|
  
- 积分
- 97
- 威望
- 97
- 包包
- 3142
|
微RNA：防止混乱的卫士5 B- T- K0 h/ e. T: l
3 Y/ `: G! M& S0 F/ ]
Anthony K.L. Leung and Phillip A. Sharp: h# U8 o/ d" C
2 G" B1 {& v5 W7 G' N
Cell 130, 581—585, August 24, 2007
7 m! j. S/ K9 l/ o7 E0 e6 j1 N3 X+ d! _9 c1 J4 ?# q3 V
0 G8 e- k! W% F
- T5 m F9 m2 s8 o3 L8 ] 目前的数据表明，微RNA(miRNA)除了在发育中起作用，也在各种应力响应中起作用。令人惊讶的是，通常抑制靶转录产物表达的miRNA可以成为应力过程中的基因表达激活因子。这种现象可部分地通过miRNA/Argonaute复合物与RNA结合蛋白的相互作用来解释，来自各种亚细胞区室的这类RNA结合蛋白在应力过程中重新定位。6 X" x9 e3 b T+ t0 ~
7 q# k4 b r4 F* @% ~: I6 b
7 f% e1 M& X! T s
' F' i, f6 z# ~4 E. ?/ k, A2 \8 N5 mmiRNA和应力, z# n9 j& J5 K- U& b
1 m8 \1 \( t) r' M: p, ^# Y/ ^
细胞经常遇到应力，如能量和氧的暂时性减少、盐的不平衡或遭遇紫外辐射。此外，癌细胞也经常处于应力中，如缺氧和营养缺失，在硬肿瘤的不良血管核中尤其如此。最近一类称为微RNA(miRNA)的~22核苷酸非编码RNA已卷入细胞对氧应力、营养缺失、超负荷的心脏压力、DNA损伤和原癌应力的响应中。特定miRNA的遗传敲除使突变的动物无法应对这些应力。
% \: s: h/ H d# O
, X: d6 F2 Q+ Z9 x* Y 为了响应应力，细胞通过改变其基因表达程序进行适应。可以通过一类信使RNA(mRNA)的转录上调来达到此目的。我们在此讨论为miRNA编码的转录产物的上调如何对一类相关基因进行辅助调节，这种调节是因为miRNA可以与多种靶标结合（据认为在哺乳动物细胞中，约350个miRNA可调节全部基因中的25%）。另一种可能性是，可通过调节选择性地翻译某些mRNA，停止对另一些mRNA的翻译，来影响细胞的应力适应性。特定mRNA在应力及后应力过程中的翻译能力和稳定性取决于由转录产物编码的特定信号。由于miRNA也能调节多种靶转录产物的翻译和稳定性，我们提出在应对各种应力时，miRNA起重要的调节作用。0 t. _8 H; f& d* h
' u9 r3 r. K& [( x# S/ t2 LmiRNA的转录和相关基因的辅助调节3 J; d& A j4 T' ~
$ A. x9 v/ J' w* E6 O2 D Q$ }# Q
几乎所有miRNA都是通过与靶mRNA 3’ UTR的部分互补结合来调节靶mRNA，这种结合是miRNA与mRNA 3’ UTR 5’端的第二到第八核苷酸有关键性碱基配对。因此一个miRNA识别多个靶标。更重要的是，miRNA可以协调为有相关功能的蛋白质编码的基因。例如，肝专一性的miR-122可以调节多个与胆固醇和脂肪酸代谢有关的基因。细胞通过上调某个miRNA，也许可以在对环境应力响应时，专一性改变多个靶mRNA的表达。在有DNA损伤或原癌应力时，肿瘤抑制蛋白p53确实可以激活miR-34a的转录，这可进一步调节细胞周期和DNA损伤响应基因的表达程序，防止细胞不正常增殖。由于相同原因，转录因子HIFα有选择地诱导几个miRNA的表达，增加在缺氧环境中致癌细胞的存活。事实上已经广泛观察到这种应力诱导的miRNA上调。例如，硫和磷等植物营养物质的缺失分别导致miR-395和miR-399表达的上升，这两种miRNA共同抑制植物无机离子转运蛋白和营养吸收酶的表达。与调节一组共同基因的原核生物的操纵子和真核生物的转录因子类似，单个miRNA在对应力响应时，有可能通过转录后调节方式，对多种有相关功能的mRNA进行调节。
U/ E4 y9 [4 C/ v3 T3 T3 V
* {, P) ], K3 x F& {miRNA在响应应力时调节变化模式 X/ |3 o. p% \! J: @& j3 o
, Y' T3 p$ d; n# G# j) {
在应对应力时并不是所有的miRNA表达水平都有变化。例如，尽管心脏专一性miR-208在超负荷的心脏向扩大的心血管输出而进行重塑时有不可替代的作用，但它的表达保持不变。这表明miRNA的调节模式可能随应力而改变。微RNA通过关键蛋白Argonaute进行翻译抑制或mRNA降解。有趣的是，与Argonaute稳定结合的蛋白之一Hsp90对应力敏感，它与Argonaute的稳定性有关，尽管在有应力时这种结合是否改变还有待研究。另一方面，与miRNA调节有关的蛋白也许会以一种应力专一性方式进行翻译后修饰。在其他重要的基因表达调节因子中已观察到有这种方式。例如，转录因子HIFα的脯氨酸羟基化取决于细胞外氧的水平。这里我们触及最近发现的Argonaute对应力起变化的两个方面：miRNA结合位点的可接触性和邻接分布。我们发现在有应力时，所有Argonaute家族成员(Ago1—4)都有细胞中的重新定位。最近也有人展示了在细胞处于血清饥饿或氨基酸饥饿时，Argonaute与其他RNA结合蛋白的结合可将通常为抑制性的miRNA转换为靶标的激活因子。
) y) F9 z9 z* c3 U; \' g2 _1 R: V/ N4 A2 m& I& @ n' H5 A% L" x3 v
可接触性
# O- i6 ^; t: ?: j1 E, r: n6 @ h9 r7 T
大多数天然miRNA位于细胞质，并在细胞质中与靶转录产物碱基配对，抑制翻译或诱导mRNA降解。尽管大多数Argonaute和miRNA通过扩散分布在细胞质中，但也有一部分位于特定的细胞结构中。这些结构可能含有有局部浓度的、可与起调节作用的miRNA复合物接触的因子。在无应力影响的细胞中，Argonaute和miRNA位于扩散的细胞质中，只有很少一部分位于加工体中（PB或其变种GW体）。然而，当暴露在应力刺激（如氧应力）时，另有一部分Argonaute和miRNA进入新组装的称为应力颗粒(SG)的结构中。
" x* Y. V- P5 V7 e$ e: g; K6 L* w1 ~6 q5 r
在低血糖、病毒感染、盐应力、UV辐射或缺氧过程中，当翻译起始被抑制时，与停滞的40S核糖体结合的poly(A)+ mRNA在SG位点累积。由翻译起始因子eIF2α的磷酸化启动的SG组合结构，一般在不同的环境应力激活不同的eIF2α激酶（如PKR, HRI, PERK和GCN2）时形成。因此各种应力条件也许也能启动Argonaute、miRNA及其靶标一起在SG中定位。重要的是，尽管SG的结构相当稳定，但在应力解除时，这些结构也解离。此外，位于SG中的因子持续地在SG和细胞质之间往复运动（例如，在SG中的50%的Argonaute可在20秒内被置换）。因此这些细胞器结构在对环境变化响应时可迅速解离。* z* F5 q0 u% ^, E* [- ^
p5 |- _% B5 b 重要的是，Argonaute在SG中的定位需要有miRNA的存在，这说明Argonaute通过与miRNA的结合进入SG。因此由此产生的与其他在应力时也进入SG的组分的共定位可以为调节miRNA靶标的性质提供新机会。例如，mRNA结合蛋白，如TIA-1, TIAR, FXRI, HuR, p54/rck, Staufen, CPER和2BP-1，在应力条件下也可进入SG。已知在正常和有应力的条件下，这些SG组分也可调节mRNA翻译或转换。值得注意的是，上述因子中的一部分，包括FXR1, HuR, p54/rck和TTP，可以与Argonaute结合，尽管还没有精确测定这种结合是否依赖于桥接的mRNA序列。这些潜在的新相互作用可能在SG中导致已有的Argonaute结合复合物的重排，因此可能改变miRNA靶标的稳定性或翻译能力。
; g3 X- S( B( [! G" T0 S9 t- E# s: c% |
目前认为，在细胞处于应力中时，SG是mRNA分类和mRNP重塑的位点。这将导致某些mRNA在SG储存或沉默，而另一些mRNA则转移到PB，进行降解。尽管poly(A)+ mRNA到SG的定位是非专一性的，但是在应力过程中，一类与SG专一性蛋白质（如ZBP1）结合的mRNA可优先得到稳定。在有应力时，Argonaute/miRNA是否也能影响转录稳定性还有待测定，但已知在无应力的细胞中，它能下调一些miRNA靶标的稳定性。miRNA对其mRNA靶标的活性取决于miRNA和mRNA的相对浓度。如果在有应力时，靶标mRNA的相对浓度有差额变化，已有的miRNA库可能会短暂与不同的靶标结合。更重要的是，在应力过程中miRNA与其靶标的结合，不一定总是产生抑制，也可能导致激活。
2 Z* S. V1 J' T% b
$ V& m. {/ K! p- k# n邻接
/ F$ W$ n) Z- c9 |% g' O; E
% u; Z) o$ l+ e2 [- X D9 R Bhattachary等以及Vasudevan和Steitz证实，在应力过程中，还另有一个调节miRNA功能的特征：在靶mRNA中，一个与miRNA结合位点相邻的并被占据的RNA结合蛋白位点是必要的。例如，ELAV RNA结合蛋白家族成员之一HuR和易损X蛋白FXR1都是Argonaute介导的miRNA上调所必需的，如果将其敲除，会阻止上调。然而，对相邻蛋白质结合位点的需要并不只限于miRNA介导的上调。例如在蠕虫中，基础miRNA之一let-7，在其靶转录产物lin-41中的两个保守的miRNA结合位点之间必须有一个27核苷酸的间隔，以便对该基因下调。这个间隔区不能用相同长度的其他序列来置换，这说明它可能含有其他RNA结合蛋白位点。遗传数据表明，保守的Puf蛋白家族的一个成员（它与3’ UTR的特定RNA调节单元结合），在蠕虫发育过程中可抑制包括lin-41在内的let-7靶标。Jing等也报道，miR-16对TNFα的负调节，不仅需要miRNA与Ago2/4结合，而且需要RNA结合蛋白tristetraprolin(TTP)与邻近的富AU单元(ARE)结合。这些数据表明，Argonaute家族成员为了调节miRNA的功能，常常需要与其他RNA结合蛋白相互作用。6 W9 w" V; Q# k1 {2 r* x" o
+ ]+ M- f1 T7 F' c
外部刺激怎样将一个通常为抑制性的miRNA转换成一个激活因子？有趣的是，象TTP和HuR等许多ARE结合蛋白主要位于细胞核，在响应细胞外刺激时才重新分布到细胞质。另一方面，大多数miRNA及其核心结合蛋白Argonaute存在于细胞质。因此，细胞质是上述RNA结合蛋白调节与miRNA有关的功能的共同场所。限定对某些细胞状态起响应的核质穿梭RNA结合蛋白在细胞质中的量，可以调节miRNA的靶标。例如，受AMP激活的激酶可抑制HuR向细胞质的转运。激酶活性受细胞外AMP-ATP比例的调节。可降低AMP:ATP比例的细胞应力，如UV辐射，可增加HuR向细胞质的转运，而由低血糖和丢失生长因子引起的简单ATP去除没有这种作用。另一方面，依赖于信号的翻译后修饰可以激活已经位于细胞质中的RNA结合蛋白。例如，TPP需要至少一个在C末端丝氨酸残基上的磷酸化，才能与帮助其细胞质定位的支架蛋白14-3-3结合。此外，在有应力时，miRNA、Argonaute和一组RNA结合蛋白可定位于SG等特定结构中，从而可以为miRNA的独特功能创造一个特定场所。值得注意的是，SG也含有可调节各种细胞信号传导途径的蛋白（如TRAF2, roquin,、斑菲素蛋白1和3、DISC-1）。这种对miRNA和RNA结合蛋白的共同需要可提供一个极大地改变转录体和蛋白质组的机制，这种机制也同时具有专一性。miRNA结合位点可提供靶标专一性，其他的3’ UTR结合位点可通过与信号传导途径偶联传感细胞状态。与一个同步探测器一样，只有在miRNA和RNA结合蛋白同时与3’UTR结合时，miRNA靶标才能得到级差式上调。: { R* T9 b. ]9 i
J' j, Y: h5 g$ V
微RNA：基因表达的卫士( @+ {: ~0 C* `4 x) K* {
) z Q. @. y! y4 Y u! a- b5 P9 V5 o 当miRNA不足时，其靶标会有错误调节，导致生物无法很好地应对环境变化。例如，果蝇缺少miR-14会导致果蝇对盐不平衡更为敏感；小鼠的心脏在经受心动应力重塑时，需要有心脏专一性miR-208。这些表型可以通过由于缺少特定的miRNA而导致缺少应对特定应力的一个或多个主调节因子来解释。另外的解释是，这些表型可能是miRNA靶标的少量错误调节的累积，或一个受到协调的基因的表达程序（如果该靶标具有相关功能）的少量错误调节的累积。已有人表明几个重要的内源miRNA靶标可在相对适当的水平（1到2倍）被抑制。这类例子包括由miR-208调节的转录激活因子THRAP1和由let-7调节的信号传导蛋白Ras。因此，miRNA的调节作用可能并不出现在正常生理条件下，而是在生物应对环境应力变化时表现出不可替代的作用。成年鼠在没有受到应力时，对缺失miR-208没有明显表型，可以证明这一点。- J" J9 y6 }2 Z! ~& L
$ k4 k* M7 y- N& X/ b5 @ 微RNA有几个特殊性质，使它们成为在应力过程中保护生物的理想侯选者。首先，miRNA在总体上调节基因翻译成产物的最后步骤，即miRNA控制大量在经受应力之前就已存在的靶mRNA的稳定性和翻译。因此，当应力状况停止时，细胞可以立即有序地开始多种正确的过程，从而提高细胞的存活。第二，miRNA可以调节基因表达的上升或下降，这取决于miRNP与其他RNA结合蛋白的结合。第三，由于miRNA对互补性的要求相对较低，一个miRNA可与多个转录产物结合，因而在应力过程中可以转换靶标。, J, ?3 b# I8 A" A, I- T0 i8 W3 k" d
" [# Y' p2 q7 S% ^9 h% c
癌症、应力和miRNA调节6 {% |8 X- C5 P5 |8 q1 f
) {7 L* ?, `$ N8 U9 @ 肿瘤细胞经受各种应力，如缺氧、营养缺失，当然也包括在病人治疗期间要经受辐射和化疗化合物的处理。如果miRNA调节是应力响应的重要方面，那么有关这种调节的分子机制的知识也许能帮助鉴定药物的靶标，提高癌症治疗效率。这并不是过于牵强附会，因为用类似的逻辑已鉴定出热激蛋白Hsp90可作为未来肿瘤药物的实际靶标。相对于正常细胞，肿瘤细胞受miRNA控制的途径可能有某些特殊变化，这可用来专一性地杀死肿瘤。
$ s, ~9 v/ r7 ~4 ?# R) {' E, k* ?) W9 G6 ~- C2 G" E
结论
5 N( k6 ^) \% U3 [6 W A
8 e! x2 c7 c2 S5 ]+ S% C! z1 ~! ? 在mRNA 3’ UTR中靶位点的保守性充分说明，miRNA调节动物全部基因中的很大一部分的表达（大于动物基因的25%）。许多靶位点在控制对应力的响应中可能很重要，但是在正常条件下也许是非必需的。与miRNA默认的表面上的沉默模式相反，在应力过程中，miRNA可以激活基因表达。进一步的研究应更清楚地阐明，在存在应力时miRNA在调节基因表达和促进生存中的重要性。$ Q" B+ t3 H t3 n9 r
7 v0 M' O* P$ w1 \( @: ?
本文转自建人先生原创，感谢 |
|
发表于 2009-4-28 21:26
发表于 2015-5-22 16:35
