microRNA与mRNA不同位点结合后的生物学效应研究进展

伍华东，丁颖，徐广峰

(中国人民解放军第82医院，江苏淮安223001)

microRNA与mRNA不同位点结合后的生物学效应研究进展

伍华东，丁颖，徐广峰

(中国人民解放军第82医院，江苏淮安223001)

microRNA(miRNA)是一类单链非编码小RNA，主要参与功能基因的转录后调控，具有广泛、多样的生物功能，在真核生物体内对基因表达具有重要的调控作用。miRNA既可以抑制编码基因mRNA的表达，又可以激活mRNA的作用；既可以在细胞质中作用于mRNA的不同区域，也可以返回细胞核中发挥重要的生物学功能；同一个miRNA不一定只是一种作用模式，它可以同时作用于3′UTR、5′UTR和ORF区域。在细胞质中，miRNA通过与mRNA 3个区域中存在的识别位点互补配对并结合一些辅助蛋白发挥作用；在细胞核中，miRNA通过与lncRNA的相互作用起到调节基因功能的作用；miRNA还可与DNA的启动子序列相结合，诱导基因转录与翻译。

microRNA；3′非翻译区；5′非翻译区；启动子；开放阅读框

microRNA(miRNA)是一类内生的、长度20～24个核苷酸的单链非编码小RNA[1]。首次确认的miRNA是在线虫中发现的lin-4和let-7，随后在人类、果蝇、植物等多个物种中鉴别出数千条miRNA。在动物细胞核内原始转录本的转录初产物称为pri-miRNA，长度为300～1 000个碱基；pri-miRNA经过Drosha酶剪切后，成为pre-miRNA即前体miRNA，长度为70～90个碱基；pre-miRNA通过核输出蛋白exportin5转运至细胞质中，再经过Dicer酶剪切后，成为长度20～24个碱基的成熟miRNA，成熟miRNA通过调控靶基因发挥生物学功能[2]。人类整个染色体中约有2%的基因能够编码蛋白质，其中60%以上的功能基因受到miRNA的调控。miRNA参与了生命过程中的一系列重要进程，包括早期发育、细胞增殖、细胞凋亡、细胞死亡、脂肪代谢和细胞分化等诸多方面[3]。同一个miRNA可以调控多个不同的基因，几个不同的miRNA组合也可以精细调控某一个基因。由于miRNA存在的广泛性和多样性，提示miRNA可能具有非常广泛多样的生物功能。据推测，miRNA在真核生物体内对基因表达的调控作用可能与转录因子一样重要，其可能是一种新的基因表达调控方式。本文就近年来关于miRNA与mRNA不同位点结合后的生物学效应研究进展综述如下。

1 miRNA与mRNA细胞质中作用位点结合后的生物学效应

miRNA可以与靶标mRNA不同区域的识别位点结合而发挥不同的生物学功能。一个转录本的总体结构由5′非翻译区(5′UTR)、开放阅读框(ORF)和3′非翻译区(3′UTR)组成。miRNA不仅能够识别某个区域的结合位点，而且可以在mRNA的3个区域中都存在识别位点[4]。在动植物中，miRNA与靶标基因结合后通过不同的方式发挥生物学功能，在动物中主要通过抑制mRNA翻译发挥作用，在植物中主要通过降解mRNA发挥作用[5]。

1.1 miRNA与mRNA 3′UTR结合后的生物学效应 与mRNA 3′UTR结合是miRNA最主要的作用模式。3′UTR在mRNA转录后修饰、细胞内定位及转运、维持mRNA稳定性及保证翻译的效率等方面都具有重要的调控功能。在细胞质中，miRNA首先结合到RNA诱导的沉默复合体(RISC)上，然后进一步与mRNA的3′UTR种子序列互补配对结合，使得RISC结合到mRNA上，从而导致mRNA的翻译抑制或降解[6]。

miRNA lin-4最先在线虫中被发现。在线虫发育的幼体期，lin-14蛋白表达是必不可少的，但随着线虫的发育而逐渐消失[7，8]。miRNA lin-4可与mRNA lin-14的3′UTR互补结合，促使lin-14蛋白表达下降，因此lin-14蛋白随着线虫的发育而逐渐消失。这种作用方式是miRNA最主要的作用方式。一些经典的miRNA如miR-1、miR-21、miR-26、miR-143，均可通过这种方式来抑制基因的转录和蛋白的表达。miR-130b在胶质瘤中的表达明显增高，PPAR-γ的3′UTR能与miR-130b特异性结合，降低E-钙黏素(E-cadherin)水平，升高β-连环蛋白水平，促进体内胶质瘤的增殖与侵袭[9]。

除了抑制作用外，miRNA靶向3′UTR也具有激活转录增加表达的作用。其主要是通过与RNA结合蛋白(RBP)竞争结合3′UTR的AU富集区域，从而防止mRNA的降解。miR-466l可以竞争性结合IL-10的3′UTR的AU富集区域，此区域是典型的RBP结合位点，而锌指蛋白36(TTP)是一个经典的RBP，其可介导IL-10 mRNA的快速降解。miR-466l的效应就是绑定到IL-10的AU富集区域，防止IL-10 mRNA降解，从而延长mRNA的半衰期，提高IL-10表达[10]。

1.2 miRNA与mRNA 5′UTR结合后的生物学效应 研究表明，人类mRNA 5′UTR也存在miRNA的作用位点，这种作用主要介导mRNA的降解。肿瘤生长因子β(TGF-β)信号通路参与多种细胞生命活动，包括细胞生长、分化、凋亡以及胚胎发育等，TGF-β1 5′UTR存在miR-122的靶向位点，miR-122下调可促进TGF-β1生成，加快肿瘤细胞增殖，缩短患者的生存期[11]。放疗是治疗鼻咽癌的首选方法，而辐射抵抗会降低治疗效果。研究发现，miR-24可通过直接绑定于Jab1/CSN5的3′UTR和5′UTR抑制其翻译，从而抑制肿瘤生长，并增强肿瘤细胞的放疗敏感性[12]。因此miR-24可作为鼻咽癌细胞的肿瘤抑制剂和辐射敏化剂。

miRNA作用于蛋白转录本的5′UTR也能促进蛋白表达。miR-122是肝脏中含量较高的miRNA，可结合丙型肝炎病毒(HCV)的5′UTR，在这一区域存在HCV的内部核糖体进入位点，在病毒转录本失去5′端帽子结构的前提下，miR-122便可通过激活转录本翻译过程而调节病毒的生命活动周期[13]。在一些儿科肿瘤中，胰岛素样生长因子-2(IGF-2)往往高表达，而miR-483-5p可直接结合于IGF-2 mRNA的5′UTR，从而促进RNA解旋酶的聚集，并激活其转录和翻译[14]。

1.3 miRNA与mRNA ORF结合后的生物学效应 Fas相关因子1(FAF1)是与癌细胞凋亡相关的基因，miR-24可与FAF1 mRNA的ORF的两个位点结合，抑制其凋亡[15]。视网膜母细胞瘤基因1(RB1)是一种肿瘤抑制因子，miR-181可作用于RB1的ORF，在肿瘤的发展过程中起重要作用，虽然miR-181也可结合到RB1的3′UTR，但这种作用方式没有前一种的效果明显[16]。E-cadherin在乳腺肿瘤发生过程中下调，而miR-221是其中一个重要的调节因子。研究发现，miR-221通过与E-cadherin mRNA的ORF靶向结合降低其蛋白的表达，从而促进肿瘤的进展[17]。还有报道显示，在果蝇ORF中存在的miRNA结合位点与3′UTR中存在的结合位点一样普遍，甚至更多[18]。表明ORF区域确实存在许多miRNA的作用位点。

2 miRNA与mRNA细胞核中作用位点结合后的生物学效应

miRNA的经典作用模式是成熟后在细胞质中抑制mRNA的翻译，或是降解mRNA而发挥生物学作用。但最近研究表明，miRNA的功能更为广泛。长链非编码RNA(lncRNA)是一类转录本长度超过200 nt、不编码蛋白的RNA。在细胞核中，miRNA通过与lncRNA的相互作用起到调节基因功能的作用。核富集常染色体转录产物1(NEAT1)和肺腺癌转移相关转录本1(MALAT-1)都是表达丰富、保存完整的lncRNA。lncRNA具有连接miRNA的作用，可以将各种不同的miRNA聚集到一起，共同发挥作用[20]。NEAT1是一种与肿瘤的发生和进展有关的长链非编码RNA，研究表明，NEAT1基因中存在着与miR-140的结合位点，miR-140在细胞质中加工成熟后可以返回到细胞核中与NEAT1交互作用，调节NEAT1基因的表达，从而进一步影响了脂肪源性干细胞(ADSCs)脂肪形成的能力[19]。此外，MALAT-1是一种与非小细胞肺癌转移有关的指标，miR-9也可返回细胞核中通过Argonaute蛋白作用于MALAT-1，使其发生降解[6]。

3 miRNA与mRNA其他作用位点结合后的生物学效应

miRNA还可与DNA的启动子序列相结合。miRNA可直接绑定于基因启动子区域，进一步招募Ago蛋白，组成miRNA-Ago复合体，吸引组蛋白甲基化转移酶，导致转录增强，从而上调目标蛋白的表达。这种RNA介导的过程需要Ago2蛋白的参与，且与组蛋白的甲基化有关。对这种模式的深入研究可能对靶向治疗有重要意义[21]。另有研究表明，miR-373和pre-miR-373都可以诱导cadherin和CSDC2基因表达，其作用方式也是通过与基因的启动子区域的互补配对[22]。miRNA还可作用于基因的增强子区域，通过影响增强子的表达情况，发挥调控目的基因转录和蛋白表达的功能[23]。

综上所述，miRNA既可以抑制编码基因mRNA的表达，又可以激活mRNA的作用；既可以在细胞质中作用于mRNA的不同区域，也可以返回细胞核中发挥重要的生物学功能；同一个miRNA不一定只是一种作用模式，它可以同时作用于3′UTR、5′UTR和ORF区域[24]。对miRNA生物学功能的不断探索有助于开发更多的诊断工具，提供更好的治疗策略。

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