microRNA組學(xué)綜述

1、【精品文檔】如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除，僅供學(xué)習(xí)與交流microRNA組學(xué)綜述.精品文檔.基因組學(xué)結(jié)課綜述microRNA組學(xué)研究及進(jìn)展000000000000000000000000000000microRNA組學(xué)研究及進(jìn)展摘要：microRNA是由屬十小分子RNA，由基因序列上的內(nèi)含子片斷轉(zhuǎn)錄并剪切加工而來(lái)，其長(zhǎng)度約為19-24個(gè)核若酸。它的功能體現(xiàn)于基因翻譯后與表達(dá)之間的時(shí)段，其功能的體現(xiàn)方式在于它能和mRNA進(jìn)行不同程度的靶向綁定，以堿基的互補(bǔ)結(jié)合力形成雙鏈結(jié)構(gòu)，從而影響基因組信息的傳遞。初始的研究表明，microRNA的靶向識(shí)別僅僅在于microRNA的5'端起的前8個(gè)左右的堿

2、基，也就是其種子區(qū)域。但后續(xù)研究表明；非種子序列的靶向作用也不容忽視；與此同時(shí)，microRNA成熟體的靶向區(qū)域并不局限在3'UTR，它還能有效的靶向5'UTR，甚至編碼區(qū)域。 關(guān)鍵詞:microRNA,靶基因分類，特征提取方法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一、 miRNA的發(fā)現(xiàn)由于miRNA很小，在很長(zhǎng)時(shí)間里沒(méi)有被人發(fā)現(xiàn)。直到1993年，第一個(gè)miRNA lin-4才被Ambors等人發(fā)現(xiàn)。Ambors等研究秀麗隱桿線蟲(chóng)(C.elegans)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與發(fā)育相關(guān)的lin-4基因的編碼產(chǎn)物是一個(gè)長(zhǎng)度為22個(gè)堿基的RNA小分子，它與另一個(gè)發(fā)育相關(guān)基因lin-14的3'UTR區(qū)域的7個(gè)保守位點(diǎn)部

3、分互補(bǔ)，可以調(diào)節(jié)lin-14的蛋白產(chǎn)物，從fn調(diào)控線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了一種新的基因調(diào)控機(jī)制，但在此后的7年中人們一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的miRNA。直到2000年第二個(gè)miRNA分子let-7才在線蟲(chóng)被鑒定出來(lái)，它與lin-4有相似的調(diào)控機(jī)制。在此之后不到一年時(shí)間，二個(gè)實(shí)驗(yàn)室從果蠅、蠕蟲(chóng)、人類細(xì)胞中找到了近百個(gè)這類小RNA，并將其命名為microRNA。從此之后，miRNA的研究得到了廣泛的關(guān)注，大量的miRNA被發(fā)現(xiàn)。目前關(guān)十miRNA的權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)miRBase中，收錄了來(lái)自動(dòng)物、植物和病毒等數(shù)十個(gè)物種的數(shù)千個(gè)miRNA基因的信息，并且其數(shù)量還在不斷的快速增長(zhǎng)1。二、 miRNA及其產(chǎn)生過(guò)程

4、microRNA在其產(chǎn)生過(guò)程中，呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，不同生存周期中，具有不同的表觀特點(diǎn)。下面分別以動(dòng)物和植物的為例，對(duì)microRNA的特點(diǎn)進(jìn)行描述2。 在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，microRNA生存周期中包含其5種狀態(tài):帶有尾巴結(jié)構(gòu)和發(fā)卡結(jié)構(gòu)的Pri-microRNA ,僅帶有發(fā)卡結(jié)構(gòu)的Pre-microRNA ,雙鏈形式的microRNA/microRNA*復(fù)合物、單鏈microRNA ,已靶向靶序列的microRNA/target-link結(jié)合物。其中，Pri-microRNA就是帶有兩種特殊結(jié)構(gòu)的microRNA gene轉(zhuǎn)錄物，該轉(zhuǎn)錄物在其基因轉(zhuǎn)錄剪切后，由十自身呈單鏈結(jié)構(gòu)，加上細(xì)胞內(nèi)的生物分子動(dòng)力

5、的作用，很自然的形成帶有尾巴結(jié)構(gòu)、發(fā)卡結(jié)構(gòu)和堿基莖區(qū)的分子。該莖區(qū)遵循W-C配對(duì)原則。狀態(tài)則是狀態(tài)經(jīng)過(guò)一種酶去尾處理，保留下莖區(qū)和發(fā)卡結(jié)構(gòu)的Pre-microRNA, 而Pre-microRNA在細(xì)胞核內(nèi)外都能檢測(cè)到。狀態(tài)相對(duì)十前一種狀態(tài)fIJ言，少了發(fā)卡環(huán)結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)的剪切，使得microRNA形成了成熟的雙鏈結(jié)構(gòu)。雙鏈結(jié)構(gòu)其實(shí)就是狀態(tài)中莖區(qū)的一部分，它是microRNA和microRNA*的復(fù)合物。當(dāng)解鏈酶作用后，microRNA成熟體(單鏈)則產(chǎn)生了，同時(shí)也生成了單鏈的microRNA*,即狀態(tài)。在以往的研究中，學(xué)者大多關(guān)注microRNA成熟體的作用機(jī)制和功能。通常情況下，簡(jiǎn)單認(rèn)為m

6、icroRNA*鏈?zhǔn)遣痪哂泄δ艿?、僅與microRNA互補(bǔ)的單鏈RNA，指出其在與microRNA鏈分離后，在細(xì)胞內(nèi)逐漸降解。但是，大量研究陸續(xù)證實(shí)，有的 microRNA*鏈也能起到microRNA的靶向作用，從fn導(dǎo)致靶序列所在區(qū)域的基因沉默。因此，研究人員指出，microRNA鏈和microRNA*鏈?zhǔn)窍鄬?duì)的，當(dāng)其中一條microRNA單鏈在發(fā)揮自有的、特有的功效時(shí)，microRNA*鏈相對(duì)于該功能不發(fā)揮microRNA作用:但是在不同組織、不同細(xì)胞表達(dá)過(guò)程中，microRNA*鏈發(fā)揮microRNA作用時(shí)，與其互補(bǔ)的鏈則不發(fā)揮該功能。而microRNA使靶基因表達(dá)受到抑制和誘導(dǎo)其降解的

7、過(guò)程也就是狀態(tài)。對(duì)于植物microRNA 而言，它與動(dòng)物microRNA相比，各個(gè)時(shí)期有相似之處，也有不同之處。植物microRNA的狀態(tài)包含有兩種形式，一種和動(dòng)物microRNA的狀態(tài)一致，另外一種則是帶有尾巴結(jié)構(gòu)的Pre-microRNA，并且動(dòng)物microRNA的狀態(tài)僅存在于細(xì)胞核內(nèi)；狀態(tài)同時(shí)存在十細(xì)胞核內(nèi)與細(xì)胞核外；狀態(tài)、和存在十細(xì)胞核外。而植物microRNA的和狀態(tài)存在十細(xì)胞核內(nèi)；狀態(tài)同時(shí)存在十細(xì)胞核內(nèi)外；狀態(tài)和存在于細(xì)胞核外3。三、miRNA的作用機(jī)制microRNA成熟體通過(guò)與mRNA靶的一段序列形成互補(bǔ)雙鏈結(jié)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)功能。這種互補(bǔ)形式存在強(qiáng)弱之分，即雙鏈結(jié)合上，存在互補(bǔ)

8、堿基的多寡性，從而決定了microRNA的不同調(diào)節(jié)機(jī)制4。在microRNA發(fā)揮其功能時(shí)，它與靶基因如果具有更好的互補(bǔ)性，主要通過(guò)對(duì)靶向的目標(biāo)mRNA起到直接切割mRNA，以影響其表達(dá)。而這種作用方式，通常是植物microRNA偏好的靶標(biāo)作用方式。如果在microRNA與靶序列的結(jié)合中，存在較多的錯(cuò)配，則主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄后抑制的方式，對(duì)mRNA的翻譯過(guò)程起到干擾作用，這種作用通常存在于動(dòng)物microRNA的作用機(jī)制中。以下是microRNA的作用機(jī)制示意圖:該作用機(jī)制下的microRNA和被靶向的序列之間存在著高度的互補(bǔ)性。經(jīng)過(guò)microRNA誘導(dǎo)降解作用后，靶序列被切割成兩部分，并從符合蛋白上脫

9、落。這兩部分靶序列片段在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)過(guò)降解酶處理后，再次形成氨基酸等細(xì)胞維持生命活動(dòng)的原料。mRNA干擾翻譯機(jī)制下，microRNA在符合蛋白上與靶向的基因序列呈現(xiàn)不完全結(jié)核的狀態(tài)。對(duì)于被靶向的mRNA而言，它們的翻譯過(guò)程則不會(huì)受到完全的阻斷，只是在表達(dá)過(guò)程中受到不同程度的阻礙影響。所以，起翻譯表達(dá)的蛋白在細(xì)胞質(zhì)中能夠被檢測(cè)到，只是表達(dá)量與microRNA不發(fā)揮此項(xiàng)作用時(shí)有所不同。對(duì)于microRNA作用機(jī)制的分類，在物種實(shí)體細(xì)胞中，則存在3中方式：（1）作用時(shí)與靶基因不完全互補(bǔ)結(jié)核，僅抑制mRNA的翻譯過(guò)程，不影響mRNA的穩(wěn)定性。這種抑制方式最為常見(jiàn)。（2）其作用方式類似siRNA，作用時(shí)通

10、過(guò)與靶序列的完全互補(bǔ)結(jié)合，切割mRNA，從而達(dá)到mRNA降解的作用，例如擬南芥miR-171。（3）某些microRNA具有以上兩種靶標(biāo)作用方式，如針對(duì)let-7的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，它對(duì)果蠅細(xì)胞核一些特定細(xì)胞具有mRNA靶割裂作用；而線蟲(chóng)中，它與靶mRNA的3端不完全結(jié)合，僅起到基因變大抑制的作用5。四、 miRNA的靶基因 microRNA的靶基因是指microRNA成熟體單鏈在靶標(biāo)作用機(jī)制中，靶向的一段堿基序列，該序列來(lái)自被microRNA靶向的mRNA。microRNA的靶序列和靶基因通常是同指的。五、 miRNA的功能miRNA在許多生物過(guò)程中都起到了重要的作用，包括生長(zhǎng)發(fā)育和疾病發(fā)生等。最

11、早發(fā)現(xiàn)的miRNA lin-4和let-7都在線蟲(chóng)發(fā)育中起到關(guān)鍵切換開(kāi)關(guān)的作用。后來(lái)，人們逐漸發(fā)現(xiàn)許多miRNA都與生物發(fā)育相關(guān)。例如miR-133影響了人的肌細(xì)胞發(fā)育，miR-196影響了小鼠的發(fā)育過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，Oct4, Sox2, Nanog和Tcf3這4種轉(zhuǎn)錄因子對(duì)十胚胎干細(xì)胞的調(diào)節(jié)非常重要，而 miR-290, let-7等也與這些轉(zhuǎn)錄因子一起參與了胚胎干細(xì)胞的多種調(diào)節(jié)作用。此外，miRNA與多種癌癥密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，50%以上的miRNA位于癌癥相關(guān)的基因組區(qū)域，因此miRNA可能發(fā)揮了原癌基因或抑癌基因的功能。例如miR-1 _5_5在乳腺癌細(xì)胞中顯著高表達(dá)。它位于BIC基因

12、唯一的物種保守區(qū)域，而 BIC基因是乳腺癌相關(guān)的重要基因，miR-1 55可能與BIC基因的致癌作用有密切的關(guān)系，起到了原癌基因的作用。另外let-7家族起到了抑癌基因的功能。它們抑制原癌基因Ras的表達(dá)，控制細(xì)胞生長(zhǎng)分化過(guò)程。miR-1 5 a和miR-16-1起到了抑癌基因的功能，在慢性淋巴細(xì)胞性白血病中起到重要作用。miR-21, miR-142, miR-143, miR-145也與癌癥相關(guān)。miRNA與癌癥的密切關(guān)系，使人們開(kāi)始探索將miRNA用于癌癥診斷、分類和治療。例如在乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)miRNA進(jìn)行表達(dá)譜分析，可以對(duì)乳腺癌的不同子型進(jìn)行正確的分類。同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)鎖核酸(l

13、ocked nucleic acid, LNA)的生物技術(shù)來(lái)特異性抑制miR-21, miR-122, miR-155等miRNA的活性，可有效治療小鼠的乳腺癌。這一技術(shù)的靶向性更明確，因此更穩(wěn)定毒性也更小。由此可見(jiàn)，miRNA對(duì)十未來(lái)癌癥的臨床治療和藥物設(shè)計(jì)都有重要幫助6。六、miRNA對(duì)肝癌細(xì)胞組織環(huán)境中的作用目前肝細(xì)胞性肝癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC)己經(jīng)成為世界上死亡率最高的惡性腫瘤之一。隨著對(duì)腫瘤生分子物學(xué)及腫瘤免疫學(xué)研究的不斷深入，人們認(rèn)識(shí)到研究肝癌的發(fā)生發(fā)展不能只局限十肝癌細(xì)胞，更應(yīng)該關(guān)注為肝癌細(xì)胞增殖、惡性演變提供了“土壤”的微環(huán)境。在肝癌的發(fā)

14、展過(guò)程中，肝癌細(xì)胞通過(guò)遺傳和表觀遺傳的改變獲得新的特性，并通過(guò)與免疫細(xì)胞或者細(xì)胞因子協(xié)同作用來(lái)創(chuàng)造一個(gè)有利十其生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的“土壤”環(huán)境。作為免疫效應(yīng)階段的執(zhí)行場(chǎng)所，腫瘤微環(huán)境幾乎包括了宿主免疫系統(tǒng)的所有成分，包括T淋巴細(xì)胞，B淋巴細(xì)胞，巨噬細(xì)胞，樹(shù)突狀細(xì)胞，肥大細(xì)胞及各種細(xì)胞因子等，其中CD4'CD25'CD127-Treg細(xì)胞介導(dǎo)的免疫網(wǎng)絡(luò)調(diào)控在機(jī)體抗腫瘤免疫效應(yīng)中發(fā)揮非常重要的作用，不同的研究都發(fā)現(xiàn)HCC患者腫瘤微環(huán)境中及外周血中CD4'CD25'CD127Treg細(xì)胞都呈現(xiàn)高表達(dá)，這些過(guò)高的Treg細(xì)胞可以直接阻止腫瘤特異性T細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效應(yīng)及誘導(dǎo)

15、效應(yīng)性T細(xì)胞對(duì)腫瘤抗原的耐受，Ifn不產(chǎn)生記憶性效應(yīng)T淋巴細(xì)胞反應(yīng)，最終在腫瘤周圍營(yíng)造了免疫抑制微環(huán)境，屏蔽來(lái)自免疫系統(tǒng)的攻擊和壓制，介導(dǎo)腫瘤的免疫逃逸。然而，腫瘤微環(huán)境中Treg數(shù)量增高受到那種機(jī)制的調(diào)控尚不明確7。近年來(lái)，一種重要的調(diào)節(jié)RNA一一miRNA被發(fā)現(xiàn)在基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄組的表達(dá)，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中具有重要作用。miRNA是一種大小約為19-25個(gè)堿基的單鏈小分子RNA，是由70-90個(gè)堿基大小的單鏈miRNA前體(pre一miRNA)在Dicer的作用下產(chǎn)生的。1993年，Lee等在秀麗新小桿線蟲(chóng)(Caenorhabditis elegan)中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)microRN

16、A一一1in-4。時(shí)隔7年，Reinhart等又在線蟲(chóng)C. elegans中發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)microRNA一一1 et-78。之后隨著生物信息學(xué)分子克隆技術(shù)學(xué)的的飛速發(fā)展，miRNA在疾病中的作用口益受到重視，在2002年和2003年連續(xù)兩年miRNAScience雜志評(píng)選為十大科技新聞。雖然miRNA的研究?jī)H有很短的歷史，截至2012年8月，依據(jù)最新的miRNAs數(shù)據(jù)庫(kù)(miRBase19. 0, http : /www. mirbase. org/)，目前已從病毒、植物和動(dòng)物的基因組發(fā)現(xiàn)兩萬(wàn)多個(gè)miRNAs，其中人類有兩千余個(gè)，并目_其數(shù)據(jù)庫(kù)仍處十不斷更新中。其中，絕大部分的miRNA功能未

17、明8。miRNA本身并不編碼蛋白質(zhì)，它主要通過(guò)與靶基因mRNA分子的3端非編碼區(qū)域(3-UTR)互補(bǔ)配對(duì)后，降低mRNA分子穩(wěn)定性和翻譯抑制兩種方式來(lái)參與靶基因表達(dá)調(diào)控。在人類腫瘤組織中，miRNA表達(dá)失調(diào)的現(xiàn)象非常普遍，而且具有一定的組織特異性。如早在2002年，CalinGA等9發(fā)現(xiàn)多數(shù)慢性淋巴細(xì)胞白血病患者miR-15和一16缺失或下調(diào)，因此認(rèn)為miR-15和miR-啊能作為抑癌基因發(fā)揮作用。miR-15和miR-16通過(guò)抑制BCL一的表達(dá)發(fā)揮其抑制腫瘤發(fā)生的功能。在胰腺癌中存在miR-150和miR-630的表達(dá)上調(diào)，二者的作用靶點(diǎn)可能是誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡有關(guān)的胰島素樣生長(zhǎng)因子受體GF-

18、1R11。另外，有的microRNAs在不同的腫瘤中可能發(fā)揮完全不同的作用，如Hulf等和Verdoodt等均報(bào)道m(xù)iR-205在前列腺表達(dá)是下調(diào)的，Ifn在子宮內(nèi)膜癌中，miR-205的表達(dá)卻明顯升高。自2006年Murakami等首次報(bào)道m(xù)iRNA在正常肝臟和HCC中的表達(dá)差異以來(lái)，相繼不斷有研究發(fā)現(xiàn)多種microRNA在肝臟均有表達(dá)。但在肝臟組織中，miR-122是表達(dá)豐度最高的miRNA,有文獻(xiàn)報(bào)道稱miR-122的表達(dá)量約占肝臟總miRNA的70 %。Landgraf等研究發(fā)現(xiàn)人類肝臟表達(dá)的miRNAs有40多種，除miR-122外，特異性較高的還包括包括miR-126、miR-42

19、4/322、miR-135b,miR-122miR-425、miR-93、miR-96和miR-374b等9。由于miRNA在調(diào)控靶基因中，與靶基因的3' UTR區(qū)存在著不完全互補(bǔ)的現(xiàn)象，所以，一個(gè)miRNA可以同時(shí)調(diào)控多個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因，一個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因也可同時(shí)受到多個(gè)miRNA的調(diào)控，進(jìn)Ifn影響到相關(guān)的重要信號(hào)通路。由此可見(jiàn)，miRNA,靶基因及相關(guān)重要信號(hào)通路構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮重要的生理功能。腫瘤微環(huán)境中Treg細(xì)胞升高是否受到microRNA的調(diào)控，只有為數(shù)不多的幾篇報(bào)道。Yan等下發(fā)現(xiàn)TGF-b-miR-34a-CCL22信號(hào)通路在肝癌免疫微環(huán)境中發(fā)生了改變，m

20、iR-34a通過(guò)上調(diào)細(xì)胞因子CCL22的水平，促進(jìn)Treg細(xì)胞的聚集。Rousa等發(fā)現(xiàn)Treg細(xì)胞有5microRNA表達(dá)失調(diào)(miR-21, miR-31, miR-125a、miR-181c及miR-374)，其中miR-31和miR-125a低表達(dá)，向臍血T細(xì)胞中轉(zhuǎn)入這5個(gè)miRNA后發(fā)現(xiàn)；miRNA-31直接抑制Foxp3的表達(dá)，miRNA-21間接促進(jìn)Foxp3的表達(dá)，其余3個(gè)microRNA對(duì)細(xì)胞的表型及Foxp3的表達(dá)無(wú)直接的影響10。七、問(wèn)題與展望我們正在經(jīng)歷一個(gè)進(jìn)入后基因組時(shí)代的世紀(jì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，擁有史無(wú)前例的數(shù)據(jù)資源，這些信息不僅使得越來(lái)越多的新的miRNA分子被發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)其功

21、能和作用機(jī)制的了解也越來(lái)越明確。一個(gè)microRNA可以調(diào)節(jié)多個(gè)靶基因，一個(gè)靶基因又可以受到多個(gè)miRNA調(diào)節(jié)，microRNA自身的表達(dá)與功能又受多種因素的調(diào)控，這些關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，有待十進(jìn)一步深入廣泛的研究。microRNA介導(dǎo)的功能基因調(diào)節(jié)已經(jīng)開(kāi)啟基因調(diào)控的大門(mén)，對(duì)microRNA調(diào)節(jié)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)有可能是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的突破之一，將為肝癌的預(yù)防和靶向治療開(kāi)辟道路11。參考文獻(xiàn)1 Nelson P; Kiriakidou M; Sharma A. The microRNA world: small is mightyJ.TRENDS IN BIOCHEMICAL SCIENCE

22、S, 2003, 28(10):534-540.2 Lund E; Guttinger S; Calado A. Nuclear export of microRNA precursorsJ. SCIENCE, 2004, 303(5654):95一98.3 閏文.基于miRNA生源論的單類支持向量機(jī)miRNA預(yù)測(cè)方法研究D.吉林大學(xué),2010.4 Triboulet Robinson; Mari Bernard; Lin Yea-Lih. Suppression of microRNA-silencing pathway by HIV-1 during virus replicationJ.

23、 SCIENCE, 2007, 315(5818):1579-1582.5 Mount D W. Bioinformatics: sequence and genome analysis. Cold Spring Harbor Laborary Press, 20046 朱玉賢,李毅,鄭曉峰.現(xiàn)代分了生物學(xué).高等教育出版社，2007,沈詡排,方福德.真核基因表達(dá)調(diào)控.高等教育出版社,19967 Yu H Y, Luscombe N M, Qian J, et al. Genomic analysis of gene expression relationships in transcriptional regulatory networks. Trend