miRNA 在基因調(diào)控中的作用
瀏覽次數(shù):1255 發(fā)布日期:2021-9-24
來源:MedChemExpress
MicroRNA (miRNA) 是什么?“micro”“mi”是微小的意思,顧名思義,miRNA 就是小的非編碼 RNA,長度約 23 個核苷酸 (nt),它在轉(zhuǎn)錄后的基因調(diào)控中發(fā)揮關鍵作用,包括疾病的發(fā)生、細胞分化與組織發(fā)育,細胞凋亡等等。
miRNA 的生物發(fā)生及在疾病中的作用
miRNA 從哪兒來:一般而言,在細胞核內(nèi),通過 RNA 聚合酶 Ⅱ 轉(zhuǎn)錄生成初始 miRNA (pri-miRNA),長約幾百到幾千個堿基不等。pri-miRNA 主要包括帽子結(jié)構(gòu)和 poly(A),以及一個或多個發(fā)夾莖環(huán)結(jié)構(gòu) (Stem-loop) →→ 被 RNA 結(jié)合蛋白 DGCR8 高效特異性識別,并在 Drosha 蛋白的作用下,被切割成 ~70 nt 的莖環(huán)結(jié)構(gòu),即 miRNA 的前體 (pre-miRNA) →→ 在輸出蛋白 Exportin5 的作用下運輸?shù)郊毎|(zhì)中,在 RNA 酶 Ⅲ 內(nèi)切酶 Dicer 和 TRBP(反式激活應答 RNA 結(jié)合蛋白)伴侶的作用下形成 19-23 nt 左右的成熟雙鏈 miRNA 結(jié)構(gòu) (引導鏈 miRNA 和隨從鏈 miRNA*) →→ 與 Argonaute (Ago) 蛋白和 Dicer 酶一起構(gòu)成 RNA 誘導沉默復合體 (RNA-induced silencing complex, RISC),其中隨從鏈 miRNA* 被移除,從而形成單鏈的 miRNA。miRNA 要到哪兒去:miRNA 的種子區(qū)域 (5’ 端的 2-8 nt) 通過序列互補原則靶向 mRNA,可直接抑制翻譯,或可導致 mRNA 不穩(wěn)定,從而降解靶蛋白。(Ago 是 miRNA 的得力助手和保鏢,miRNA 調(diào)控靶蛋白需要通過 Ago 實現(xiàn),Ago 還保護了 miRNA 不被降解。以 hAgo 為例,hAgo 有四個亞型 hAgo1-hAgo4,Ago 通過 miRNA 的引導,定位到靶 mRNA 的互補區(qū)域,hAgo2 通過固有的內(nèi)切核酸裂解活性來使 mRNA 沉默;蛘吒湫偷兀ㄟ^抑制翻譯,以及誘導 mRNA 降解來發(fā)揮作用。)
圖 1. miRNA 的生物發(fā)生過程[2]
作為最早發(fā)現(xiàn)、名字都很獨樹一幟的 miRNA,let-7 一直以來都是 miRNA 研究中的?停let-7 是個抑癌因子 (通過下調(diào) MYC、HMGA2、BLIMP1 或者 RAS 家族成員,抑制腫瘤的發(fā)展),降低了癌癥的侵襲性、化療抗性和放射抗性 (極少數(shù)情況下,也可能作為一個原癌基因)。此外,let-7 還在諸多癌癥中差異性表達,有望成為腫瘤篩選的標記物。另一個流量明星——miR-210,是一個原癌 miRNA,在多種癌細胞中表達顯著升高,如胰腺癌、乳腺癌。研究發(fā)現(xiàn),沉默 miR-210-3p 可以顯著抑制臨床前模型中前列腺癌細胞的骨轉(zhuǎn)移,miR-210-3p 通過靶向 NF-κB 信號通路的負調(diào)控因子 TNIP1 和 SOCS1 促進 EMT (間充質(zhì)轉(zhuǎn)化)、侵襲和遷移,導致 NF-κB 通路的激活。此外,miR-210 是低氧誘導因子的一個重要靶點,已有研究證實,高水平的 miR-210 和體內(nèi)缺氧信號有關。
RNA 的二級結(jié)構(gòu)也可成為小分子靶點?
第一個靶向 miRNA 的小分子得追溯到 2008 年,Shan 等人通過熒光標簽篩選 FDA 庫,發(fā)現(xiàn)依諾沙星 (Enoxacin) 可增強 siRNA 介導的 mRNA 降解,能促進內(nèi)源性 miRNAs 的生物發(fā)生,該作用依賴于 TRBP 途徑。但因 miRNA 的特殊性,不少小分子都是靶向 AGO、TRBP 等調(diào)控 miRNA 生物發(fā)生的關鍵分子,而非直接靶向?上驳氖,近年,研究人員發(fā)現(xiàn)了可靶向 RNA 二級結(jié)構(gòu)的小分子。2017 年,Matthew G. Costales 等人發(fā)現(xiàn)了 miR-210 的一個靶向小分子 Targapremir-210 (TGP-210),TGP-210 選擇性的識別 miR-210 前體 pre-miRNA,并結(jié)合到該前體結(jié)構(gòu)的 Dicer 位點,抑制 miRNA 的成熟,從而解除 miR-210 對缺氧相關蛋白 GPD1L 活性的抑制,引發(fā)一系列的生物學反應。
圖 2. TGP-210 的作用機制[7]
TGP-210 在納摩爾級別就具有明顯的促乳腺癌細胞凋亡作用,并通過 anti-miR-210 antagomir (miR-210 拮抗劑) 陽性對照實驗發(fā)現(xiàn),TGP-210 和 miR-210 拮抗劑具有相似的生物活性和特異性。
(TGP-210 和 miR-210 拮抗劑均影響成熟 miR-210 的表達水平,TGP-210 對其它 ~2500 個 miRNA 無明顯活性。另外貼心地給大家比對了人、小鼠和大鼠的 pre-miR-210 的序列,發(fā)現(xiàn)其成熟 miRNA 序列完全一致,pre-miRNA 序列的同源性也高達 96.6%。)
圖 3. 不同物種 pre-miR-210 的序列比對 (來自數(shù)據(jù)庫 miRBase)
此外,在小鼠三陰性乳腺癌 (TNBC) 模型中,TGP-210 和 miR-210 拮抗劑均顯著抑制了腫瘤生長,且 TGP-210 單次腹腔注射可維持腫瘤抑制 21 天。這些結(jié)果說明,能折疊成確定的二級結(jié)構(gòu),但三級結(jié)構(gòu)有限的 RNA 也可以作為小分子的靶標,且小分子抑制劑顯示出了意想不到的特異性。
TGP-210 的 2.0 版本——核糖核酸酶靶向嵌合物 (RIBOTAC)
研究不止步于此,Matthew G. Costales 團隊在 2018 年報道,2’-5’ poly(A) 寡核苷酸偶聯(lián)在 miR-96 的發(fā)夾前體結(jié)構(gòu)上,可局部激活內(nèi)源性的核糖核酸酶 (RNase L),在細胞中選擇性切割 miR-96 的前體。miR-96 的沉默可以抑制促進 FOXO1 降解的轉(zhuǎn)錄因子,從而觸發(fā)癌細胞的凋亡。無獨有偶,該團隊在 2020 年報道了 TGP-210 的后續(xù)研究,作者將不同單位的 2’-5’ poly(A) (1-4) 寡核苷酸偶聯(lián)到 TGP-210 上,發(fā)現(xiàn) TGP-210-RL (連接 4 個單位的 2’-5’A) 具有很好的切割活性 (RIBOTAC)。
圖 4. TGP-210 和 TGP-210-RL 的結(jié)構(gòu)式比較[10]
TGP-210 可結(jié)合 pre-miRNA (Kd = 160 nM),但也能結(jié)合 DNA (Kd = 620 nM),而優(yōu)化后的 TGP-210-RL 與 DNA 的結(jié)合活性大大降低 (Kd = 1200 nM),且具有更高的特異性,但其與 pre-miRNA 的結(jié)合活性也有所降低 (Kd = 320 nM)。(Dicer 位點發(fā)生單堿基突變后,無法與 TGP-210-RL 結(jié)合。)盡管有寡核苷酸的存在,TGP-210-RL 還是可以自如地進入細胞發(fā)揮作用 (進入數(shù)量是 TGP-210 的 60%),與 TGP-210 主要定位于細胞核不同,TGP-210-RL 主要存在于細胞質(zhì)。TGP-210 和 TGP-210-RL 均可以顯著下調(diào)成熟 miRNA 的水平。TGP-210-RL 同時顯著下調(diào) pre-miR-210 的水平,這是 TGP-210-RL 激活的 RNase L 選擇性切割 pre-miR-210 的結(jié)果。和陽性對照 LNA-210 相比,TGP-210 和 TGP-210-RL 均可引起相似的癌細胞凋亡作用,且 TGP-210-RL 活性更好。(TGP-210 會導致 pre-miR-210 的水平升高,這與其機制是一致的。過表達 miR-210 后,LNA-210、TGP-210 和 TGP-210-RL 的凋亡作用均消失,進一步驗證了癌細胞凋亡是由抑制 miR-210 導致的。)2020 年 12 月 Science 報道了 miRNA 靶向降解 (TDMD) 的新機制,研究發(fā)現(xiàn) ZSWIM8 Cullin-RING E3 蛋白酶體途徑靶向降解 Ago,使大量 miRNA 暴露降解。這一發(fā)現(xiàn)不僅為開發(fā) miRNA 的降解劑提供了新思路,也拉近了 miRNA 和小分子藥物的距離。
小編寄語:傳統(tǒng)意義上認為的 RNA 難以靶向、藥物篩選成本巨大等問題,常常使得 RNA 靶向小分子被忽略。但是 Matthew G. Costales 團隊的研究給了我們新啟示,一方面 Inforna 的計算程序可更好的評估小分子靶向 RNA 的選擇性和靶向性,另一方面,核糖核酸酶靶向嵌合物(TGP-210-RL,RIBOTACs)也實現(xiàn)了新突破。2020 年 12 月,該團隊又又又開發(fā)出了pre-miR-21 的小分子抑制劑 TGP-21 和 RIBOTAC TGP-21-C1-3,真是高效的團隊,這速度小編實在望塵莫及。
MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學研究或藥證申報,我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務參考文獻1. Hongyu Liu, et al. Nuclear functions of mammalian MicroRNAs in gene regulation, immunity and cancer. Mol Cancer. 2018 Feb 22; 17(1): 64.2. Dónal O'Carroll, et al. General principals of miRNA biogenesis and regulation in the brain. Neuropsychopharmacology. 2013 Jan; 38(1): 39-54.
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