全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)07-0628-06
收稿日期：2010-05-05；修回日期：2010-05-13
基金项目：国家自然科学基金项目(30970618)
*通讯作者：E-mail: lgwu@sibs.ac.cn
基因表达调控多面手 ——microRNA
和 siRNA 的作用机制
赵　雅，吴立刚*
(中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，
分子生物学国家重点实验室，上海 200031)
摘　要：miRNA (microRNA)是一类广泛存在于高等真核细胞中的长度约为 21 个碱基的小分子非编码
RNA，参与调控三分之一以上基因的表达，并与多种人类疾病存在重要关联。而siRNA(small interfering
RNA)是 RNA干扰(RNA interference, RNAi)中的效应分子，其结构和作用机制与miRNA存在许多类似之
处。由于 mi RN A 和 s i RN A 具有重要的生物学功能。因此，对它们作用机制的理解具有非常重要的理
论意义和应用指导价值。该综述将对它们作用机制的研究进展做一总结和回顾。
关键词：m i R N A；s i R N A；非编码 R N A；作用机制
中图分类号： Q52; Q95 文献标识码：A
Multiple mechanisms of gene expression regulation
by microRNA and siRNA
ZHAO Ya, WU Li-gang*
(Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological
Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200031, China)
Abstract: Most of the eukaryotic organisms encode numerous small non-coding RNAs (ncRNAs), which control
the expression of thousands of genes and participate in almost every biology process. However, the mechanis-
tic details of how these small oligonucleotides inhibit or stimulate their target gene production are still lacking.
Recent studies have uncovered various mechanisms by which microRNA (miRNA) and small interfering RNA
(siRNA) affect their target mRNA post-transcriptionally or transcriptionally. This review will focus on the
current understanding of the regulatory mechanisms by miRNA and siRNA in animals.
Key words: miRNA; siRNA; non-coding RNA; mechanism
在很长一段时间里，RN A 被认为仅仅是 DN A
和蛋白质之间的“过渡”，一如其在中心法则中的
“位置”。随着对基因表达调控研究的深入，越来
越多的证据表明，RNA 在生命过程中扮演的角色远
比我们早先设想的重要。除了负责编码蛋白质的
mRNA，真核生物的基因组中还存在大量非编码序
列，并且这些非编码序列在基因组中所占的比例也
随着物种的进化而急剧增加。近期的研究发现，基
因组中绝大多数的非编码序列都可以被转录，产生
大量的非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)，对
基因的表达调控和功能执行起到举足轻重的作用。
特别是包括microRNA (miRNA)和siRNA(small inter-
fering RNA)在内的小分子非编码RNA，更是成为
R N A 家族新涌现的“明星分子”，屡获科学界大
奖的青睐，使得 R N A 大有从中心法则的“中间”
跃居“中心”之势。在此我们将对两类具有代表
629第7期 赵　雅，等：基因表达调控多面手 ——microRNA 和 siRNA 的作用机制
性的小分子非编码RNA——miRNA 和 siRNA 在动物
中的作用机制做一综述。
1　miRNA 的作用机制
miRNA是一类长度约为21个碱基的小分子非编
码RNA。包括人类和哺乳动物在内的大部分真核生
物的基因组都编码数百种miRNA，并且在不同组织
和发育阶段，miRNA 的表达水平具有显著差异，呈
现出明显的时空特异性。目前认为miRNA 直接调控
基因组中三分之一以上基因的表达，参与了细胞增
殖、分化、凋亡和代谢等几乎所有的生命过程。同
时，越来越多的证据表明，miRN A 的表达异常与
包括癌症、心血管疾病、病毒感染在内的多种疾病
的发生发展密切相关[1]。因此，对 miRNA 作用机
制的理解具有非常重要的理论意义和应用指导价值。
大部分miRNA 的产生首先是由细胞核内的RNA
聚合酶II转录出一个包含茎环结构的初级前体(pri-
miRNA)，pri-miRNA 的长度从数百到数万个碱基不
等，并且具有帽子结构和多聚腺苷酸尾巴(poly(A)
tail)。而少数种类的pri-miRNA则由RNA聚合酶Ⅲ
转录产生。pri-miRNA 产生后，在核内被Ⅲ型核酸
内切酶 Dr os h a 及其辅助因子 DG CR 8 (人类中为
DGCR8 蛋白、果蝇中为Pasha 蛋白)所识别，并在
距离pri-miRNA茎环结构中单/双链结构分界点约11
个碱基处被剪切，形成长度约为70个碱基的miRNA
前体(pre-miRNA)。pre-miRNA 通常具有茎环结构，
在切口的3端留有2~3个核苷酸的悬垂，这种结构
特征可以被核内的转运蛋白Exportin5 识别，通过
Ran-GTP 依赖性的机制，pre-miRNA 被转运到细胞
质中，在另一种III型核酸内切酶Dicer及其辅助因
子TRBP 的共同作用下剪切加工成约21个碱基长度
的 miRNA∶miRNA* 双链[1]。这种双链 miRNA 分
子很快与包括Argonaute(Ago)蛋白在内的其他多种蛋
白质结合，形成RNA 诱导的沉默复合体RISC(RNA-
induced silencing complex)，又称为miRNP
(microribonucleoprotein)。miRNA∶miRNA*双链中
5端碱基配对稳定性较低的链被保留，成为成熟体
miRNA；另一条链(miRNA*)则通常迅速被降解[2]。最
新的研究表明，miRNA 的前体加工还存在不依赖于
Dicer的其他途径，例如pre-miR-451可以形成特殊
的二级结构，直接被Ago2 所识别并切割加工形成
成熟体miRNA[3,4]。
成熟体miRNA与多种蛋白质因子结合组装形成
R I S C 复合体后，通过碱基互补配对识别靶标
mRNA，并在更多蛋白质因子的参与下调控基因的
表达。已知的 miRN A 的靶位点大多位于 mRNA 的
3 非翻译区，但有一些报道表明，miRNA 也可以
与位于mRNA 编码区的靶位点结合，如在肿瘤细胞
中，miR-24 可以作用于FAF1 的编码区而调控细胞
凋亡[5]。目前已知绝大多数miRNA 主要通过抑制翻
译和引发mRNA 降解这两种机制发挥调控功能。翻
译抑制是最先被发现的miRNA作用机制，但一直缺
乏明确和统一的模型。多个研究组的实验证据表
明，miRNA 主要在翻译的起始阶段发挥抑制作用，
如通过与翻译起始复合物竞争 mRNA 的 5 帽子结
构[6,7]，或是影响核糖体大小亚基的聚合[8]等。然
而，也有实验证据表明，miRN A 亦能在翻译的其
他阶段起作用，如减缓核糖体在翻译中的移动速度[9]、
促进新生多肽链的共翻译降解[10]或促进核糖体的提
早解离等[11]。研究结果的多样性提示我们，在不同
的发育阶段和细胞类型中，或对于不同的靶标
mR N A，m i R N A 可能通过不同的机制发挥作用。
虽然早期的报道认为miRNA 仅在mRNA 翻译水
平上抑制基因的表达，但随后的研究证据表明，
miRNA 也可以直接影响mRNA 的稳定性，该机制同
样是miRNA 调节基因表达的重要方式之一。miRNA
可以加速脱去靶基因mRNA 上 3 末端的多聚腺苷酸
尾巴(poly(A) tail)，直接导致poly(A)结合蛋白
PABPC1 的逐步丢失，并促进脱帽酶DCP1 和 DCP2
对 mRNA 5 端帽子结构(m7GpppN)的切除，最终导
致mRNA失去5和3端的保护而被核酸外切酶迅速
降解。其中，脱腺苷酸化(deadenylation)是整个
mRNA 降解过程中关键性的第一步，也是其限速步
骤。在果蝇和哺乳动物细胞中的研究都表明CCR4-NOT
复合体中的CAF1是催化该过程的关键核酸酶[12,13]。
miRNA 可能通过Ago 蛋白直接招募CAF1[14]，也可
能通过 RISC 结合在 mRNA 上改变 mRNP 的结构和
功能[1 3 ]，从而促进 mRN A 的降解。
那么miRNA 介导的翻译抑制和mRNA 降解这两
种作用机制之间的关系如何呢。目前大多数实验证
据认为两者是相互独立的过程。在哺乳动物细胞中
进行的体内实验显示，在mRNA 的 5 非翻译区引入
一个稳定的茎环结构阻碍其翻译后，并不影响
m i R N A 加速 m R N A 的脱腺苷酸化和降解；反之，
以组蛋白mRNA 3 末端茎环结构替代poly(A)尾巴
后，m i R N A 虽然不能加速 m R N A 的脱腺苷酸化，
但仍然可以抑制翻译[15]。在以果蝇胚胎和人类细胞
胞浆提取物进行的体外实验中，使用人造帽子类似
630 生命科学 第22卷
物替代mRNA 5 端天然帽子或利用小分子化合物阻
断 mR N A 翻译之后，mi R N A 仍能有效促进 mR N A
的脱腺苷酸化和降解[16,17]。不仅如此，这两种作用
机制引起的后果也有本质区别：mRNA 降解是不可
逆的调控方式，mRNA 一旦被降解就永远消失了；
而翻译抑制是可逆的调控方式，翻译被抑制的
mRNA 在抑制作用被解除后可以重新进行翻译。例
如，在正常生理条件下，CAT-1 mRNA 的翻译被
肝脏特异性表达的miR-122 抑制，mRNA 被运输并
储存在 P body 中。当外界生理条件发生改变时，
CAT-1 mRNA 可以在HuR蛋白的作用下从P body 中
被释放出来并重新开始翻译[18]。正是由于miRNA引
发的翻译抑制和mRNA 降解是相互独立、不为因果
关系的两种作用机制，因而它们产生的作用效果具
有累加效应。通过可逆和不可逆的这两种不同作用
机制的组合，miRNA 可以更为有效和灵活地完成真
核生物中复杂的基因表达调控功能。
2　siRNA 的作用机制
siRNA 是随着RNA 干扰(RNA interference,
RNAi)而成名的一类长约21 个碱基的小分子RNA。
RNA 干扰最早是在线虫中发现的一种由双链RNA 引
发的基因沉默现象，Andrew Z. Fire和Craig C. Mello
因此于2006年被授予诺贝尔生理学或医学奖。后来
的研究证实不论是长的双链RNA(double-strand RNA,
dsRNA)或小发夹RNA(small hairpin RNA, shRNA)，
最后都要被Dicer加工成21个碱基长度的功能性双
链小RNA——siRNA。siRNA在细胞质内与包括Ago
在内的相关蛋白质因子结合形成RISC 复合体，通
过碱基配对识别靶标RNA。在镁离子和ATP 的参与
下，Ago 蛋白利用其核酸内切酶活性切割与之完全
互补配对的靶标RNA，产生具有5磷酸基和3羟基
末端的mRNA片段，使之更易受到5或3核酸外切
酶的攻击而快速降解。这种机制即是通常所说的
R N A 干扰。
随着对 RN A 干扰现象认识的深入，目前认为
siRNA 与 miRNA 的区别主要在于它们的来源不同：
通常siRNA 由外源引入，而miRNA 由基因组编码并
转录产生。在作用机制上siRNA 与 miRNA 则非常类
似，同样存在多种作用方式，具体采用哪种机制由
其与靶标mRNA 上识别位点的互补程度而决定[19-21]。
当 siRNA与靶位点序列完全互补配对时，RISC中的
Ago2 直接切割靶标mRNA，导致其被快速降解[22]。
而当siRNA 与靶位点序列不完全互补配对时，则与
miRNA 类似，可以介导翻译抑制和加速mRNA 脱腺
苷酸化和降解[23]，被称作RNA干扰的脱靶现象(off-
target)[24]。在运用RNA干扰技术沉默特定靶标基因
时常常会发生脱靶现象，这是目前RNA 干扰领域亟
待解决的难题之一。
miRNA 与靶标mRNA 完全互补配对的情况多见
于植物中，且靶位点常常位于转录因子 mRNA 的蛋
白质编码区内。而在动物体内，绝大多数 miR N A
只与靶位点部分互补配对，因而不会介导靶标
mRNA 的直接切割。哺乳动物中 miR N A 通过类似
RN A 干扰机制发挥功能的，目前仅在小鼠中发现
miR-196 对 HoxB8 基因的调控这一例[25]。
3　miRNA 和 siRNA 的其他调控机制
绝大多数情况下，miRNA 在转录后水平对基因
表达起负调控作用，但也有少量研究报道显示，在
特定条件下，miRNA 可以采取其他方式调节基因的
表达。例如，在血清饥饿导致细胞分裂受阻的条件
下，Ago2 与 FXR1 结合，以某种未知的机制提高
靶标mRNA 的翻译效率[26]。而 miR-10a 可以与核糖
体 RNA 结合并增强它们的活性，在全局水平上调
mRNA 的翻译效率[27]。虽然绝大多数miRNA 需要与
Ago 蛋白结合后才能发挥功能，但最新的研究表明，
miR-328 可以直接结合hnRNP E2，从而解除hnRNP
E2 对 C/EBP mRNA 的翻译抑制作用，最终促进髓
系祖细胞向粒细胞的分化[28]。不仅如此，有些病毒
在进化过程中还产生了一些特殊的机制，利用宿主
细胞中的miRNA 为病毒自身的复制和翻译服务。例
如肝脏细胞特异性表达的 miR-122 与 HCV 基因组
RNA 5 非翻译区的靶位点结合后，可以促进 HCV
RNA 的复制[29]。而 Henke 等[30]报道 miR-122在翻译
起始阶段促进核糖体与 HCV RNA 的结合，显著增
强 HCV RNA 的翻译。有趣的是，如果 HCV 5 非
翻译区的靶位点被插入到报告基因mRNA 的 3 非翻
译区，那么该报告基因便如其他mRNA 一样翻译被
miR N A 所抑制。
除了在转录后水平上调控基因的表达，一些研
究报道显示，siRNA 和 miRNA 还可以在转录水平上
发挥作用。裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)中
惟一的 Ago 蛋白可以结合来自着丝粒重复序列的
siRNA，形成RITS (RNA-induced initiation of tran-
scriptional gene silenceing)复合体。RITS招募甲基转
移酶到染色体的特定区域，造成组蛋白 H3K9 的甲
基化，从而促进异染色质的形成，引起基因沉默[31]。
631第7期 赵　雅，等：基因表达调控多面手 ——microRNA 和 siRNA 的作用机制
随后，在包括植物、真菌、果蝇和线虫等多种生
物体中均发现 RISC 能在细胞核中发挥功能，表明
RISC 的转录调控活性在真核生物中广泛存在[32]。
然而，对于哺乳动物细胞中siRNA 和 miRNA 在转录
过程中是否具有直接的调控功能仍有较多争议。有
报道显示一部分Ago蛋白和miRNA 可以定位在哺乳
动物细胞核内，并且siRNA 能够有效降解核内的靶
标RNA，说明核内可能存在具有核酸内切酶活性的
Ago2[33,34]。另外的研究发现，针对报告基因启动子
区的siRNA 可以显著下调基因表达，为siRNA 参与
转录调控提供了更为直接的证据，其作用机制可能
是Ago蛋白通过与RNA聚合酶Ⅱ以及组蛋白赖氨酸
甲基转移酶结合，造成组蛋白H3K9 和 H3K27 的甲
基化，促进异染色质的形成而导致基因沉默[35-37]。
此后发现针对内源基因，如孕酮受体基因转录起始
位点的siRNA 也能起到抑制转录的作用，染色质免
疫沉淀实验显示孕酮受体基因的启动子区结合有Ago
蛋白[38]。出乎意料的是，另一些研究却发现针对启
动子区的外源siRNA 能激活转录。这一激活效应同
样需要Ago2 蛋白的参与，并且导致siRNA 靶位点
附近的组蛋白H3K9 去甲基化[39]。目前关于siRNA
在哺乳动物细胞中参与转录调控的报道很有限，还
缺乏可信的作用机制支持，有待于更多的后续研究
进一步确认。
4　与 miRNA 和 siRNA 功能相关的重要蛋白质
因子
尽管miRNA 和 siRNA 的调控角色如此重要且多
样，但它们自身的作用主要是充当向导帮助识别并
结合mRNA 上的靶序列，真正发挥调节功效的是与
miRNA 和 siRNA 直接或间接结合的各种蛋白质因
子。这些蛋白质因子同miRNA 或 siRNA 一起被称为
RIS C 复合体。其中一些蛋白直接参与 miR N A 和
siRNA 的调节作用，是RISC 的核心组分，而另一
些则可能主要帮助维持复合体的结构或起辅助性的
作用。
Ago蛋白是最早发现的，也是最重要的RISC核
心成员之一，其功能已经在包括酵母、线虫、果
蝇和哺乳动物等多种生物中得到广泛的验证。它直
接与 miRNA 结合，对 miRNA 的成熟及靶序列识别
均至关重要。Ago蛋白相对分子质量约为100 k，含
有PAZ、MID 和 PIWI 三个特征结构域。其中，PAZ
结构域识别Dicer 切割形成的RNA 3 悬垂碱基；
MID结构域可以特异结合小RNA 5 端的磷酸基团，
从而将小RNA 锚定在Ago 蛋白上；PIWI 结构域包
含类似核酸酶RNase H 的催化核心结构，但在进化
过程中，部分Ago 家族成员的PIWI 结构域中氨基
酸序列发生改变而丧失了原有的核酸内切酶活性。
Ago 蛋白的结构特征在进化中高度保守，但在不同
的物种中，Ago 家族成员的数目有显著差异：裂殖
酵母中仅有1种，而线虫中多达27种[40]; 包括人类
在内的哺乳动物表达4种Ago 蛋白，它们均可结合
miRN A 和 siRN A [ 3 4 , 4 1 ]，并都能介导翻译抑制和
mRNA降解[13,42]。但其中只有Ago2具有核酸内切酶
活性，是 RNA 干扰中的重要功能分子[34,41]。果蝇
中Ago蛋白包括Ago1和Ago2，其中Ago1参与miRNA
介导的基因调控，而Ago2执行RNA干扰的功能[40]。
Ago 蛋白在生物体各组织中广泛表达，但各个成员
间的相对表达量在各个组织中有较大差异，对RNA
干扰的脱靶效应造成不同程度的影响。通常情况
下，Ago1、3、4 相对 Ago2 的表达量越高，RNA
干扰的脱靶现象越严重[23]。Ago蛋白的另一亚家族
是Piwi 家族，与另一种小 RNA ——piRNA 结合，
主要在生殖细胞中表达，对生殖细胞的生成具有重
要功能，它的功能和机制将在本刊的另一综述中详述。
Ago 蛋白直接与 miRNA 和 siRNA 结合，但其
基因表达调控功能的发挥还依赖于与之相互作用的
其他蛋白因子。例如与小RNA 加工相关的 Dicer、
PACT；在 miRNA 介导的 mRNA 降解中起重要作用
的CCR4-NOT 复合体；与AU-Rich 元件(ARE)介导
的 mRNA 降解相关的 TTP；以及与 miR NA 介导的
m R N A 降解和翻译抑制相关的 M O V 1 0 、R C K 和
TNRC6 蛋白家族。除以上在 miRNA 介导的基因调
控中起作用的Ago结合蛋白之外，还鉴定出一些在
miRNA 作用途径中功能不明的Ago 结合蛋白。如甲
基转移酶 PR MT 5；mR N A 5 端脱帽酶 DC P 1 与
DCP 2；翻译起始因子 eIF 4 E；Gem i n 小体成员
Gemin3 和 Gemin4；以及与mRNA 的核质运输有关
的 FMR1、FXR1 和 FXR2 [4 0]。后续的研究发现其
中一些蛋白只在特定条件下或以特殊的方式对
miRNA 介导的基因表达起调控作用，可能不是大部
分miRNA 发挥功能都必需的通用因子。在这些被鉴
定出的蛋白质因子中，TNRC6 蛋白家族的功能得到
了广泛的认可。多个实验室的研究显示 TNRC6 与
Ago 蛋白具有相互作用，且该相互作用对miRNA 介
导的基因表达调控是必需的，因而目前认为TNRC6
632 生命科学 第22卷
是另一个重要的RISC 核心成员。TNRC6 蛋白家族
在果蝇中只有Gawky1 个成员，线虫中有AIN-1 和
AIN-2 两个成员，人类则有TNRC6 A、B 、C 三个
成员。其中最早发现的是 TNRC6 A，因其相对分
子质量为182 k 且富含甘氨酸(G)和色氨酸(W)，又
被命名为 GW1 8 2。在哺乳动物细胞中，由于功能
冗余的缘故，通过RNA干扰的方法单独下调任何一
种TNRC6 蛋白，都只部分影响miRNA 的抑制作用[43-
45]。线虫中的遗传分析发现AIN-1(线虫中的TNRC6
同源蛋白)和ALG-1(线虫中的Ago同源蛋白)都参与
了发育时序调控，且一者的突变能加强另一者突变
的表型，表明AIN-1 和 ALG-1 可能是同一途径的重
要组分[46]。由于果蝇中 TNRC6 家族只有一个成员
Gawky，利用RNA干扰的方法发现受Gawky 与 Ago1
(果蝇中参与 miRNA 作用途径的 Ago 蛋白)调控的
mRNA 种类极为相似，并且Gawky 的基因抑制功能
不依赖于Ago 蛋白，充分说明，TNRC6 蛋白是Ago
下游的RISC 重要功能组分[12]。TNRC6A 蛋白最初
是由自身免疫病患者的血清筛HeLa细胞cDNA库而
发现的[47]。使用这种患者的血清进行免疫染色，可
以在细胞质中发现一种离散的点状结构，这一结构
不与任何已知的细胞器重叠，被称为P body。随
后发现 miR NA 和一些 mRNA 降解相关的因子，如
DCP1 和 XRN1 等共定位在P body 中[48]。但近期的
实验结果表明，TNRC6 蛋白具有P body 定位这一
现象与miRNA的调控功能可能并无直接联系[49]。以
上的研究结果提示我们，由于 miRNA 和 siRNA 作
用机制的多样性与复杂性，与小RNA 或 Ago 蛋白间
是否存在相互作用不应该成为判断该蛋白因子在小
RNA 的调控作用中是否具有重要功能的标准。一些
具有重要功能的蛋白因子可能由于与小RNA间的相
互作用非常短暂或不稳定，而无法用常规的生化方
法(如免疫共沉淀等)检测到。
5　结语
miRNA 自身的表达受到严格的时空调控，而每
种miRNA 可以调节多个基因的表达，同一基因亦可
同时接受多种 miRNA 的调控。不仅如此，miRNA
和 siRNA 调节基因表达的方式和作用机制也是多种
多样，在不同的蛋白因子的参与下，miRN A 可以
在翻译、mRNA 稳定性和转录等多种水平发挥负调
控或正调控功能。正是通过这种复杂的组合关系，
miRNA 可以更为精确和高效地调控一系列基因的表
达，从而构成真核生物复杂的基因表达调控网络。
目前我们对以miRNA 和 siRNA 为代表的非编码RNA
作用机制的了解仅仅是冰山一角。非编码RNA的世
界是一个崭新的世界，其多样性和复杂度远远超出
我们先前的想象，令人浮想联翩。对新的非编码
RN A 类型、作用机制和功能的研究和发现，将为
我们解读生命产生和进化的奥秘开启新的大门。
[参　考　文　献]
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