小分子RNA

小分子核糖核酸（英语：microRNA，缩写为miRNA）又译微核糖核酸，是真核生物中广泛存在的一种长约21到23个核苷酸的核糖核酸（RNA）分子，可调节其他基因的表达。miRNA来自一些从DNA转录而来，但无法进一步翻译成蛋白质的RNA（属于非编码RNA）。miRNA通过与目标信使核糖核酸（mRNA）结合，进而抑制转录后的基因表达，在调控基因表达、细胞周期、生物体发育时序等方面起重要作用。在动物中，一个微RNA通常可以调控数十个基因。这些RNA是从初级转录本（primary transcript）出来的，也就是pri-miRNA，转变成为称为pre-miRNA的茎环结构，最后成为具有功能的成熟miRNA。1989年，Victor发现秀丽隐杆线虫（C. elegans）中有个基因 lin-4 抑制另一个基因 lin-14。他们认为 lin-4 应该也表达一种调控蛋白质，因为基因转录成RNA并翻译成蛋白质是当时认为的公理。不过1993年，Victor的学生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了 lin-4，却发现这个基因非常小，不足以做出蛋白质，而且这个基因的产物确实也不是蛋白质，而是一个长度只有22个核苷酸的RNA，后来人们又发现此miRNA可以和其他蛋白质结合，阻断其他表现，最终产生上述的基因抑制现象。它是由单链的RNA分子产生，这个分子的一端折回来形成不完全的互补配对，称“茎环”。pri-miRNA长度大约为300~1000个碱基，pri-miRNA经过一次加工后，成为pre-miRNA即microRNA前体，长度大约为70~90个碱基；pre-miRNA再经过Dicer酶酶切后，成为长约20~24nt的成熟miRNA。实际研究中，pre-miRNA应用最早，也最广泛。近年研究发现microRNA的双臂对成熟miRNA的形成有着十分重要的作用。与小分子siRNAs相比，miRNA在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差异。siRNA是双股RNA，3'端有2个非配对碱基，通常为UU；miRNA是单股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下产生，而成熟miRNAs的产生要复杂一些，首先pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处理后成为大约70nt的带有茎环结构的Precursor miRNAs（pre-miRNAs），这些pre-miRNAs再在Exportin-5帮助下转运到细胞核外之后再由胞质Dicer酶进行处理，酶切后成为成熟的miRNAs。生命的一些重要活动如幼虫的生长发育、细胞的发生和分化、神经系统的分化等都被一些非编码蛋白的小RNA的调控，而除miRNA、siRNA以外的小RNA我们目前知之甚少。miR-前缀后面所跟着的数字，代表命名的顺序，比如，miR-124比miR-456发现得早。“miR-”代表成熟的miRNA、“mir-”代表pre-miRNA和pri-miRNA、“MIR”代表编码miRNA的基因。miRNA几乎全是独一的编码顺序，但对于拥有一两个碱基不同的则会被标上字母以示，例如，miR-124a与miR-124b。 若成熟的miRNA相同，但pre-miRNA和pri-miRNA和编码他们的基因来自于不同的基因组，则使用数字来表示，例如，mir-194-1和mir-194-2表示两个pre-， pri-miRNA剪切后的成熟miRNA是完全相同的，但却是两个不同的来源。前缀的三个字母代表了不同的种族来源，例如，hsa-miR-194代表miRNA来源于人类，oar-miR-124来源于绵羊。对于形成pre-，pri-miRNA茎环的两端miRNA， 通常一端在数量上远远超过另一端。数量优势的一端往往称为guide strand，而另一端被称为passenger strand，通常被大量降解，用*号来表示，例如miR-124和miR-124*。有多达40％的miRNA位于其他基因的内含子或甚至外显子中。他们通常（但不限于）在有义方向被发现，因此它们通常与他们宿主基因一起调节。 位于DNA模板上的序列，并非成熟miRNA的最终编码：有6％的人类miRNA有RNA编辑的现象，RNA上特定位置的修饰，会产生和他们DNA不同的产物。这增加了miRNA作用的多样性和范围，远超过了基因组单独引起的作用。miRNA基因通常由RNA聚合酶Ⅱ转录，聚合酶常常会结合到DNA序列附近的启动子，并将其编码成前miRNA的发夹环。 所得到的转录产物，上有5'端帽及多聚腺苷酸尾并已被剪接。动物的miRNA最初转录为约80个核苷酸的RNA茎环，其会交互形成几百个核苷酸长的miRNA前体，称作pri-miRNA。当在3'UTR(3'非编码区)中发现茎-环前体时，该转录物可以作为pri-miRNA和mRNA。 此外，RNA聚合酶Ⅲ也会转录一些miRNA，特别是具有上游Alu元件的、tRNA或哺乳动物宽分散重复(mammalian-wide interspersed repeats)启动子单元。单个pri-miRNA可以含有1至6个miRNA precursor，这些发夹环结构各自由约70个核苷酸组成，而每个发夹的侧翼包含了RNA加工的必要序列。 在pri-miRNA中发夹的双链RNA（dsRNA）结构，会被称为DiGeorge综合征关键区8（DGCR8或无脊椎动物中的“Pasha”）的核蛋白所识别。随后DGCR8与Drosha酵素结合形成微加工复合体(Microprocessor complex)。在该复合物中，DGCR8使Drosha的RNase III催化结构区域定向，借此从发夹碱基中切割约11个核苷酸，从而释放pri-miRNA的发夹弯。所得产物在其3'端具有两个核苷酸的突出端，其也具有3'羟基和5'磷酸基团。它通常被称为前miRNA（pre-miRNA）。有许多对于有效加工重要的pre-miRNA下游的序列基序(Sequence motif)，已被识别鉴定了。而对于那些绕过微加工复合体，直接剪接出内含子的前miRNA，被称为“Mirtrons”。其最初被认为只存在于果蝇和秀丽隐杆线虫中，然而现在已经在哺乳动物中发现其存在。 有多达16％的pre-miRNA可以透过核RNA编辑改变，其中最常见地，如腺苷脱氨酶作用于RNA（ADAR）上的腺苷至肌苷（A至I）转换。另外，RNA编辑也能停止核加工(例如pri-miR-142，其会导致核糖核酸酶Tudor-SN的降解)，并改变下游流程包括细胞质miRNA的加工与目标专一性(像是改变中枢神经系统中miR-376的种子区域)。核细胞穿梭蛋白Exportin-5涉及前miRNA发夹从细胞核输出的过程。这种蛋白质是karyopherin家族的一个成员，它会识别前miRNA发夹的3'末端，由RNase III酶与Drosha遗留的两个核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated介导运输到细胞质是能量依赖的(主动运输)，其使用GTP来绑定Ran蛋白。在细胞质中，前miRNA发夹会被由RNaseIII酶Dicer所切割 ，该内切核糖核酸酶与miRNA发夹的5'和3'端相互作用并切除连接3'和5'臂的环 ，产生长度为22个核苷酸的不完全的miRNA：miRNA*双链体 。整个发夹长度和环尺寸都会影响Dicer的加工效率。由于RNA的不完全配对性质，miRNA：miRNA*双链体的配对程度也会影响切割 。此外，一些富含G的pre-miRNA可以潜在地利用G-四联体，来替代典型的茎-环结构。 例如，人的pre-miRNA 92B就使用G-四联体，来抵抗Dicer在细胞质中的介导切割。 虽然双链体的任一链，皆可作为潜在作用的功能miRNA，但通常只有一条链会掺入RNA诱导沉默复合体（RISC）中，在其中该miRNA会与其目标mRNA相互作用。在植物中miRNA的生物合成与动物的最大差异，主要是在于核加工和输出的过程中：其不像动物使用两种不同的切割酶(一种位于核内部、一种位于核外部)。植物的两种切割，都是利用称为Dicer-like1（DL1）(Dicer同源物)进行，由于DL1仅在植物的细胞核中表达，这表明这两种切割都在核内发生。在植物miRNA：miRNA *双链体被转运出细胞核之前，其3'突出端会被称为Hua-Enhancer1（HEN1）的RNA甲基转移蛋白甲基化，然后透过称为Hast（HST）的蛋白质（Exportin 5蛋白的同源物）将双链体从细胞核运出到细胞质中，在那里它们会分解并且生成成熟的miRNA，来结合到RISC中。