microRNA组学综述

基因组学结课综述microRNA组学研究及进展000000000000000000000000000000microRNA组学研究及进展摘要：microRNA是由属十小分子RNA，由基因序列上的内含子片断转录并剪切加工而来，其长度约为19-24个核若酸。它的功能体现于基因翻译后与表达之间的时段，其功能的体现方式在于它能和mRNA进行不同程度的靶向绑定，以碱基的互补结合力形成双链结构，从而影响基因组信息的传递。初始的研究表明，microRNA的靶向识别仅仅在于microRNA的5'端起的前8个左右的碱基，也就是其种子区域。但后续研究表明；非种子序列的靶向作用也不容忽视；与此同时，microRNA成熟体的靶向区域并不局限在3'UTR，它还能有效的靶向5'UTR，甚至编码区域。关键词:microRNA,靶基因分类，特征提取方法，神经网络一、miRNA的发现由于miRNA很小，在很长时间里没有被人发现。直到1993年，第一个miRNAlin-4才被Ambors等人发现。Ambors等研究秀丽隐杆线虫(C.elegans)时，发现与发育相关的lin-4基因的编码产物是一个长度为22个碱基的RNA小分子，它与另一个发育相关基因lin-14的3'UTR区域的7个保守位点部分互补，可以调节lin-14的蛋白产物，从}fn调控线虫发育过程。这一发现揭开了一种新的基因调控机制，但在此后的7年中人们一直没有发现新的miRNA。直到2000年第二个miRNA分子let-7才在线虫被鉴定出来，它与lin-4有相似的调控机制。在此之后不到一年时间，二个实验室从果蝇、蠕虫、人类细胞中找到了近百个这类小RNA，并将其命名为microRNA。从此之后，miRNA的研究得到了广泛的关注，大量的miRNA被发现。目前关十miRNA的权威数据库miRBase中，收录了来自动物、植物和病毒等数十个物种的数千个miRNA基因的信息，并且其数量还在不断的快速增长[1]。二、miRNA及其产生过程microRNA在其产生过程中，呈现不同的状态，不同生存周期中，具有不同的表观特点。下面分别以动物和植物的为例，对microRNA的特点进行描述[2]。在动物细胞内，microRNA生存周期中包含其5种状态:①带有尾巴结构和发卡结构的Pri-microRNA,②仅带有发卡结构的Pre-microRNA,③双链形式的microRNA/microRNA*复合物、④单链microRNA,⑤已靶向靶序列的microRNA/target-link结合物。其中，Pri-microRNA就是带有两种特殊结构的microRNAgene转录物，该转录物在其基因转录剪切后，由十自身呈单链结构，加上细胞内的生物分子动力的作用，很自然的形成带有尾巴结构、发卡结构和碱基茎区的分子。该茎区遵循W-C配对原则。状态②则是状态①经过一种酶去尾处理，保留下茎区和发卡结构的Pre-microRNA,而Pre-microRNA在细胞核内外都能检测到。状态③相对十前一种状态}fIJ言，少了发卡环结构，而该结构的剪切，使得microRNA形成了成熟的双链结构。双链结构其实就是状态①中茎区的一部分，它是microRNA和microRNA*的复合物。当解链酶作用后，microRNA成熟体(单链)则产生了，同时也生成了单链的microRNA*,即状态④。在以往的研究中，学者大多关注microRNA成熟体的作用机制和功能。通常情况下，简单认为microRNA*链是不具有功能的、仅与microRNA互补的单链RNA，指出其在与microRNA链分离后，在细胞内逐渐降解。但是，大量研究陆续证实，有的microRNA*链也能起到microRNA的靶向作用，从}fn导致靶序列所在区域的基因沉默。因此，研究人员指出，microRNA链和microRNA*链是相对的，当其中一条microRNA单链在发挥自有的、特有的功效时，microRNA*链相对于该功能不发挥microRNA作用:但是在不同组织、不同细胞表达过程中，microRNA*链发挥microRNA作用时，与其互补的链则不发挥该功能。而microRNA使靶基因表达受到抑制和诱导其降解的过程也就是状态⑤。对于植物microRNA而言，它与动物microRNA相比，各个时期有相似之处，也有不同之处。植物microRNA的状态②包含有两种形式，一种和动物microRNA的②状态一致，另外一种则是带有尾巴结构的Pre-microRNA，并且动物microRNA的①状态仅存在于细胞核内；②状态同时存在十细胞核内与细胞核外；状态③、④和⑤存在十细胞核外。而植物microRNA的①和②状态存在十细胞核内；状态③同时存在十细胞核内外；状态④和⑤存在于细胞核外[3]。三、miRNA的作用机制microRNA成熟体通过与mRNA靶的一段序列形成互补双链结构，以达到调节功能。这种互补形式存在强弱之分，即双链结合上，存在互补碱基的多寡性，从而决定了microRNA的不同调节机制[4]。在microRNA发挥其功能时，它与靶基因如果具有更好的互补性，主要通过对靶向的目标mRNA起到直接切割mRNA，以影响其表达。而这种作用方式，通常是植物microRNA偏好的靶标作用方式。如果在microRNA与靶序列的结合中，存在较多的错配，则主要通过转录后抑制的方式，对mRNA的翻译过程起到干扰作用，这种作用通常存在于动物microRNA的作用机制中。以下是microRNA的作用机制示意图:该作用机制下的microRNA和被靶向的序列之间存在着高度的互补性。经过microRNA诱导降解作用后，靶序列被切割成两部分，并从符合蛋白上脱落。这两部分靶序列片段在细胞质中经过降解酶处理后，再次形成氨基酸等细胞维持生命活动的原料。mRNA干扰翻译机制下，microRNA在符合蛋白上与靶向的基因序列呈现不完全结核的状态。对于被靶向的mRNA而言，它们的翻译过程则不会受到完全的阻断，只是在表达过程中受到不同程度的阻碍影响。所以，起翻译表达的蛋白在细胞质中能够被检测到，只是表达量与microRNA不发挥此项作用时有所不同。对于microRNA作用机制的分类，在物种实体细胞中，则存在3中方式：（1）作用时与靶基因不完全互补结核，仅抑制mRNA的翻译过程，不影响mRNA的稳定性。这种抑制方式最为常见。（2）其作用方式类似siRNA，作用时通过与靶序列的完全互补结合，切割mRNA，从而达到mRNA降解的作用，例如拟南芥miR-171。（3）某些microRNA具有以上两种靶标作用方式，如针对let-7的实验过程中，它对果蝇细胞核一些特定细胞具有mRNA靶割裂作用；而线虫中，它与靶mRNA的3’端不完全结合，仅起到基因变大抑制的作用[5]。四、miRNA的靶基因microRNA的靶基因是指microRNA成熟体单链在靶标作用机制中，靶向的一段碱基序列，该序列来自被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在许多生物过程中都起到了重要的作用，包括生长发育和疾病发生等。最早发现的miRNAlin-4和let-7都在线虫发育中起到关键切换开关的作用。后来，人们逐渐发现许多miRNA都与生物发育相关。例如miR-133影响了人的肌细胞发育，miR-196影响了小鼠的发育过程。研究发现，Oct4,Sox2,Nanog和Tcf3这4种转录因子对十胚胎干细胞的调节非常重要，而miR-290,let-7等也与这些转录因子一起参与了胚胎干细胞的多种调节作用。此外，miRNA与多种癌症密切相关。研究发现，50%以上的miRNA位于癌症相关的基因组区域，因此miRNA可能发挥了原癌基因或抑癌基因的功能。例如miR-1_5_5在乳腺癌细胞中显著高表达。它位于BIC基因唯一的物种保守区域，而BIC基因是乳腺癌相关的重要基因，miR-155可能与BIC基因的致癌作用有密切的关系，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。它们抑制原癌基因Ras的表达，控制细胞生长分化过程。miR-15a和miR-16-1起到了抑癌基因的功能，在慢性淋巴细胞性白血病中起到重要作用。miR-21,miR-142,miR-143,miR-145也与癌症相关。miRNA与癌症的密切关系，使人们开始探索将miRNA用于癌症诊断、分类和治疗。例如在乳腺癌的研究中发现通过对miRNA进行表达谱分析，可以对乳腺癌的不同子型进行正确的分类。同时发现通过锁核酸(lockednucleicacid,LNA)的生物技术来特异性抑制miR-21,miR-122,miR-155等miRNA的活性，可有效治疗小鼠的乳腺癌。这一技术的靶向性更明确，因此更稳定毒性也更小。由此可见，miRNA对十未来癌症的临床治疗和药物设计都有重要帮助[6]。六、miRNA对肝癌细胞组织环境中的作用目前肝细胞性肝癌(HepatocellularCarcinoma,HCC)己经成为世界上死亡率最高的恶性肿瘤之一。随着对肿瘤生分子物学及肿瘤免疫学研究的不断深入，人们认识到研究肝癌的发生发展不能只局限十肝癌细胞，更应该关注为肝癌细胞增殖、恶性演变提供了“土壤”的微环境。在肝癌的发展过程中，肝癌细胞通过遗传和表观遗传的改变获得新的特性，并通过与免疫细胞或者细胞因子协同作用来创造一个有利十其生长和转移的“土壤”环境。作为免疫效应阶段的执行场所，肿瘤微环境几乎包括了宿主免疫系统的所有成分，包括T淋巴细胞，B淋巴细胞，巨噬细胞，树突状细胞，肥大细胞及各种细胞因子等，其中CD4'CD25'CD127-Treg细胞介导的免疫网络调控在机体抗肿瘤免疫效应中发挥非常重要的作用，不同的研究都发现HCC患者肿瘤微环境中及外周血中CD4'CD25'CD127Treg细胞都呈现高表达，这些过高的Treg细胞可以直接阻止肿瘤特异性T细胞对肿瘤细胞的杀伤效应及诱导效应性T细胞对肿瘤抗原的耐受，Ifn不产生记忆性效应T淋巴细胞反应，最终在肿瘤周围营造了免疫抑制微环境，屏蔽来自免疫系统的攻击和压制，介导肿瘤的免疫逃逸。然而，肿瘤微环境中Treg数量增高受到那种机制的调控尚不明确[7]。近年来，一种重要的调节RNA一一miRNA被发现在基因转录后水平调节转录组的表达，在肿瘤的发生发展过程中具有重要作用。miRNA是一种大小约为19-25个碱基的单链小分子RNA，是由70-90个碱基大小的单链miRNA前体(pre一miRNA)在Dicer的作用下产生的。1993年，Lee等在秀丽新小杆线虫((Caenorhabditiselegan)中发现了第一个microRNA一一1in-4。时隔7年，Reinhart等又在线虫C.elegans中发现了第二个microRNA一一1et-78。之后随着生物信息学分子克隆技术学的的飞速发展，miRNA在疾病中的作用口益受到重视，在2002年和2003年连续两年miRNA《Science》杂志评选为十大科技新闻。虽然miRNA的研究仅有很短的历史，截至2012年8月，依据最新的miRNAs数据库(miRBase19.0,)，目前已从病毒、植物和动物的基因组发现两万多个miRNAs，其中人类有两千余个，并目_其数据库仍处十不断更新中。其中，绝大部分的miRNA功能未明[8]。miRNA本身并不编码蛋白质，它主要通过与靶基因mRNA分子的3’端非编码区域(3’-UTR)互补配对后，降低mRNA分子稳定性和翻译抑制两种方式来参与靶基因表达调控。在人类肿瘤组织中，miRNA表达失调的现象非常普遍，而且具有一定的组织特异性。如早在2002年，CalinGA等9发现多数慢性淋巴细胞白血病患者miR-15和一16缺失或下调，因此认为miR-15和miR-啊能作为抑癌基因发挥作用。miR-15和miR-16通过抑制BCL一的表达发挥其抑制肿瘤发生的功能。在胰腺癌中存在miR-150和miR-630的表达上调，二者的作用