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小分子核糖核酸

广泛存在于植物、动物及动植物病毒等生物中的一类进化保守性的非编码小分子调控RNA

小分子核糖核酸（英語：microRNA，縮寫miRNA），又稱微RNA[1]（微核糖核酸），是真核生物中廣泛存在的一種長約21到23個核苷酸的RNA分子，可調節其他基因的表達[2][3]。miRNA來自一些從DNA轉錄而來，但無法進一步轉譯成蛋白質的RNA（屬於非編碼RNA）。miRNA通過與目標mRNA結合，進而抑制轉錄後的基因表達[4]，在調控基因表達、細胞周期、生物體發育時序等方面起重要作用。在動物中，一個miRNA通常可以調控數十個基因。

小分子核糖核酸（miRNA）與mRNA作用的圖
miRNA莖環的實例，成熟miRNA顯示為紅色
甘藍pre-microRNA中的莖環（stem-loop）二級結構。

這些RNA是從初級轉錄本（primary transcript）出來的，也就是pri-miRNA，轉變成為稱為pre-miRNA的莖環結構，最後成為具有功能的成熟miRNA。

1989年，維克托·安布羅斯發現秀麗隱杆線蟲（C. elegans）中有個基因lin-4抑制另一個基因 lin-14。他們認為lin-4應該也表達一種調控蛋白質，因為基因轉錄成RNA並翻譯成蛋白質是當時認為的公理。不過1993年，維克托的學生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了lin-4，卻發現這個基因非常小，不足以做出蛋白質，而且這個基因的產物確實也不是蛋白質，而是一個長度只有22個核苷酸的RNA，後來人們又發現此miRNA可以和其他蛋白質結合，阻斷其他表現，最終產生上述的基因抑制現象。它是由單鏈的RNA分子產生，這個分子的一端折回來形成不完全的互補配對，稱「莖環」[5]。

pri-miRNA長度大約為300~1000個鹼基，pri-miRNA經過一次加工後，成為pre-miRNA即microRNA前體，長度大約為70~90個鹼基；pre-miRNA再經過Dicer酶酶切後，成為長約20~24nt的成熟miRNA。實際研究中，pre-miRNA應用最早，也最廣泛。近年研究發現microRNA的雙臂對成熟miRNA的形成有着十分重要的作用。

與小分子siRNAs相比，miRNA在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差異。siRNA是雙股RNA，3'端有2個非配對鹼基，通常為UU；miRNA是單股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下產生，而成熟miRNAs的產生要複雜一些，首先pri-miRNA在核內由一種稱為Drosha酶處理後成為大約70nt的帶有莖環結構的Precursor miRNAs（pre-miRNAs），這些pre-miRNAs再在Exportin-5幫助下轉運到細胞核外之後再由胞質Dicer酶進行處理，酶切後成為成熟的miRNAs。

生命的一些重要活動如幼蟲的生長發育、細胞的發生和分化、神經系統的分化等都被一些非編碼蛋白的小RNA的調控，而除miRNA、siRNA以外的小RNA我們目前知之甚少。

2024年10月7日，miRNA及其轉錄後修飾機製發現者維克托·安布羅斯和加里·魯夫昆獲得諾貝爾生理學或醫學獎。[6][7]

命名規則

miR-前綴後面所跟着的數字，代表命名的順序，比如，miR-124比miR-456發現得早。

「miR-」代表成熟的miRNA、「mir-」代表pre-miRNA和pri-miRNA、「MIR」代表編碼miRNA的基因[8]。

miRNA幾乎全是獨一的編碼順序，但對於擁有一兩個鹼基不同的則會被標上字母以示，例如，miR-124a與miR-124b。 若成熟的miRNA相同，但pre-miRNA和pri-miRNA和編碼他們的基因來自於不同的基因組，則使用數字來表示，例如，mir-194-1和mir-194-2表示兩個pre-， pri-miRNA剪切後的成熟miRNA是完全相同的，但卻是兩個不同的來源。

前綴的三個字母代表了不同的種族來源，例如，hsa-miR-194代表miRNA來源於人類，oar-miR-124來源於綿羊。

對於形成pre-，pri-miRNA莖環的兩端miRNA， 通常一端在數量上遠遠超過另一端。數量優勢的一端往往稱為guide strand，而另一端被稱為passenger strand，通常被大量降解，用*號來表示，例如miR-124和miR-124*。

生物合成機制

 

有多達40％的miRNA位於其他基因的內含子或甚至外顯子中[9]。他們通常（但不限於）在有義方向被發現[10][11]，因此它們通常與他們宿主基因一起調節[9][12][13]。 位於DNA模板上的序列，並非成熟miRNA的最終編碼：有6％的人類miRNA有RNA編輯的現象，RNA上特定位置的修飾，會產生和他們DNA不同的產物。這增加了miRNA作用的多樣性和範圍，遠超過了基因組單獨引起的作用。

轉錄

miRNA基因通常由RNA聚合酶Ⅱ轉錄[14][15]，聚合酶常常會結合到DNA序列附近的啟動子，並將其編碼成前miRNA的髮夾環。 所得到的轉錄產物，上有5'端帽及多聚腺苷酸尾並已被剪接。動物的miRNA最初轉錄為約80個核苷酸的RNA莖環，其會交互形成幾百個核苷酸長的miRNA前體，稱作pri-miRNA[14][10]。當在3'UTR(3'非編碼區)中發現莖-環前體時，該轉錄物可以作為pri-miRNA和mRNA[10]。 此外，RNA聚合酶Ⅲ也會轉錄一些miRNA，特別是具有上游Alu元件的、tRNA或哺乳動物寬分散重複(mammalian-wide interspersed repeats)啟動子單元[16]。

核加工

 
人類Drosha蛋白的X射線晶體結構與兩個DGCR8分子（綠色）的C端螺旋複合體。Drosha包含兩個核糖核酸酶III結構區域（藍色和橙色），雙鏈RNA結合結構區域(黃色)，以及含有結合兩個鋅離子的平台結構域（灰色）。來源：PDB 5B16.

單個pri-miRNA可以含有1至6個miRNA precursor，這些髮夾環結構各自由約70個核苷酸組成，而每個髮夾的側翼包含了RNA加工的必要序列。 在pri-miRNA中髮夾的雙鏈RNA（dsRNA）結構，會被稱為DiGeorge綜合症關鍵區8（DGCR8或無脊椎動物中的「Pasha」）的核蛋白所識別。隨後DGCR8與Drosha酵素結合形成微加工複合體(Microprocessor complex)[17][18]。

在該複合物中，DGCR8使Drosha的RNase III催化結構區域定向，藉此從髮夾鹼基中切割約11個核苷酸，從而釋放pri-miRNA的髮夾彎[19][20]。所得產物在其3'端具有兩個核苷酸的突出端，其也具有3'羥基和5'磷酸基團。它通常被稱為前miRNA（pre-miRNA）。有許多對於有效加工重要的pre-miRNA下游的序列基序(Sequence motif)，已被識別鑑定了[21][22][23]。

而對於那些繞過微加工複合體，直接剪接出內含子的前miRNA，被稱為「Mirtrons」。其最初被認為只存在於果蠅和秀麗隱桿線蟲中，然而現在已經在哺乳動物中發現其存在[24]。 有多達16％的pre-miRNA可以透過核RNA編輯改變[25][26][27]，其中最常見地，如腺苷脫氨酶作用於RNA（ADAR）上的腺苷至肌苷（A至I）轉換。另外，RNA編輯也能停止核加工(例如pri-miR-142，其會導致核糖核酸酶Tudor-SN的降解)，並改變下游流程包括細胞質miRNA的加工與目標專一性(像是改變中樞神經系統中miR-376的種子區域)[25]。

核輸出

 
人類exportin-5蛋白（紅色）與Ran-GTP（黃色）複合物和pre-miRNA（綠色）及雙核苷酸突出端識別元件（橙色）。來源：PDB 3A6P.

核細胞穿梭蛋白Exportin-5涉及前miRNA髮夾從細胞核輸出的過程。這種蛋白質是karyopherin家族的一個成員，它會識別前miRNA髮夾的3'末端，由RNase III酶與Drosha遺留的兩個核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated介導運輸到細胞質是能量依賴的(主動運輸)，其使用GTP來綁定Ran蛋白。[28]

細胞質加工

在細胞質中，前miRNA髮夾會被由RNaseIII酶Dicer所切割[29] ，該內切核糖核酸酶與miRNA髮夾的5'和3'端相互作用並切除連接3'和5'臂的環[30] ，產生長度為22個核苷酸的不完全的miRNA：miRNA*雙鏈體[29] 。整個髮夾長度和環尺寸都會影響Dicer的加工效率。由於RNA的不完全配對性質，miRNA：miRNA*雙鏈體的配對程度也會影響切割[29][31] 。

此外，一些富含G的pre-miRNA可以潛在地利用G-四聯體，來替代典型的莖-環結構。 例如，人的pre-miRNA 92B就使用G-四聯體，來抵抗Dicer在細胞質中的介導切割。[32] 雖然雙鏈體的任一鏈，皆可作為潛在作用的功能miRNA，但通常只有一條鏈會摻入RNA誘導沉默複合體（RISC）中，在其中該miRNA會與其目標mRNA相互作用。


植物中的生物合成

在植物中miRNA的生物合成與動物的最大差異，主要是在於核加工和輸出的過程中：其不像動物使用兩種不同的切割酶(一種位於核內部、一種位於核外部)。植物的兩種切割，都是利用稱為Dicer-like1（DL1）(Dicer同源物)進行，由於DL1僅在植物的細胞核中表達，這表明這兩種切割都在核內發生。在植物miRNA：miRNA *雙鏈體被轉運出細胞核之前，其3'突出端會被稱為Hua-Enhancer1（HEN1）的RNA甲基轉移蛋白甲基化，然後透過稱為Hast（HST）的蛋白質（Exportin 5蛋白的同源物）將雙鏈體從細胞核運出到細胞質中，在那裡它們會分解並且生成成熟的miRNA，來結合到RISC中。[33]

參考文獻

  1. ^ 存档副本. [2021-07-06]. （原始內容存檔於2021-07-09）. 
  2. ^ Ambros, V. The functions of animal microRNAs. Nature. Sep 16, 2004, 431 (7006): 350–5. PMID 15372042. doi:10.1038/nature02871. 
  3. ^ Bartel, DP. MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell. Jan 23, 2004, 116 (2): 281–97. PMID 14744438. doi:10.1016/S0092-8674(04)00045-5. 
  4. ^ Bartel DP. MicroRNAs: target recognition and regulatory functions. Cell. January 2009, 136 (2): 215–33. PMC 3794896  . PMID 19167326. doi:10.1016/j.cell.2009.01.002. 
  5. ^ Ruvkun G(1), Giusto J. The Caenorhabditis elegans heterochronic gene lin-14 encodes a nuclear protein that forms a temporal developmental switch. Nature. Mar 1989, 338 (6213): 313–9. PMID 2922060. doi:10.1038/338313a0. 
  6. ^ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2024. NobelPrize.org. [2024-10-07] （美國英語）. 
  7. ^ Lewis, Tanya. Nobel Prize in Physiology or Medicine Awarded for Discovery of MicroRNA Gene Regulation. Scientific American. [2024-10-07] （英語）. 
  8. ^ Wright, MW; Bruford, EA. Naming 'junk': human non-protein coding RNA (ncRNA) gene nomenclature. Human genomics. Jan 2011, 5 (2): 90–8. PMC 3051107  . PMID 21296742. doi:10.1186/1479-7364-5-2-90. 
  9. ^ 9.0 9.1 Rodriguez A, Griffiths-Jones S, Ashurst JL, Bradley A; Griffiths-Jones; Ashurst; Bradley. Identification of mammalian microRNA host genes and transcription units. Genome Res. October 2004, 14 (10A): 1902–10. PMC 524413  . PMID 15364901. doi:10.1101/gr.2722704. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Cai X, Hagedorn CH, Cullen BR; Hagedorn; Cullen. Human microRNAs are processed from capped, polyadenylated transcripts that can also function as mRNAs. RNA. December 2004, 10 (12): 1957–66. PMC 1370684  . PMID 15525708. doi:10.1261/rna.7135204. 
  11. ^ Weber MJ. New human and mouse microRNA genes found by homology search. FEBS J. January 2005, 272 (1): 59–73. PMID 15634332. doi:10.1111/j.1432-1033.2004.04389.x. 
  12. ^ Kim YK, Kim VN; Kim. Processing of intronic microRNAs. EMBO J. February 2007, 26 (3): 775–83. PMC 1794378  . PMID 17255951. doi:10.1038/sj.emboj.7601512. 
  13. ^ Baskerville S, Bartel DP; Bartel. Microarray profiling of microRNAs reveals frequent coexpression with neighboring miRNAs and host genes. RNA. March 2005, 11 (3): 241–7. PMC 1370713  . PMID 15701730. doi:10.1261/rna.7240905. 
  14. ^ 14.0 14.1 Lee Y, Kim M, Han J, Yeom KH, Lee S, Baek SH, Kim VN; Kim; Han; Yeom; Lee; Baek; Kim. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. EMBO J. October 2004, 23 (20): 4051–60. PMC 524334  . PMID 15372072. doi:10.1038/sj.emboj.7600385. 
  15. ^ Zhou X, Ruan J, Wang G, Zhang W; Ruan; Wang; Zhang. Characterization and identification of microRNA core promoters in four model species. PLoS Comput. Biol. March 2007, 3 (3): e37. Bibcode:2007PLSCB...3...37Z. PMC 1817659  . PMID 17352530. doi:10.1371/journal.pcbi.0030037. 
  16. ^ Faller M, Guo F; Guo. MicroRNA biogenesis: there's more than one way to skin a cat. Biochim. Biophys. Acta. November 2008, 1779 (11): 663–7. PMC 2633599  . PMID 18778799. doi:10.1016/j.bbagrm.2008.08.005. 
  17. ^ Lee, Y; Ahn, C; Han, J; Choi, H; Kim, J; Yim, J; Lee, J; Provost, P; Rådmark, O; Kim, S; Kim, VN. The nuclear RNase III Drosha initiates microRNA processing.. Nature. 25 September 2003, 425 (6956): 415–9. PMID 14508493. doi:10.1038/nature01957. 
  18. ^ Gregory RI, Chendrimada TP, Shiekhattar R; Chendrimada; Shiekhattar. MicroRNA biogenesis: isolation and characterization of the microprocessor complex. Methods Mol. Biol. 2006, 342: 33–47. ISBN 1-59745-123-1. PMID 16957365. doi:10.1385/1-59745-123-1:33. 
  19. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Kim, YK; Jin, H; Kim, VN. The Drosha-DGCR8 complex in primary microRNA processing.. Genes & Development. 15 December 2004, 18 (24): 3016–27. PMC 535913  . PMID 15574589. doi:10.1101/gad.1262504. 
  20. ^ Han, J; Lee, Y; Yeom, KH; Nam, JW; Heo, I; Rhee, JK; Sohn, SY; Cho, Y; Zhang, BT; Kim, VN. Molecular basis for the recognition of primary microRNAs by the Drosha-DGCR8 complex.. Cell. 2 June 2006, 125 (5): 887–901. PMID 16751099. doi:10.1016/j.cell.2006.03.043. 
  21. ^ Conrad, Thomas; Annalisa, Marsico; Gehre, Maja; Ørom, Ulf. Microprocessor activity controls differential miRNA biogenesis In Vivo.. Cell Reports. Oct 23, 2014, 9 (2): 542–554. PMID 25310978. doi:10.1016/j.celrep.2014.09.007. 
  22. ^ Auyeung, Vincent; Igor, Ulitsky; McGeary, SE; Bartel, DP. Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing.. Cell. Feb 14, 2013, 152 (4): 844–858. PMC 3707628  . PMID 23415231. doi:10.1016/j.cell.2013.01.031. 
  23. ^ Ali PS, Ghoshdastider U, Hoffmann J, Brutschy B, Filipek S. Recognition of the let-7g miRNA precursor by human Lin28B. FEBS Letters. 2012, 586 (22): 3986–90. PMID 23063642. doi:10.1016/j.febslet.2012.09.034. 
  24. ^ Berezikov E, Chung WJ, Willis J, Cuppen E, Lai EC; Chung; Willis; Cuppen; Lai. Mammalian mirtron genes. Mol. Cell. October 2007, 28 (2): 328–36. PMC 2763384  . PMID 17964270. doi:10.1016/j.molcel.2007.09.028. 
  25. ^ 25.0 25.1 Kawahara Y, Megraw M, Kreider E, Iizasa H, Valente L, Hatzigeorgiou AG, Nishikura K; Megraw; Kreider; Iizasa; Valente; Hatzigeorgiou; Nishikura. Frequency and fate of microRNA editing in human brain. Nucleic Acids Res. September 2008, 36 (16): 5270–80. PMC 2532740  . PMID 18684997. doi:10.1093/nar/gkn479. 
  26. ^ Winter J, Jung S, Keller S, Gregory RI, Diederichs S; Jung; Keller; Gregory; Diederichs. Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation. Nat. Cell Biol. March 2009, 11 (3): 228–34. PMID 19255566. doi:10.1038/ncb0309-228. 
  27. ^ Ohman M. A-to-I editing challenger or ally to the microRNA process. Biochimie. October 2007, 89 (10): 1171–6. PMID 17628290. doi:10.1016/j.biochi.2007.06.002. 
  28. ^ Murchison EP, Hannon GJ; Hannon. miRNAs on the move: miRNA biogenesis and the RNAi machinery. Curr. Opin. Cell Biol. June 2004, 16 (3): 223–9. PMID 15145345. doi:10.1016/j.ceb.2004.04.003. 
  29. ^ 29.0 29.1 29.2 Lund E, Dahlberg JE; Dahlberg. Substrate selectivity of exportin 5 and Dicer in the biogenesis of microRNAs. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 2006, 71: 59–66. PMID 17381281. doi:10.1101/sqb.2006.71.050. 
  30. ^ Park, JE; Heo, I; Tian, Y; Simanshu, DK; Chang, H; Jee, D; Patel, DJ; Kim, VN. Dicer recognizes the 5' end of RNA for efficient and accurate processing.. Nature. 13 July 2011, 475 (7355): 201–5. PMID 21753850. doi:10.1038/nature10198. 
  31. ^ Ji X. The mechanism of RNase III action: how dicer dices. Curr. Top. Microbiol. Immunol. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2008, 320: 99–116. ISBN 978-3-540-75156-4. PMID 18268841. doi:10.1007/978-3-540-75157-1_5. 
  32. ^ Mirihana Arachchilage G, Dassanayake AC, Basu S. A Potassium Ion-Dependent RNA Structural Switch Regulates Human Pre-miRNA 92b Maturation. Chem. Biol. 2015, 22: 262–272. PMID 25641166. doi:10.1016/j.chembiol.2014.12.013. 
  33. ^ Lelandais-Brière C, Sorin C, Declerck M, Benslimane A, Crespi M, Hartmann C; Sorin; Declerck; Benslimane; Crespi; Hartmann. Small RNA diversity in plants and its impact in development. Current Genomics. March 2010, 11 (1): 14–23. PMC 2851111  . PMID 20808519. doi:10.2174/138920210790217918. 

外部連結

參見

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