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干货 | 一文读懂miRNA的生物合成、调控机制及研究热点

2021-12-29
中科新生命
2453

转录组(transcriptome)广义上指某一生理条件下,细胞内所有转录产物的集合,包括mRNA、核糖体RNA、转运RNA及非编码RNA等,而在众多的RNA类型中,越来越多的研究者将目光聚焦到miRNA的研究中。miRNA是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA,其长度约19~25nt。miRNA主要通过参与基因的转录后调控,来实现对靶基因的表达调节。目前,已有大量的研究结果表明,miRNA在动植物生长发育、机体疾病的发生发展等领域中备受关注。

miRNA基因在RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ的作用下转录生成长度约为几千个碱基的初级转录本(pri-miRNA)。随后,在蛋白复合物Drosha-DGCR8的作用下进一步被加工成具有茎环结构的前体miRNA(pre-miRNA),pre-miRNA在Ran-GTP-Exportin-5转运蛋白的协助下从核内转运到细胞质中。在细胞质中,pre-miRNA被Dicer-TRBP识别,并通过对茎环结构的剪切和修饰,在细胞质内形成 miRNA二聚体。其中一条链迅速降解,另一条链被转载进AGO2蛋白中,形成RISC(RNA诱导沉默复合体),最终生成成熟的、具有功能单链miRNA。

miRNA的发生和功能

随着科研人员对miRNA研究的深入,几百种动植物的不同miRNA被陆续发现,它们的功能具有多样性,不仅有大家了解的干扰作用,还可以通过结合靶基因,引起靶mRNA的降解或翻译的抑制。近日,一篇题为“Combination therapy with miR34a and doxorubicin synergistically inhibits Dox-resistant breast cancer progression via down-regulation of Snail through suppressing Notch/NF-κB and RAS/RAF/MEK/ERK signaling pathway”的miRNA调控机制的文章发表在《Acta Pharm Sin B》,该文章的整体实验设计并不复杂,作者首先筛选microRNA34a (miR34a)作为研究目标,探讨了miR34a对乳腺癌阿霉素(Dox)耐药的逆转作用及其可能的机制,miR34a已被证明可通过多个靶标参与各种肿瘤的发生和发展。在乳腺癌中,转染miR34a显著抑制Dox耐药的MCF-7/A细胞的增殖、侵袭、迁移并诱导其凋亡,同时发现,与Dox敏感MCF-7细胞相比,MCF-7/A细胞中Snail基因的蛋白质和mRNA表达均显著上调,转染Snail小干扰RNA(siRNA)可以抑制Dox耐药MCF-7/A细胞的侵袭、迁移和粘附,而Snail高表达可以显著促进MCF-7细胞的侵袭、迁移和粘附,在MCF-7/A细胞中用miR34a转染可诱导Snail表达降低。通过靶基因预测发现miR34a与Snail 3'UTR的具有潜在结合位点,并通过荧光素酶报告基因方法进行了验证。进一步的研究发现,与单独的miR34a或Dox处理相比,联合使用miR34a和Dox可在MCF-7/A细胞中诱导更强的Snail减少。此外,研究还首次发现miR34a联合Dox可通过抑制MCF-7/A细胞中的Notch/NF-κB和RAS/RAF/MEK/ERK通路,显著抑制Snail的表达。体内研究表明,与单独使用Dox相比,miR34a和Dox的联合使用显著减缓了MCF-7/A裸鼠异种移植模型中的肿瘤生长,这表现为Snail的下调和肿瘤异种移植中的促凋亡作用。这些结果共同强调了miR34a驱动的Snail调节在耐药性中的相关性,并且miR34a和Dox的共同给药可能在未来的临床中产生有效的治疗结果。


miR34a和 Dox在 MCF-7/A细胞中协同抗肿瘤作用途径

随着高通量测序技术的迅猛发展,基于高通量测序技术的miRNA测序是鉴定和定量解析miRNA的新方法和有力工具,突破了其他研究手段的局限性。近年来,关于miRNA的生物学作用逐渐被熟知,作为研究较为成熟的非编码RNA,miRNA在以下几个应用领域逐渐深入和完善:

1. 分子标记

研究发现,细胞、组织细胞的状态与microRNA的水平息息相关。如果能够及时监测细胞内的microRNA水平,就可能知道细胞的状态,甚至提早预测细胞发育的下一步动向,这也是microRNA应用于癌症监测的重要原理之一。如,Volina 等分析540份病人的相关实体瘤标本中的miRNA,从而确定miRNA-17-59/20a/21/92/106a/15 为肿瘤miRNA标志物。

2. 疾病治疗

在临床医学中,通过将microRNA或者microRNA拮抗剂(往往是与microRNA配对的序列)导入病人体内,来提高或者降低体内microRNA的水平,从而起到调节下游基因表达,最终实现治疗效果。如,miR-122是丙肝病毒感染时会诱导肝脏释放出一种microRNA,对丙肝相关基因的表达起激活作用,而miR-122的拮抗剂可抑制miR-122的活性具有治疗作用。


miR-122拮抗剂的作用原理

3. 人工miRNA

人工小分子RNA(artificial microRNA,amiRNA)技术,是利用天然miRNA生成和作用原理设计的,以一个或多个特定基因为靶标的小RNAs分子,它能够高效、特异地抑制基因的表达。amiRNA可以沉默掉同一家族的不同蛋白质,因此颇受广大科研工作者的青睐。

商业化人工microRNA载体pChlamiRNA3

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参考文献

[1] Yang X , Shang P , Yu B , et al. Combination therapy with miR34a and doxorubicin synergistically inhibits Dox-resistant breast cancer progression via down-regulation of Snail through suppressing Notch/NF-κB and RAS/RAF/MEK/ERK signaling pathway - ScienceDirect[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2021.

[2] Walid, A, Alsharafi, et al. miRNAs: biological and clinical determinants in epilepsy.[J]. Frontiers in molecular neuroscience, 2015.

[3] Volinia S ,  Calin G A ,  Liu C G , et al. A microRNA expression signature of human solid tumors defines cancer gene targets[J]. PNAS, 2006, 103(7):p.2257-2261.