调控基因表达的microRNA

（西南大学农学与生物科技学院，重庆 400715）

之前很长一段时间，人们认为RNA 的作用仅相当于一个桥梁，连接DNA 与蛋白质。随着对研究深入，发现有些微小RNA 可以与某些mRNA 结合并进行互补配对，从而关闭或抑制基因的表达，即在转录水平上对基因表达进行负调控。显著的代表就是近30 年来被广泛研究的microRNA（miRNA），它是一类长约19-24 个核苷酸的非编码RNA 单链，由于核苷酸数量并不像普通RNA 分子那样庞大，将其称为微小RNA，但它可以广泛地存在于真核生物中。越来越多的研究也让我们认识到miRNA 在细胞增殖、分化、生长发育和响应外界环境信号等方面都有着不可替代的作用。

1.miRNA 的发现

1993 年，第一个miRNA 被Lee 等人在秀丽隐杆线虫中发现，它不会翻译成蛋白质，而是对线虫胚胎后期的发育具有调控作用，将其命名为lin-4。第一次miRNA 的发现并未完全引起人们的重视，大约7 年后才有新的发现。2000 年，第二个miRNA 基因let-7 被Pasquinelli 等人在线虫中发现并报道，对应的miRNA 为let-7。

植物miRNA 的研究进展稍晚于动物。2002 年，第一个植物miRNA“miR171”被发现，是由Reinhart 等人在拟南芥中分离克隆出来的。随后有人将植物与动物miRNA 进行比较实验，发现植物miRNA 与靶基因序列具有更高的互补配对性，而动物miRNA 与其靶mRNA 的契合度并不是那么高，miRNA 在动植物中使转录退化的机制不同之处就基于这一结论。此后，各种关于miRNA 的研究接踵而至，在病毒中也发现有miRNA 的存在。

2.miRNA 的生物合成

植物和动物细胞中的miRNA 合成不完全相同，但基本方式不变。miRNA 的合成主要有三个步骤：

（1）首先在DNA 聚合酶II 的催化下，细胞核内含miRNA 基因的DNA 进行转录，得到pri-miRNA。PrimiRNA 只是miRNA 的前体转录本，不能直接经过加工得到成熟的miRNA 分子。

（2）第二步pri-miRNA 被RNase Ⅲ核酸酶Drosha 进一步加工得到miRNA 的前体pre-miRNA。Pre-miRNA 是具有茎环、约含70-80 个核苷酸的结构，它成为成熟的miRNA 还需要下一步的修饰。

（3）miRNA 合成的最后一步是pre-miRNA 被剪切为仅有19-24 个核苷酸的成熟miRNA，同于前两个步骤，它的发生场所从细胞核转移到了细胞质。主要是Ran-GTP 依赖的核质/细胞质转运蛋白Exportin5 和G 蛋白因子Ran 将pre-miRNA 进行转移，在剪切过程中双链RNA转移性RNA 内切酶（Dicer 酶）发挥着必不可少的作用。

3.miRNA 的作用机制

miRNA*是一条在碱基序列上可以与成熟miRNA 分子进行互补的单链，它会与miRNA 形成螺旋结构。螺旋体中的其中一条链会与细胞质中的沉默复合体RISC 结合形成复合物miRNP。当miRNA 与其结合后会打破沉默复合体RISC 的对称，所以形成的miRNP 是非对称的复合物。miRNA 可以在这种被其结合的非对称复合物(miRNP)中进行靶基因的识别，mRNA 会与靶mRNA 的3′端非翻译区（3′UTR）进行互补配对从而起到转录后负调控的作用，而小RNA 降解酶（SDN）会迅速降解掉另外一条RNA 链。miRNA 作用机制主要有两种方式：使转录退化或参与翻译抑制。

3.1 miRNA 使转录退化

miRNA 在动植物中使转录退化的作用机制并不完全相同。前文提到，植物miRNA 与动物的不同之处是它与靶基因序列的匹配性更高，植物miRNA 错配率较低，在进化过程中保守性更强。由于动物miRNA 与其靶基因的互补性不强，无法直接剪切mRNA。动物miRNA 主要是通过RISC 沉默复合体对mRNA 进行降解，这个过程需要去腺苷化酶和脱帽蛋白与RISC 复合体结合后方能进行。

植物miRNA 主要是通过介导靶基因mRNA 剪切来使转录退化。当miRNA 对目标mRNA 进行剪切，靶mRNA的3′端由于被结合切割会暴露出5′单磷酸基团，当这个结构被连接酶捕获并添加接头构建，就可以得到降解组文库。植物的miRNA 发挥剪切需要通过AGO 蛋白的核酸内切酶来发挥作用，被剪切的mRNA 片段就会进入下一步核酸外切酶降解途径，降解靶mRNA 从而导致靶基因的降解，表达受到抑制。

3.2 miRNA 参与翻译抑制

第一次提出“翻译抑制”概念是在1993 年发现线虫miRNA 时，经过研究发现线虫miRNA“lin-4”的靶基因lin-14 转录出的mRNA 并没有受到影响，而其蛋白质水平明显下降。关于miRNA 介导的翻译抑制机制，在动物方面还没有得到更深入的研究。

植物主要是在拟南芥中发现了miR172 可以通过使参与花器官发育调控的靶基因APETALA2（AP2）的蛋白水平下降，使得表达被抑制。后续还有众多研究发现植物中的miRNA 不影响mRNA 的水平，而均可以降低其相应的蛋白水平来抑制基因表达，揭示了miRNA 介导的翻译抑制机制是在植物中广泛存在且非常重要的。曾有报道指出miRNA 参与的翻译抑制在早期的植物中就有所发现，DOUBLE-STRANDED RNA-BINDING 2 及其同源基因在早期被子植物和苔藓中就已经存在，它们可以影响这些植物基因的翻译抑制。由此看来，miRNA 的翻译抑制功能也具有保守性。

4.miRNA 调节的优点

miRNA对基因表达调控的调节是在转录后进行调节，可以高效利用细胞内资源。其调节的效果比转录前调节更好且可逆；与蛋白水平的调节相比它消耗能量更低，减轻了生物的负担。

5.总结与展望

综上，miRNA 在基因表达调控中有着不可替代的重要性。近年来，关于miRNA 在各个领域作用的研究正在不断丰富中：miRNA 被发现是免疫反应中重要的调控因子；在植物抗逆方面，miRNA 作为调节因子参与植物在高温胁迫中的生长发育与逆境响应；miRNA 还可以通过精密的调节机制对植物的胚和胚乳发育进行调控。除此之外，很多领域关于miRNA 研究也展现出蓬勃的生机，随着未来科学技术的进步，相信miRNA 研究之路会愈发宽广。