microRNA研究进展及其在动物分子育种中的应用(5)

2025-11-07

结肠癌、乳腺癌、糖尿病以及心血管疾病等相关基因中得到证明,显示出肿瘤中靶标对miRNA调控的逃逸现象.基因3′端突变产生新的miRNA结合位点,可以使基因表达抑制,在mRNA 没有变化的前提下引起蛋白质合成下降.Sandberg 等还报道了在增殖细胞中mRNA 3′UTR保守性的缩短,导致miRNA靶位点减少或丧失,从而逃避miRNA的负调控.靶基因3′端多态性或突变可以解释mRNA 表达未发生变化而蛋白质翻译产生变化的生物学机制,尤其为肿瘤生物学提供了新的研究方向。

8动物靶基因预测

动物中miRNA与其靶基因部分互补配对,导致每个miRNA基因可能会锚定数百个潜在靶标。Griffths等研究将动物miRNA靶向特性分成miRNA-mRNA 配对特性、作用位点特性、保守性、位点的可达性、多结合位点特性和表达谱特性等六类,按与microRNA数字特征分类的相关程度(通常这种关联是间接的),归为数字特征各类,具体为miRNA-mRNA配对特性、作用位点特性、保守性和多结合位点特性等归为E类;位点可达性归为B类;表达谱特性归为F类,类别划分与第1节相同。运用常用动物miRNA靶基因预测工具,依据预测分析方法与某些数字特征是否有关联,进行类别标注,结果见表2。

由表2中靶基因预测工具使用的数字特征分析发现,应用最多是位点的可达性(B 类特征)及miRNA-mRNA相互作用时生物过程中的特征(E类特征);而mirWIP、HOCTAR、TargetMiner预测工具中除了使用B、E特征外使用表达谱数据(F类特征)作为预测靶基因的特征;只有MirTif和EIMMo两个预测工具使用E特征;GenMiR++中使用E类和F类特征。说明在动物miRNA靶基因预测过程中生源论、miRNA-mRNA相互作用等生物过程中特征是靶基因预测关键特征。

9前景展望

从1865 年孟德尔提出遗传规律至今已有148 年的历史,人们已经不再用最直观的表型挑选来对动物进行育种选择,虽然表型挑选可以在某种程度上反映动物的生产性能,但是并不规范,缺乏精确性。动物基因组序列只有2% 左右是编码序列,而有功能的只能占到10%,到目前为止,已经鉴定具有功能的还只是其中的一小部分,还有大量的基因功能未知,并且已经鉴定的QTL 和主效基因还需要进一步的验证。microRNA 作为一种新发现的非编码RNA,通过抑制靶基因的翻译来发挥作用,那么通过对已鉴定出的与动物表型相关的基因进行microRNA 结合位点预测,就能筛选到调控表型的microRNA,从而

在分子层面上对动物育种进行选择。同样,microRNA 单碱基突变形成的SNP 位点与产生的相应表型之间通过关联分析,也可以作为一种分子手段来进行育种选择。甚至在某些动物疾病的研究中,可以通过检测异常表达的microRNA 来对这些疾病进行标记,对以后的疾病预防和治疗也会起到积极的作用。目前,分子育种在生产实践中已经起到了关键的作用,产生了极大的社会效益和经济效益,因此,microRNA 作为分子育种的新手段将会成为21 世纪分子育种的新宠儿,最终推动动物育种的发展。

microRNA 的研究已经深入到生物研究的各个领域和方向,有着非常广泛多样的生物功能,在生物体内对靶基因的表达调控可能和有着重要功能的转录因子一样重要。miRNA的研究重点是找到其相应的功能靶标,而目前来说,大量的有明确功能的靶标还未确定,这就限制了对参与重要表型调控的miRNA的分子机制的深入认识,所以miRNA的具体功能仍旧是个迷。但是,随着基因组学研究的不断进行和深入,大量的microRNA功能靶标将会被确定,到那时基于转录后miRNA基因沉默分子机制的研究将会更加明朗和清晰。

microRNA参与许多生物进程,调控着动物的生长发育,为动物生长及品质调控分子研究奠定了基础,对调控动物肌肉和脂肪组织生长发育、肉品质等具有重要意义。越来越多的microRNA被相继发现,但是其功能的分子机理研究还不完善,对其功能的研究有待更进一步。microRNA在肌肉、脂肪组织相关的疾病中也发挥着调控作用。microRNA可作为肌肉与脂肪相关疾病的诊断标记和治疗目标,可作为潜在的诊断生物标记,为许多疾病的诊断、治疗和预防提供新的思路和手段。

miRNA的加工成熟过程并不是单一线性的,是纷繁复杂的,它具有时空转换性,多水平调节性.从细胞核内转录水平的调控,Drosha关键蛋白的切割(及不依赖Drosha的方式),前体miRNA

出核以及在细胞质中另一个关键蛋白Dicer 的加工成熟(及不依赖Dicer 的方式),这其中每一步都会受到各种调节因子的调控.不同细胞或同一细胞不同状态上述调节因子都会

发生相应改变,最终会导致miRNA产生的时空特异性和动态变化.另外,一些目前未知的因素是否会有可能引起miRNA的时空差异和动态变化还不得而知.譬如,目前体内发现的大量循环miRNA,它们的产生和细胞间转移极有可能引起miRNA的时空差异和动态变化,深入开展这方面的研究,也许会使miRNA的时空变化更丰富多彩.充分认识到miRNA及其靶标的时空特异性及其动态变化,探索相关机制对于开展miRNA的研究非常重要,它能使我们更客观地理解miRNA的生物学作用及其调控网络的复杂性,也应是今后miRNA研究的重要方向之一。

1 microRNA 的发现及合成过程

1993 年,Lee 等对秀丽隐杆线虫的早期发育进行遗传筛选时,发现了一种不编码蛋白质的基因:lin-4。lin-4 并不编码蛋白,但能够产生一对小的RNA。后来,人们认识到lin-4是一类丰富的小的调控RNA 的一员,即所谓的microRNA。microRNA 是一类长约21-23 个核苷酸的非编码单链RNA 分子,作用于靶基因的3' 非编码端,抑制靶模板RNA(mRNA)的翻译,或使其降解来发挥作用,在干细胞的更新、分化、细胞周期和细胞凋亡等生物学进程中,都发挥重要的调控作用。microRNA 成熟之前要经历一系列的改变,经典的microRNA 合成途径是,首先在细胞核内microRNA 表现为较长的RNA 聚合酶Ⅱ(polⅡ)的转录产物—初级微小RNA(pri-microRNAs),大约50%的microRNA 具有自己的启动子,另一半则存在于编码或非编码区的内含子或外显子中。pri-microRNA 由上千个核苷酸组成,并具有发卡状茎环结构,而microRNA 就包含在pri-mRNA 的发卡状茎环结构中,当pri-microRNA 合成后,它的发卡状结构立刻被剪切下来成为pre-microRNA。这个过程是在细胞核中进行的,由核糖核酸酶Ⅲ型蛋白Drosha进行,且需要辅因子DGCR8

(Di-George syndrome critical region gene 8)的参与,Drosha与DGCR8 共同组成微处理器复合体。下一步,pre-microRNA 经Ran-GTP 依赖性核浆转运子、转运蛋白Exporting-5 转运到细胞质中,并且此过程中其序列和结构的完整性得到保护。在转运到细胞质中后,转运复合体去磷酸化,GTP 转变成GDP,从而释放pre-microRNA,然后由另一种RNaseⅢ—Dicer 酶把pre-microRNA 剪切为小的双链RNA(dsRNA),双链中的一条为成熟的microRNA,另一条则为它的互补链。然后下一步加工过程将用到TRBP (Transactivation responseRNA-Bindng domain)。它能够与dsRNA结合域结合然后富集阿古尔蛋白(Ago2),Ago2 是RISC(RNA induced Silencing Complex)的主要组成部分。RISC 的作用是选择性结合两条链中5' 端热力学稳定性最差的那一条,那么这条链即为成熟的microRNA,另一条则为互补链。互补链没有结合RISC,因此在体内应是趋向于降解的,但是microRNA 文库法检测不同组织中的microRNA 时,仍能检测到这条互补链。Ro 等对小鼠和人的969 个microRNA 进行分析时证实,其中有117 个是互补链,说明也可能存在双链的microRNA。而且不论是成熟的microRNA,或者它的互补链,都具有组织特异性,如miR-30e-3p 在胃组织中富集,而它的互补链miR-30e-5p 则在胰腺组织中含量丰富。

2 microRNA 的生物学作用及机制

随着microRNA 表达谱芯片、生物信息学技术等新技术的应用,越来越多的microRNA 在动植物甚至病毒中被发现。新版本的miR Base 20.0 数据显示,microRNA 发夹前体序列已升至24 521 条,成熟microRNA 序列升至30 424 条。小鼠成熟的microRNA 新增至1 908 条,大鼠成熟的microRNA 新增至728 条,人类成熟的microRNA 则新增至2 578 条。microRNA 在动植物的生命过程中起着重要的调控作用。Palatnik等证实,miR-Jaw 控制植物叶和其他细胞分裂。Millar 等证明,miR-159 在拟南芥中通过调控MYB33 和MYB65 两种转录基因,调节植物的生殖发育。mir-164 通过对靶基因CUP SHAPED


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