学院生命科学学院生物科学专业.docx

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学院生命科学学院生物科学专业

学院：

生命科学学院生物科学专业

班级：

0701

姓名：

段青

学号：

2007114010105

REVIEW综述

Manyroadstomaturity:

许多到期之路：

microRNAbiogenesispathwaysandtheirregulation小分子RNA生物合成途径及其调控

JuliaWinter1,3,StephanieJung1,3,SarinaKeller1,RichardI.Gregory2andSvenDiederichs1,4

MicroRNAsareimportantregulatorsofgeneexpressionthatcontrolbothphysiologicalandpathologicalprocessessuchasdevelopmentandcancer.Althoughtheirmodeofactionhasattractedgreatattention,theprinciplesgoverningtheirexpressionandactivityareonlybeginningtoemerge.RecentstudieshaveintroducedaparadigmshiftinourunderstandingofthemicroRNAbiogenesispathway,whichwaspreviouslybelievedtobeuniversaltoallmicroRNAs.MaturationstepsspecifictoindividualmicroRNAshavebeenuncovered,andtheseofferaplethoraofregulatoryoptionsaftertranscriptionwithmultipleproteinsaffectingmicroRNAprocessingefficiency.HerewereviewtherecentadvancesinknowledgeofthemicroRNAbiosynthesispathwaysanddiscusstheirimpactonpost-transcriptionalmicroRNAregulationduringtumourdevelopment.

小分子RNA是作为控制生长和癌症等生理和病理过程中基因表达的重要调节物。

虽然他们的行为模式已引起高度重视，但控制它们表达和活动的原理才刚刚开始出现。

最近的研究提出了在我们的理解范围内的微RNA合成途径的转变模式，这是过去所认同的所有小分子RNA。

针对个别小分子RNA的成熟步骤已被破获，这些为转录多种蛋白质后提供了很多影响小分子RNA处理效率的监管办法。

在这里，我们回顾小分子RNA生物合成途径知识的最新进展，并讨论其在肿瘤发展过程中对转录后小分子RNA调控的影响。

MicroRNAs（miRNAs）areshort（20–23-nucleotide）,endogenous,single-strandedRNAmoleculesthatregulategeneexpression1.MaturemiRNAsandArgonaute（Ago）proteinsformtheRNA-inducedsilencingcomplex（RISC）,aribonucleoproteincomplexmediatingpost-transcriptionalgenesilencing2–5.Complementarybase-pairingofthemiRNAguidesRISCtotargetmessengerRNAs,whicharedegraded,destabilizedortranslationallyinhibitedbytheAgoprotein6,7.

小分子RNA（miRNA的）短（20-23-核苷酸），内源性，单链RNA分子，expression1的调节基因。

成熟miRNAs与Argonaute（Ago）proteins形成RNA诱导沉默复合物（RISC），是一种介导沉默基因转录的核蛋白复合体2-5。

碱基互补性的miRNA引导RISC面向信使RNA，这是由Ago蛋白引起的退化，不稳定或翻译后抑制6，7。

ProteomicstudieshaverecentlyuncoveredthebroadimpactofasinglemiRNAonhundredsoftargets8,9.ManycellularpathwaysareaffectedbytheregulatoryfunctionofmiRNAs;themostprominentofthesepathwayscontroldevelopmentalandoncogenicprocesses10–20.Notably,miRNAprocessingdefectsalsoenhancetumorigenesis21.AlthoughinsightsintotheregulatoryfunctionofmiRNAsarebeginningtoemerge,muchlessisknownabouttheregulationofmiRNAexpressionandactivity.Recently,evidenceforpost-transcriptionalcontrolofmiRNAactivityhasbeenaccumulating22–26.

蛋白质组研究最近发现了单一miRNA对于数百种靶标的广泛的影响8，9。

许多细胞途径都受到了miRNA调节功能的影响，其中最突出的三条途径控制发展和致癌过程10-20。

值得注意的是，miRNA的加工缺陷也提高肿瘤发生21。

虽然对于miRNAs调节功能的见解已开始出现，但对miRNA的表达及活性调节却知之甚少。

最近，miRNA的转录后控制活动的证据正在增加。

IncontrasttothelinearmiRNAprocessingpathwaythatwasinitiallythoughttobeuniversalforthebiogenesisofallmaturemiRNAs（Fig.1）,multiplediscoveriesledtotherecognitionofmiRNA-specificdifferencesthatopenaplethoraofregulatoryoptionstoexpressandprocessindividualmiRNAsdifferentially.HerewereviewtherecentprogressmadeinelucidatingthecomplexityofmiRNAprocessingandpost-transcriptionalregulation.Althoughwefocuspredominantlyonthemammaliansystem,relatedinformationobtainedfromothermodel

systemsincludingthefruitflyDrosophilamelanogaster,thenematodeCaenorhabditiselegansandtheplantArabidopsisthalianawillalsobepresentedwhereapplicable.

相对于线性miRNA的加工途径，最初认为是对所有成熟的miRNA的生物合成普遍的（图1），多发现其导致了对于miRNA特异性差异的认可，这打开了一套多样的表达和处理个体miRNA的差异的监管方案。

在这里，我们回顾最近在阐明miRNA的处理的复合体性和转录后调控规律方面取得的进步。

虽然我们把重点主要放在哺乳动物系统，但从包括果蝇线虫和拟南芥植物等模式系统获得的相关信息也将在适当地方得到呈现。

Earlysteps:

microRNAprocessinginthenucleusTranscriptionofthepri-miRNA.miRNAgenesaretranscribedbyeitherRNApolymeraseIIorRNApolymeraseIIIintoprimarymiRNAtranscripts（pri-miRNA）27–29.Manypri-miRNAsarepolyadenylatedandcapped—hallmarksofpolymeraseIItranscription.TheirtranscriptionissensitivetotreatmentwiththepolymeraseIIinhibitorα-amanitin,andpolymeraseIIbindstopromotersequencesupstreamofthemiR-23a/miR-27a/miR-24-2cluster27,28.Incontrast,miRNAsencodedbythelargesthumanmiRNAcluster,C19MC,aretranscribedbypolymeraseIII29

早期步骤：

微RNA在细胞核中加工，翻译pri-miRNA,miRNA基因在RNA聚合酶II或RNA聚合酶III的催化作用下，被转录成初级miRNA副本（pri-miRNA的）27-29。

许多pri-miRNA是呈多聚腺苷酸态的，并且是聚合酶II催化转录的上限标志。

它们的转录对于治疗聚合酶II抑制剂α-鹅膏蕈碱是敏感的，并且聚合酶II结合上游miR-23a/miR-27a/miR-24-2cluster27，28启动子序列。

相比之下，人类最大的miRNA的集群，C19MC编码的miRNA，是由聚合酶III29转录的。

BothRNApolymerasesareregulateddifferentlyandrecognizespecificpromoterandterminatorelements,facilitatingawidevarietyofregulatoryoptions.ExpressionofselectedmiRNAsisunderthecontroloftranscriptionfactors,forexamplec-Mycorp53（refs17,19）,ordependsonthemethylationoftheirpromotersequences30–32.Inaddition,ithasbeenshownthateachmiRNAlocatedinthesamegenomicclustercanbetranscribedandregulatedindependently33.However,controlsofmiRNAtranscriptionstepsarenotnecessarilyuniversal34,35,andregulatorymech-anismsatthetranscriptionallevelarebeyondthescopeofthisreview.

两种RNA聚合酶受不同机制的调节，并识别特定启动子和终止元素，促进了多种调控选择。

选定的miRNA的表达受转录因子控制，例如c-Myc基因或p53（参17，19），或依赖于其子序列30-32的甲基化作用。

此外，它已表明，位于相同基因簇的每个miRNA能被33独立的转录和调控。

然而，miRNA转录步骤的控制不是普遍必需的34,35，转录水平的监管机制已超出了本综述的范围。

microRNAediting.RNAeditingofprimarytranscriptsbyADARs（adenosinedeaminasesactingonRNA）modifiesadenosine（A）intoinosine（I）.Becausethebase-pairingpropertiesofinosinearesimilartothoseofguanosine（G）,A-to-IeditingofmiRNAprecursorsmaychangetheirsequence,base-pairingandstructuralpropertiesandcaninfluencetheirfurtherprocessingaswellastheirtargetrecognitionabilities.Severalexamplesofediting-mediatedregulationofmiRNAprocessinghavebeendescribed（seeBox1）.

RNA编辑的初级转录本由ADARs（RNA的作用腺苷deaminases）将腺苷（A）修改成肌苷（I）。

由于肌苷的碱基配对与鸟苷（G）的相似，A到ImiRNA前体的编辑可能会改变它们的序列，碱基配对及结构特性，并影响他们更深层次的加工以及他们的目标识别能力。

有几个编辑介导miRNA加工调控的例子曾有人描述过了（见专栏1）。

1Helmholtz-University-Group‘MolecularRNABiology&Cancer’,GermanCancerResearchCenter（DKFZ）andInstituteofPathology,UniversityofHeidelberg,B150INF581,D-69120Heidelberg,Germany.2StemCellProgram,Children’sHospitalBoston,DepartmentofBiologicalChemistryandMolecularPharmacology,HarvardMedicalSchool,HarvardStemCellInstitute,Boston,Massachusetts02115,USA.3Theseauthorscontributedequallytothework.4CorrespondenceshouldbeaddressedtoS.D.（e-mail:

s.diederichs@dkfz.de）

1亥姆霍兹大学组'分子RNA生物学与癌症'，德国癌症研究中心（DKFZ）和病理学研究所，海德堡大学，B150INF581，D-69120海德尔堡，德国。

2干细胞研究项目，波士顿儿童医院，生物化学与分子药理学，哈佛医学院，哈佛干细胞研究所，波士顿，马萨诸塞州02115，美国。

3这些作者对这项工作有同等的贡献。

4来信请寄S.D.（电子邮箱:

s.diederichs@dkfz.de）

Figure1The‘linear’canonicalpathwayofmicroRNAprocessing.ThemiRNAprocessingpathwayhaslongbeenviewedaslinearanduniversaltoallmammalianmiRNAs.ThiscanonicalincludestheproductionoftheprimarymiRNAtranscript（pri-miRNA）byRNApolymeraseIIorIIIandcleavageofthepri-miRNAbythemicroprocessorcomplexDrosha–DGCR8（Pasha）inthenucleus.Theresultingprecursorhairpin,thepre-miRNA,isexportedfromthenucleusbyExportin-5–Ran-GTP.Inthecytoplasm,theRNaseDicerincomplexwiththedouble-strandedRNA-bindingproteinTRBPcleavesthepre-miRNAhairpintoitsmaturelength.ThefunctionalstrandofthematuremiRNAisloadedtogetherwithArgonaute（Ago2）proteinsintotheRNA-inducedsilencingcomplex（RISC）,whereitguidesRISCtosilencetargetmRNAsthroughmRNAcleavage,translationalrepressionordeadenylation,whereasthepassengerstrand（black）isdegraded.Inthisreviewwediscussthemanybranches,crossroadsanddetoursinmiRNAprocessingthatleadtotheconclusionthatmanydifferentwaysexisttogenerateamaturemiRNA.

图1小分子RNA加工的'线性'规范途径。

miRNA的加工途径长期以来被视为线性的并普及到所有哺乳动物miRNA。

本规范包括由RNA聚合酶II或III介导的初级miRNA（PRI-miRNA）副本产物和由细胞核中的微处理器复合物Drosha–DGCR8（Pasha）介导的pri-miRNA的裂解。

由此产生的前体发夹，即前miRNA，是由Exportin-5–Ran-GTP介导输出细胞核的。

在细胞质中，由双链RNA结合蛋白TRBP构成的复合体物核糖核酸酶Dicer诱导前miRNA发夹裂开到其成熟长度。

成熟miRNA的功能链与Argonaute（Ago2）蛋白一起被加载到RNA诱导沉默复合体（RISC）上，在那里通过mRNA的切割，翻译抑制或脱腺苷化作用后引导RISC到沉默靶mRNA，然而passenger链（黑）是退化的。

在这篇综述中，我们讨论了许多分支，在得出miRNA加工结论方面走了很多弯路，这一结论是：

产生一个成熟的miRNA存在许多不同的方式。

pri-miRNAcleavagebytheDrosha–DGCR8microprocessorcomplex.Thepri-miRNAisnextendonucleolyticallycleavedbythenuclearmicro-processorcomplexformedbytheRNaseIIIenzymeDrosha（RNASEN）andtheDGCR8（DiGeorgecriticalregion8）protein（alsoknownasPasha（PartnerofDrosha）inD.melanogasterandC.elegans）36（Fig.2a）.DGCR8/Pashacontainstwodouble-strandedRNA-bindingdomainsandisessentialformiRNAprocessinginallorganismstested37–40.

由Drosha-DGCR8微处理器复合体介导的pri-miRNA的分裂。

前miRNA由附近的核糖核酸酶IIIDrosha（RNASEN）和DGCR8（DiGeorgecriticalregion8）蛋白（在D.果蝇和C.线虫中也称为Pasha（PartnerofDrosha））组成核微处理器复合体进行旋光切割（图2a）36。

DGCR8/Pasha含有两个双链RNA结合域，并且对于所有被测有机体的miRNA加工是必不可少的37-40。

Anaveragehumanpri-miRNAcontainsahairpinstemof33base-pairs,aterminalloopandtwosingle-strandedflankingregionsupstreamanddownstreamofthehairpin.Thedouble-strandedstemandtheunpairedflankingregionsarecriticalforDGCR8bindingandDroshacleavage,buttheloopregionorthespecificsequencesarelessimportantforthisstep41–43.AsinglenucleotidepolymorphisminamiRNAprecursorstemcanblockDroshaprocessing44.Nevertheless,manymiRNAsequenceaberrationsobservedinhumantumoursalterthesecondarystructurewithoutaffectingprocessing,andrevealthestructuralflexibilityofthemicroprocessor34.

正常人pri-miRNA包含一个由33个碱基对组成的发夹干，一个终端环路和两个位于发夹干上游和下游的单链侧翼区。

双链茎和未成对侧翼区对于DGCR8的约束和Drosha的切割是至关重要的，但循环区和特定序列对于这一步是次要的41–43。

位于miRNA前体干细胞的单核苷酸多态性可以阻止Drosha加工44。

然而，许多在人体肿瘤中发现的二级结构的改变引起的miRNA序列畸变不影响加工过程，从而揭示了微处理器的结构灵活性34。

ThetwoRNasedomainsofDroshacleavethe5´and3´armsofthepri-miRNAhairpin39,whereasDGCR8directlya