全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第3期
2010年3月
Vol. 22, No. 3
Mar., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)03-0229-03
MicroRNAs 与疾病和发育
Victor Ambros
(美国麻省大学医学院)
摘 要：作为模式生物实验系统，线虫可用于研究控制动物发育和人类疾病遗传机制。研究发育缺陷
的线虫突变体有助于在动物中发现对发育和生理过程有重要调控作用的基因。其中一些基因编码一类小
RNA，如 microRNA (miRNA)，通过作用于特定基因信使 RNA 来调控其蛋白质表达。一些在线虫发育
过程中有功能的 miRNA 在人体中也存在。它们参与调控与疾病相关的生物学过程，如癌症、糖尿病和
神经退行性疾病。通过分析 m i R N A 在临床样品、哺乳动物细胞和模式生物线虫中的表达，从而揭示
miR NA 调控途径在相关人类疾病中的功能。
关键词：m i R N A；Dr os ha (核蛋白)；发育；种子；疾病；线虫
中图分类号：Q52；R730.231.3　　文献标识码：A
MicroRNA regulatory pathways in development and disease
Victor Ambros
(University of Massachusetts Medical School, USA)
Abstract: We employ the nematode worm C. elegans as a model experimental system for studying the genetic
mechanisms underlying the control of animal development and human disease. The study of worm mutants with
developmental defects has led to the identification of genes that encode regulators of developmental and
physiological processes important to all animals. Some of these regulatory genes encode a class of small RNAs,
known as microRNAs that regulate the production of protein from the messenger RNAs of specific target genes.
MicroRNAs are evolutionarily ancient, and some of the same microRNAs that function in C. elegans development
are also present in humans, where they appear to regulate processes related to diseases such as cancer,
diabetes, and neural degenerative diseases. Our work includes exploring the functions of microRNA regulatory
pathways in these human diseases, through the analysis of microRNA expression in clinical samples, and the
application of mammalian cell and C. elegans genetic models.
Key words: microRNA; Drosha; development; seed; disease; C.elegans
1　MicroRNA 简介
MicroRNA (miRNA)基因通常是由RNA 聚合酶
II转录，最初产物为大的具有帽子结构(7MGpppG)
和多聚腺苷酸尾巴(AAAAA)的 pri-miRNA。在RNase
III Drosha和其辅助因子Pasha的作用下，pri-miRNA
被加工成70 个核苷酸组成的pre-miRNA前体产物。
RAN朑 TP和 exportin 等将pre-miRNA 输送到细胞
质，茎环结构被RNase III Dicer剪切产生约为22
个核苷酸长度的双链，随后成熟的单链 miRNA 和
Argonaute 蛋白形成miRNP 复合体。成熟的miRNA
结合到与其互补的mRNA 的位点通过两种依赖于序列
互补性的机制负调控基因表达。与靶mRNA 不完全互
补的miRNA 在蛋白质翻译水平上抑制其表达，miRNA
结合在mRNA的3 端非翻译区也有可能影响mRNA的
稳定性。迄今为止，在无脊椎动物和脊椎动物中发
现的miRNA 基因分别大约有150种和700种。
MiRN A 基因广泛存在植物和动物细胞中，有
些miRNA 基因在进化过程中保留了同源性极高的被
称为“seed”的序列。目前从线虫到人已发现 33
个新pan-bilaterian家族成员，其中mir-125、lin-4
230 生命科学 第22卷
和 let-7 高度保守，并含有7个核苷酸“seed”序
列。通过“seed”可以用计算生物学方法在基因
组中找出受miRNA 调控的多个潜在靶基因，但这些
潜在的靶基因存在大量的假阳性。目前很多实验室
采用实验生物学miRNP复合物 pull-down技术从细
胞内找到受 miRNA 调控的靶基因。MiRNA 的调控
机制具有多样性，miRNP 与其相互作用的蛋白辅因
子一起对 mRNA 翻译进行调控，该过程是可逆的，
然而对 mRN A 稳定性调节的可逆性较差。
在进化中序列高度保守的microRNA 基因是否
意味着保守的生物学功能？从线虫到果蝇再到人
类，序列上高度保守的dme-miR-1 在不同的物种中
只存在很少一部分相同的作用靶点，表明功能的保
守性不高。既然如此，microRNA 在模式生物中的
功能研究对人类有何意义？一些microRNA作用靶点
在进化过程中是很保守的，如let-7家族的mir-48、
mir-241和mir-84抑制对发育有重要调控作用的转录
因子hbl-1的功能，而hbl-1既有正调控功能又有负
调控功能；同时let-7家族成员对癌基因Ras也有调
控作用。Let-7可以通过抑制lin-41调控细胞周期和
分化。在果蝇中，let-7通过转录因子Abrupt调控
幼虫和成虫的神经发生。Let-7在人类对肿瘤发生有
调控作用，可以通过调控 H M G A 2 来影响细胞增
殖。以上研究表明，进化上let-7 虽然在序列上有
很高的保守性，但在功能上却存在多样性。
2　MicroRNA 与疾病
不少miRNA 分子已被证实与癌症的发生有关。
Let-7在人体作为肿瘤抑制子，通过3非编码区存在
的 7 个相互作用位点可有效抑制原癌基因 HMGA2，
如果缺失这些结合位点，let-7 就不能抑制HMGA2
的表达。Let-7也可以通过与KRAS的3非编码区的
相互作用位点结合抑制 Ras基因的表达，通过生物
信息学方法找到特异相互作用的位点，并对这些位
点作点突变，也可有效解除let-7对KRAS的抑制功
能。MiR-15 和 miR-16 负调控抗凋亡基因BCL2，它
们的缺失会促使BCL2 表达升高，从而抑制细胞凋
亡，促进白血病和淋巴瘤的发生。因此，增强具
有抑癌功能的microRNA 活性，成为一种潜在的癌
症治疗方法。在散布的 B 细胞淋巴瘤、滤泡型淋
巴瘤、套细胞淋巴瘤等肿瘤中常存在13q31 位点的
扩增。而在这一扩增区域的惟一的基因就是一个非
编码蛋白的RNA，这个转录本编码了miR-17-92 基
因簇，其中包含了7 个 miRNAs：miR-17-5p、miR-
17-3p、miR-18a、miR-19a、miR-20a、miR-19b-1
和 miR-92-1。在65%的 B 细胞淋巴瘤细胞样品中，
mir-17-92 的前体分子表达增加，这个基因簇的过
表达可能与肿瘤形成有关。miR-21 在胶质母细胞瘤
中表达增加, 在肿瘤组织中表达量比正常组织高
5~100 倍, 具有癌基因的功能。 miR-21 不是一个大
脑特异性基因，在乳腺癌中表达也增加，可能在肿
瘤发生中起到广泛的作用。因此，抑制有致癌功能
的microRNA 活性是一种潜在的治疗方式。
最新的研究表明，在与X染色体相关的精神分
裂症患者中发现了一些极为罕见的microRNA基因突
变，将microRNA 与精神疾病联系了起来。在慢性
淋巴细胞白血病中发现多种microRNA 基因发生突
变，单个microRNA 基因的这一特征可以作为生物
标志物，在疾病预防和诊断中具有非常重要的作
用。人类和其他哺乳动物体内存在稳定水平的血清
microRNA, 疾病状态下血清miRNAs的表达异常。 血
清miRNA 表达谱可以构成识别癌症与其他疾病的
“指纹”，能够作为癌症或其他疾病的生物标志
物，其重要意义在于创造性地提供了一种非损伤性
的癌症预防和诊断方法。
MicroRNA 研究在目前还面临很多问题：为何
一些microRNA 在序列、相互作用靶点及RNA 结合
蛋白等方面非常保守；microRNA 在转录水平、生
物发生及蛋白辅助因子方面又是如何被调控的；在
临床上，如何进行基于特定microRNA 活性的治疗
方案，如输送到感兴趣的组织或是针对目的靶点的
特异性；microRNA 基于血清或质膜在疾病方面的
预防和诊断，其机制是什么；如何进行医学上的开
发应用；在基因组水平如何进行microRNA 基因和
作用靶点的遗传学研究。以上问题都极其需要模式
生物和人类疾病的交叉研究。
3　MicroRNA 与发育
MicroRNA在细胞命运决定过程中有重要的调控
功能。线虫细胞命运决定有四个主要的阶段，受时
序基因的调控。
第一阶段到第二阶段受lin-4的调控，lin-4是一
个时序调控基因，它的突变体不能从第一期幼虫进
入第二期。lin-4 转录形成两种长度的RNA，分别
长61 个碱基和22 个碱基，其中较小的RNA 通过与
lin-14的mRNA互补配对，抑制LIN-14蛋白的翻译，
从而影响发育进程。
第二阶段到第三阶段受let-7家族的调控，let-7
231第3期 Victor Ambros：MicroRNAs 与疾病和发育
家族成员(miR-48、miR-84、miR-241和let-7)参与
决定了线虫侧线细胞 L3 时期的细胞命运，功能性
缺失会导致侧线细胞L2的细胞命运在L3时期重复出
现。Hbl-1是已知的一个参与L2/L3细胞命运转换的
调控因子，let-7家族成员通过调节hbl-1的时序表达
来影响线虫发育。由于这一阶段受多个microRNA
基因调控，如果只突变 miR-48，并不影响线虫从
L2 时期进入L3 时期；但如果同时突变 miR-48 和
miR-241， 就会出现一部分线虫不能从L2时期进入
L3时期；如果同时突变miR-48、miR-84和miR-241，
线虫全部不能从L2 时期进入L3 时期，导致发育迟
缓。在正 常 的培 养 环境 中 ，同时 突 变三 个
microRNA 基因会导致发育迟缓；但如果是在有压
力的环境中培养(如饥饿)，即使突变三个microRNA
基因，线虫发育依然正常。研究发现，在压力环
境条件下，有一些调节因子(如 NHL-2)参与了对
hbl-1 的调控，从而影响线虫的发育。NHL-2 能与
RISC 复合物中CGH-1/RCK 相互作用，在压力条件
下，NHL-2 表达上调，进而稳定 microRNA-RISC
复合物，增强microRNA 的活性。在结构上，NHL-2、
NHL-3、NHL-1 和 LIN-41 有 TRIM motif 和 NHL 结
构域，并发现其在果蝇和人类中的同源基因Brat和
TRIM32。它们除了在转录后修饰的调控，在转录
水平也存在对let-7家族的调控。在线虫L2时期进
入 L3 时期过程中，发育信号、受营养和群体密度
等因素调控的类固醇激素配体和核受体DAF-12等都
对let-7家族在转录水平有调控作用。研究发现，核
受体DAF-12对let-7家族的调控存在正负调控作用，
并受let-7 家族成员负反馈调控。在发育信号诱导
下，多种microRNA 与类固醇激素受体存在负反馈
调节，如miR-14负反馈调控蜕皮激素受体EcR，参
与细胞命运决定；miR-206 负反馈调控雌激素受体
E R α，抑制乳腺癌发生。以上研究表明，在线虫
细胞命运决定中，microRNA、microRNA-RISC 复
合物辅因子NHL-2及类固醇激素核受体DAF-12参与
了对线虫L2 时期进入L3 时期的调控。
第四阶段到成体受let-7的调控，let-7在线虫幼
虫的L3/4期出现，它一出现便会抑制Lin-41蛋白的
表达，进而解除对Lin-29 蛋白表达的抑制，使线
虫进入成虫期。如果let-7 发生突变，就可使线虫
永远停留在幼虫期。
从模式生物线虫等的研究可以预测microRNA
在人类同源物(如TRIM32)的生物学功能，并可能
作为一种潜在的药物靶标，对相关疾病的治疗具有
重要意义。
(中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所
朱万渠　编译)