疾病关联的microRNA预测综述

疾病关联的microRNA预测综述摘要microRNA(miRNA)是一类长度约为22nt(核苷酸)的内源非编码RNA，在动植物许多重要的生命过程中起着关键的调控作用，并且与肿瘤等多种疾病的发生发展密切相关。生物信息学在miRNA的研究中起到了重要作用，极大地推动了该领域的迅速发展。本文首先对miRNA的功能，miRNA与疾病的关系进行了简要的介绍，着重阐述了目前疾病关联的microRNA预测的一些方法，并进行了简要的分析，最后总结了这个领域目前存在的一些问题，为以后的研究和学习奠定基础。关键字：microRNA,非编码RNA，疾病AbstractMicroRNAs(miRNAs)areasetofshort(about22nucleotides)non-codingRNAsthatplaysignificantregulatoryrolesinvariousbiologicalprocessesofanimalsandplants.Furthermore,accumulatingevidenceindicatesmiRNAsareassociatedwithvarioushumandiseases.TheapplicationofbioinformaticsinmiRNAresearchgreatlypromotesthedevelopmentofthiscutting-edgeareaofcurrentbiology.First,webrieflyintroducemiRNAanditsfunctions.Thenwefocusonthepredictionmethodsfordisease-relatedmiRNA.Finally,,weconcludethechallengesexistinthisfieldtolaythefoundationforfuturestudy.Keywords:microRNA,nocodingRNA,disease引言RNA(核糖核酸)是在动植物、微生物、病毒中普遍存在的重要分子之一，具有多种重要的生物功能。在生物体内除了有mRNA、tRNA、rRNA等编码RNA之外，还有许多非编码RNA，包括microRNA、siRNA、snoRNA等。MicroRNA(miRNA，微小RNA)是近年来新发现的一类非编码RNA，它过与靶标mRNA(信使RNA)的序列互补来对其表达进行调控[1]。通常与mRNA的3’不翻译区中特定序列结合，诱导靶标mRNA剪切或者抑制其翻译。研究表明miRNA参与了细胞分化、细胞增殖、细胞凋亡、器官形成、造血过程等一系列重要的生命过程，并且miRNA与肿瘤等多种人类疾病的发生发展密切相关[2,3].通过生物实验发现miRNA的方法能够准确、可靠的识别miRNA，然而该方法的效率很低并且花销很大，很难发现只在特定组织中表达或在不同时期表达的miRNA。通过计算机等信息手段预测miRNA的方法，则不受miRNA表达时间、组织特异性及表达水平的影响，能够为后续生物实验提供可靠的miRNA候选[4,5]。识别与疾病关联的miRNA的生物实验方法主要有微阵列基因表达数据分析和qRT-PCR实验。其中，微阵列方法是一种高通量技术，能够检测miRNA在疾病样本和正常样本中的差异表达。然而miRNA短序列不同的溶解温度和miRNA家族中多个miRNA序列间的高度一致性，常常导致微阵列结果的假阳性；同时，探针的设计也较大的增加了该技术的成本[6-8]。计算预测miRNA与特定疾病的关联，可以弥补实验方法的不足，能够系统的预测与人类疾病关联的miRNA候选[9-12]。越来越多的研究表明，一个复杂疾病通常经由多个miRNA协同调控，一个miRNA则通常参与多个疾病的发生发展过程，因此miRNA与疾病之间的关系错综复杂。针对现有实验数据，使用计算机技术系统预测可能与特定疾病关联的miRNA，能够为生物实验提供可靠的miRNA候选，从而提高疾病关联miRNA识别的成功率，推动人类疾病治疗和基因制药的发展。本文主要对疾病关联miRNA预测领域的一些预测方法进行了回顾，分析，总结了目前方法存在的不足，为疾病关联的miRNA预测的学习和研究提供一些参考。miRNA和miRNA功能microRNA(miRNA)是一类长度为~22nt的内源性非编码RNA，它通过序列互补配对的方式对靶标mRNA的表达进行调控。但因为miRNA的序列长度很短，且只在特定组织细胞或者细胞的特定阶段才进行表达，一直未能被人们所熟知，以至于被人们称作是生命中的“暗物质”。直到1993年Lee等才在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditiselegans）中找到了第一个miRNA基因lin-4[13]。然而，miRNA虽小，其作用却不小。研究表明生物体的诸如发育，造血[14]，器官形成[15]，细胞增殖及其凋亡等生命过程都有miNRA的参与，并且许多疾病的发生和发展都被证明与miRNA的非正常表达息息相关。miRNA发挥作用主要是通过抑制目标mRNA的翻译水平或直接将其降解。由于植物中的miRNA与目标mRNA匹配良好，大都直接通过直接降解达到抑制表达的作用。而动物miRNA的作用过程就要复杂的多，除了极少部分的直接降解，其他大部分的动物miRNA只会与目标mRNA的UTR区进行互补配对，降低mRNA的翻译水平，从而达到抑制基因表达的作用[16-18]。而在这个互补配对过程中，所谓的种子区域，即miRNA5’端2-7nt位置的碱基在进化上相对保守，基本与目标mRNA3’端不翻译区完全匹配，而其他位点的结合水平会影响RISC的抑制程度。但即使降低其翻译水平，一些mRNA的降解水平也有明显加快。目前在人类中已经发现了500多种miRNA，而将近30%的基因表达都被发现受到miRNA的作用。miRNA与疾病的关系由于发现miRNA越来越重要的生理作用，人们将越来越多的经历投入到其与人类自身相关的领域中去。miRNA被猜测与众多例如肿瘤等多种疾病的发生具有重要关联，研究表明，人类186条基因中的98条位于与肿瘤相关或附近的基因区域，而且随着近年来的研究发现，生成miRNA基因与癌症[19]、X染色体缺陷[20]、狄乔治综合症[21]等疾病有关，从而更加证明了其与疾病相关联的事实。因为与自身的相关性，人们更倾向于关注miRNA与人类疾病之间的关系。研究表明，在多种肿瘤细胞中，都存在miRNA的非正常表达，这表明miRNA与肿瘤的发生有着密不可分的作用，miRNA的缺失是导致肿瘤发生的一个重要因素，这为人类攻克肿瘤治愈这一难题提出了一个可行的解决方案。在肿瘤相关基因或缺陷位点区域存在了50%的miRNA，这也为miRNA和癌症的关联给出了一个有力的证据。据估算，每个miRNA大概能控制数十个基因的表达，而每个基因的表达也受到多重miRNA的协同调控。研究还表明，每一种特定的癌组织都存在一种特定的miRNA对其起了关键的作用。而对于这种调控的表现各有不同，在特定的肿瘤细胞中，一些miRNA过少的表达，并导致了部分mRNA的翻译得不到抑制，人们有理由相信这些基因就是所谓的致癌基因；而另一些miRNA的表达反而得到了增强，例如miR-17-92，miR-155和miR-21，这样miRNA调控的mRNA的表达就受到了很强的抑制，而这些基因就可能就是所谓的抑癌基因。miRNA与疾病的相关性已经毋庸置疑，人们已经开展了相关的研究，然而其具体机制还有待进一步的挖掘，这包括miRNA结合位点的配对以及多miRNA协同调控的机制，都将是该领域可以深入研究的方向。疾病关联的miRNA预测方法疾病关联的预测方法大致可以分为两类：基于生物实验的方法和基于生物信息学的方法。本节我们将对以上两个领域的方法进行介绍和分析。基于生物实验的方法microRNA表达的鉴定主要依靠以杂交和PCR为主的相关方法。其中杂交方法包括：PAGE/Northern杂交、基因芯片、锁定的核苷酸原位杂交等；而PCR方法主要有microRNA克隆与实时定量PCR两种。对其功能线索的获得则主要依赖于在特定细胞内外源性抑制或表达相应的microRNA基因，再通过报告基因系统验证后检测特定细胞发育过程中的生化或分子变化来实现，并同时利用报告基因系统对microRNA的靶基因进行验证。使用基因芯片、Northernblot、RT-PCR等技术检测microRNA表达水平，挖掘在疾病与正常样本间差异表达microRNA，对差异表达microRNA进行分析，通常可挖掘出疾病诊断、复发、预后等生物学标记；另外，在特定细胞内外源性地抑制或表达某个microRNA来研究microRNA的功能，确认该microRNA失调能否导致疾病的发生、发展。例如，2002年，通过试验方法，首次发现miR-15和miR-16的缺失与慢性淋巴细胞白血病有关系。2005年Lu等人证实microRNA能用于诊断癌症、区别正常细胞和癌细胞、鉴别那些从外形上无法确定的癌细胞。2002年至2009年12月，国内外共发表了1000多篇文章，用生物学实验的方法证实了microRNA的失调能导致多种疾病的发生，例如Yang等人[21]在2007年实验证实miR-1的失调能导致心脏病的发生，Huang等人[22]在2008年证实miR-373及miR-520c的上调能促进乳腺癌的转移。来自俄亥俄州大学的CarloM.Croce博士、意大利Ferrara大学的MassimoNegrini博士和同事分析了人类癌症中另外几类高度保守的非编码RNA的作用[23]。这项研究将使人们对这种分子机制和癌症中改变的信号有新的了解，并且可以意味着有机会确定出新的分子标志物和潜在的治疗药物。通过对正常的和癌症样本进行全基因组分析，研究人员发现基因组极端保守区域（UCR）编码一套特殊的非编码RNA，它们的表达在人类白血病和癌症中发生了变化。这些UCR在不同种间高度保守，尽管它们并不编码蛋白质，但是它们却起到一定功能。抑制过度表达的UCR能够诱导结肠癌细胞发生凋亡。有趣的是，研究人员还确定出了microRNA在与癌症相关的UCR转录调节过程中的一个功能。综合目前对microRNA的了解，这些结果强有力地支持了一个模型，该模型认为人来癌症的发生和晋级过程中，编码和非编码RNA都发生了改变。新研究发现非编码UCR在很多白血病和癌症中在基因组水平上发生改变，并可能与microRNA相互作用。此前，美国Kimmel癌症中心、俄亥俄州大学医学中心和RoswellPark癌症研究院联合进行的一项研究发现[24]，一些microRNA中的差异可以使某些个体易于发生癌症。MicroRNA起到多种生物调节作用，包括发育、细胞分化。但是，当这些分子遭受破坏时，它们能够启动致癌基因或抑制肿瘤抑制基因来促进癌症的形成。MicroRNA表达的模式能够用于分析人类的肿瘤类型。为了分析microRNA是否对癌症风险产生影响，研究人员比较了已知影响癌症敏感性的基因在小鼠染色体上的定位。这项研究的结果公布在5月的《PNAS》杂志上。该研究组证实，总体来说，microRNA在癌症敏感区域中出现的频率是非敏感区的1.5倍。MicroRNA似乎常常出现在小鼠基因组中影响癌症敏感性的位置附近，这意味着microRNA可能是癌症肿瘤敏感基因的一个新家族。敏感基因座（susceptibilityloci）是同一个基因的多种形式。一种形式可能使一个人的癌症风险增加，而另外一种形式则可能赋予一个人对特定类型癌症的抵抗力。研究人员确定出了几种microRNA所在位置附近的DNA序列。该研究组还分析了哪些小鼠表现出对癌症的抗性、哪些对癌症敏感，从而发现7个microRNA的基因序列在两类小鼠中存在差异。而且，其中5种microRNA在它们的推测出的启动子区域发生了变化，而该区域负责启动和调节基因表达的水平。基于生物实验的方法挖掘疾病microRNA，可信度高，但是周期长、花销大、一次实验往往只针对一种疾病