特點。而且,樣品不需要經過特殊處理,可直接提取RNA後用來檢測,檢測靈敏度高達1000拷貝數;相對於市場上占主流的InvitrogenTaqManmiRNA檢測方法,該方法在成本和特異性等方面具有明顯優勢。

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