《自然》首次發現miRNA影響基礎信號傳導

來自意大利帕多瓦大學生物組織學和胚胎學部，微生物與醫學生物技術系，美國路易斯安那州大學健康科學中心（LSU Health Sciences Center）的研究人員發現microRNAs可以影響早期脊椎動物胚胎形成模式中的關鍵事件。這一首次發現miRNAs調控基礎信號放大過程。這一研究成果公布在《Nature》在線版上。

研究由意大利帕多瓦大學的Graziano Martello領導完成，他也是爪蟾（Xenopus laevis）總microRNAs的第一位發現者——Xenopus laevis的小RNAs通過結合到mRNA上抑制基因的表達，并且當注射入胚胎的時候會抑制Nodal活性。

原文檢索：
Nature advance online publication 29 August 2007 |
doi:10.1038/nature06100; Received 5 February 2007; Accepted 18 July 2007; Published online 29 August 2007
MicroRNA control of Nodal signalling
[Abstract]

RNA沉默是存在于生物中的一種古老現象, 是生物抵抗異常DNA(病毒、轉座因子和某些高重復的基因組序列)的保護機制, 同時在生物發育過程中扮演著基因表達調控的角色，它可以通過降解RNA、抑制翻譯或修飾染色體等方式發揮作用。

RNA沉默存在兩種既有聯系又有區別的途徑: siRNA(small interference RNA)途徑和miRNA(microRNA)途徑。siRNA途徑是由dsRNA(double-stranded RNA)引發的, dsRNA被一種RNaseⅢ家族的內切核酸酶(RNA- induced silencing complex, Dicer)切割成21~26 nt長的siRNA, 通過siRNA指導形成RISC蛋白復合物(RNA-induced silencing complex)降解與siRNA序列互補的mRNA而引發RNA沉默。而miRNA途徑中miRNA是含量豐富的不編碼小RNA(21~24個核苷酸), 由Dicer酶切割內源性表達的短發夾結構RNA(hairpin RNA, hpRNA)形成。miRNA同樣可以與蛋白因子形成RISC蛋白復合物, 可以結合并切割特異的mRNA而引發RNA沉默。盡管引發沉默的來源不同, 但siRNA 和miRNA 都參與構成結構相似的RISC, 在作用方式上二者有很大的相似性。

微小RNA (microRNA，簡稱miRNA)是生物體內源長度約為20－23個核苷酸的非編碼小RNA，通過與靶mRNA的互補配對而在轉錄后水平上對基因的表達進行負調控，導致mRNA的降解或翻譯抑制。到目前為止，已報道有幾千種miRNA存在于動物、植物、真菌等多細胞真核生物中，進化上高度保守。在植物和動物中，miRNA雖然都是通過與其靶基因的相互作用來調節基因表達，進而調控生物體的生長發育，但miRNA執行這種調控作用的機理卻不盡相同。

1993年，首次在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)中發現microRNAs，現已證實，miRNA 廣泛存在于真核生物細胞內，是最大的基因家族之一，大約占到整個基因組的1%，在精細調控基因表達及生物生長發育過程方面發揮著重要作用。任何miRNAs的失調都會導致細胞調控事件的劇變。最近研究表明，miRNA在生物體內的多樣化調控途徑中扮演著關鍵性角色，包括控制發育進程、細胞分化、細胞凋亡、細胞分裂以及器官的發育。miRNA與其靶分子組成了一個復雜的調控網絡，如某一特定的miRNA 可以與多個mRNA 分子結合而發揮調控功能，反之，不同的miRNA 分子也可以結合在同一mRNA 分子上，協同調控此mRNA 分子的表達。

在這篇由意大利帕多瓦大學領導完成的研究報告中，研究人員不僅發現了第一例參予基礎信號放大過程的miRNA，而且也為脊椎動物胚胎學長期存在的問題提出了一個解答方案。

加州大學舊金山分校的 Deepak Srivastava（未參予這一研究）表示，“這是一項重要的發現”，因為它證明了“microRNAs能在胚胎形成中扮演如此基礎的角色。”

在一個脊椎動物卵子受精之后，精子進入的位置會由于背側β-catenin信號的驅動形成未來胚胎的背腹軸(dorsal/ventral axis)。β-catenin信號最終將被翻譯成另一種信號分子：Nodal，胚胎背側Nodal的高度表達會促使一些稱為 Spemann organizer的細胞（Spemann在1935年發現這種類型的細胞，故稱Spemann organizer），這些細胞構成了動物體形成的主要部分。但是至今研究人員仍然不清楚β-catenin與Nodal途徑是如何相互交流的。

為了解開這一難題，研究人員利用計算機工具尋找Nodal信號途徑成員中潛在的microRNA結合位點，這樣識別出來兩個microRNAs：miR-15和miR-16，miR-15和miR-16可以通過一個關鍵的受體減少Nodal信號。研究人員也進一步檢測是否Nodal信號的抑制會引起Spemann organizer出現問題。結果他們發現注射miR-15會負調控Spemann organizer基因，干擾神經組織形成，以及Spemann organizer調控的其它發育事件。并且反面實驗失活miR-15和miR-16可以導致organizer組織的擴增。

最后研究人員尋找miR-15和miR-16與β-catenin信號放大途徑之間的關系，他們發現β-catenin的過量表達會抑制成熟miR-15和miR-16的表達，而敲除β-catenin則會促進這兩種miRNAs的表達和活性。

哈佛醫學院Malcom Whitman（未參予這一研究）表示，“這是一項有趣的新調控機制”，但是現在并不清楚miR-15和miR-16是否是信號放大途徑中Nodal的上游事件。Nodal在一個正反饋環路（postive-feedback loop）中正調控自身信號，這也就是說要區別開初始的步驟比較難，雖然很清楚miR-15和miR-16能幫助區分腹側和背側，但是仍然存在許多需要補充的機制。