简述miRNA及其在动、植物中的差异
生命科学学院 遗传系 董贤欣 072023032
摘要：mi RNA，是一段非常短的非编码RNA序列，长度约为20 －23 个核苷酸。miRNA通过与靶mRNA的互补配对而在转录、转录后和翻译水平上对基因的表达进行负调控，导致mRNA 的降解或翻译抑制,进而对多种生物学过程起调控作用。在植物和动物中，miRNA 执行这种调控作用的机理却不尽相同。同时miRNA 在动植物体内的形成过程也存在很多的不同之处。本文综述了miRNA的基本特征及其在动植物中的差异。 关键词：微小RNA；动、植物；差异
Abstract：MicroRNA, is a very small section of non-coding RNA sequence with about 22-23 nucleotides length. MiRNA function as sequence-specific negative regulators in transcriptional、post-transcriptional translational gene silencing by base pairing with target mRNAs, which leads to mRNA cleavage or translational repression. This can regulate several biological processes. Meantime，there are also many differences in the biogenesis
of miRNAs in plants and animals. This review highlights the basic character of miRNA and the differences of miRNA in plants and animals.
Key words：miRNA, animal and plant ,differences
作为Science 2002年十大科技突破的第一名— miRNA 已成为生物学研究的一大焦点，miRNA由内源性基因编码, 可通过诱导mRNA的切割降解, 翻译抑制或者其他形式的调节机制抑制靶基因的表达.它在生物的发育时序调控和疾病的发生中起到非常重要的作用。
1 miRNA的概述
miRNA 是一类长度很短的非编码调控单链小分子RNA，约20~24 nt(少数小于20 nt的)。 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，而且绝大部分定位于基因间隔区。其转录独立于其他基因，并不翻译成蛋白质，而是在体内代谢过程中起到多种调控作用[1]。
现已证实，miRNA 广泛存在于真核生物细胞内，是最大的基因家族之一，大约占到整个基因组的1%[2]。而且，miRNA与其靶分子mRNA组成了一个复杂的调控网络，如某一特定的
miRNA 可以与多个mRNA 分子结合而发挥调控功能，反之，不同的miRNA 分子也可以结合在同一mRNA 分子上，协同调控此mRNA 分子的表达[3],由此可见，miRNAs在生物体生长、发育过程中起着无法替代的重要作用。
1.1 miRNA的发现
1993 年, Lee 等[4] 在秀丽新小杆线虫( Caenorhabditis elegan) 中发现了第一个能时序调控胚胎后期发育的基因lin24. 时隔7 年之后,Reinhart 等[5] 同样又在线虫C. elegans 中发现了第二个异时性开关基因let27 , 并将这类基因所编码的能时序调控发育进程, 长度约为21 个核苷酸(nt) 的小分子RNA 称为stRNA ( small temporal RNA)。2002年，美国的俄勒冈州立大学、Rutgers 大学、麻省理工学院与Rice 大学,和奥地利科学院的四个研究小组分别报道从植物发现了miRNA，这是最早在植物中发现的miRNA[6-9]。随着技术的发展，越来越多的该类小RNA在多种生物中被发现，2001年，这些小RNA被统称为miRNA(microRNA)。
1.2 miRNA的命名规则
随着miRNA发现和预测数量的不断增多,国际上已经有统一针对miRNA的命名法则[10 ] :使
用3～4个字母的前缀来标明物种,如hsa 表示人类( Homosapiens) ,mmu 表示小鼠(Mus musculus) , dme 表示果蝇(Drosop hila melanogaster) 等;用miR 表示成熟的miRNA ,用mir 表示前体发夹结构。而最后的数字则表明不同的miRNA ,也可以体现不同物种miRNA 之间的关系,如has-miR-101 和mmu-miR-101 是人和鼠的具有同源性的成熟miRNA。成熟的同源miRNA 可能在一个或两个位点有变异,可用字母后缀来标注(如mmu-miR-10a 和mmu-miR-10b) ,如果变异位置明确则用数字标识(dme-mir-281-1 和dme-mir-281-2) 。到目前为止除了线虫中的lin4 和let7 外,其它miRNA 统一用以上表达方式。
1.3 miRNA的特征
基因调控网络
miRNA 有6个明显特征:
1)广泛存在于真核生物中, 是一组不编码蛋白质的短序列RNA , 它本身不具有开放阅读框架(ORF)，并且由不同于mRNA的独立转录单位表达;
2)通常的长度为20～24 nt , 但在3′端可以有1～2 个碱基的长度变化(对miRNA 的具体长度范围尚无统一标准,在拟南芥和烟草中发现的26 nt RNA ,在四膜虫( Tet rahymenas ) 中发现的能使大核部分DNA 失活的28 nt RNA 也被归于其中[11] ;
3)成熟的miRNA , 5′端有一磷酸基团, 3′端为羟基, 且具有独特的序列特征. 它们可以和上游或下游的序列不完全配对形成茎环结构。这一特点使它与大多数寡核苷酸和功能RNA 的降解片段区别开来；
4)miRNA5′端第一个碱基对u有强烈的倾向性,而对G却有抗性,但第2-4个碱基缺乏u,一般来讲,除第4个碱基外,其他位置碱基通常都缺乏C
5)保守性: 在已知的鼠和人类的miRNA 中有53% 与fugu rubripes(puffer fish ) 或danio rerio (zebra fish ) 同源[12] ,已有实验证明约12 %的miRNA在线虫、果蝇、哺乳动物和植物中呈现保守性,而且序列比较发现,这些保守片段中的碱基差异仅为1～2 nt[13 ] .
6)时序性和组织特异性: 即在生物发育的不同阶段里有不同的miRNA 表达, 在不同组织中表达有不同类型的miRNA。Gary(2001) 发现m ir235 到m ir240 基因簇的miRNA 在胚胎和成虫早期高度表达, 而在其它各发育阶段不表达。在拟南芥中，mir-157 在幼苗中高表达,mir-171 则在花中高表达[14 ]。miRNA 在不同的细胞和组织中不同发育时间的差异性表达, 暗示它们极可能控制生物体发育的特定过程;而部分miRNA 在多种细胞或组织中的均一表达可能意味着它们在基因表达调控中具有更加广泛的作用.
2 动、植物中miRNA的差异
1)前体miRNA长度不同
植物miRNA前体的茎环结构(stem—loop)更大、更复杂，大约是动物中的3 倍长，预测的折回(fold—back)长度变异(64～303 nt)也比动物miRNA(60～70 nt)明显[14]；
图1 pre-miRNA结构模式示意图（标注Drosha酶作用位点)
2)植物miRNA长度多为21 nt，而动物miRNA长度多为22～23 nt，这源于Drosha与Dicer切割性能的差异[15 ]；
3)植物miRNA 5′端更优选择脲嘧啶U[15 ]，热力学分析表明，这种末端不稳态是通过RISC来维持的[15 ]，另外植物中miRNA3′末端2nt突出的3′-OH存在甲基化，而动物中无甲基化；
4)相对于动物miRNA,植物miRNA具有较高的进化保守性，因此，对植物miRNA 目标基因的预测要相对简单[18 ]；
5)基因组上的存在位置不同
动物miRNA广泛存在基因簇现象，即多个miRNA由同一个前体RNA加工而来，且来自同一基因簇的miRNA具有较强的同源性，不同基因簇的miRNA的同源性则较弱[19]，基因组的基因之间及结构基因的内含子区域均存在大量编码miRNA 的基因，因此，来源于 pre-mRNA 内含子区域的miRNA 伴随pre-mRNA的剪接而形成；而植物miRNA多数由单一pre-RNA加工而来，只有极少数miRNA，如miR395 存在基因簇现象[20]。除了极少数特例(编码miR402 的基因被发现存在于 pre-mRNA 内含子区域[21])，编码miRNA的基因主要存在于编码蛋白的基因之间的区域，且大多是远离 miRNA目标基因的独立的转录单元；
6)加工方式不同
植物中，细胞核内编码miRNA 的基因的转录与加工是偶联的，即miRNA的形成过程是在细胞核中完成的。首先，细胞核中编码miRNA 的基因在RNA聚合酶Ⅱ的作用下转录形成长度
约为几百个核苷酸的初级转录物—pri-miRNA；然后在一种类Dicer酶—DCL1 的作用下形成miRNA 前体pre-miRNA，该前体长度一般为64－303 nt，DCL1继续作用于pre-miRNA 而形成双链miRNA；最后，双链miRNA在miRNA甲基转移酶——HENI的作用下，使3' 端最后一个核苷酸发生甲基化修饰。甲基化的主要作用是阻止转移酶、聚合酶的活性。以上过程均在细胞核中完成的。成熟的miRNA或者是在细胞核中与类似RISC 的核糖核蛋白结合形成miRNP，然后被Exportin 5 的同源物——HASTY运送到细胞质中，或者是先被HASTY 运送到细胞质中，再与核糖核蛋白结合形成miRNP[22]。
动物中，细胞核内编码miRNA 的基因首先在RNA聚合酶Ⅱ的作用下发生转录，形成长度约为几百个核苷酸的初级转录物—pri-miRNA，初级转录物在 RNase III 家族酶— Drosha 的作用下进一步被加工成为只含60－70 nt 具有茎环结构的单个miRNA 前体—pre-miRNA，由转运蛋白Exportin-5 运送到细胞质；在另一个RNase III 家族酶—Dicer 的参与下，miRNA 前体被加工形成双链miRNA，随后miRNA 的双链解链形成成熟的miRNA。成熟的miRNA 通过与一种类似RISC（the RNA-induced silencing complex)的核糖核蛋白结合形成miRNP 而发挥作用。
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