《自然》首次发现miRNA影响基础信号传导

来自意大利帕多瓦大学生物组织学和胚胎学部，微生物与医学生物技术系，美国路易斯安那州大学健康科学中心（LSU Health Sciences Center）的研究人员发现microRNAs可以影响早期脊椎动物胚胎形成模式中的关键事件。这一首次发现miRNAs调控基础信号放大过程。这一研究成果公布在《Nature》在线版上。

研究由意大利帕多瓦大学的Graziano Martello领导完成，他也是爪蟾（Xenopus laevis）总microRNAs的第一位发现者——Xenopus laevis的小RNAs通过结合到mRNA上抑制基因的表达，并且当注射入胚胎的时候会抑制Nodal活性。

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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种古老现象, 是生物抵抗异常DNA(病毒、转座因子和某些高重复的基因组序列)的保护机制, 同时在生物发育过程中扮演着基因表达调控的角色，它可以通过降解RNA、抑制翻译或修饰染色体等方式发挥作用。

RNA沉默存在两种既有联系又有区别的途径: siRNA(small interference RNA)途径和miRNA(microRNA)途径。siRNA途径是由dsRNA(double-stranded RNA)引发的, dsRNA被一种RNaseⅢ家族的内切核酸酶(RNA- induced silencing complex, Dicer)切割成21~26 nt长的siRNA, 通过siRNA指导形成RISC蛋白复合物(RNA-induced silencing complex)降解与siRNA序列互补的mRNA而引发RNA沉默。而miRNA途径中miRNA是含量丰富的不编码小RNA(21~24个核苷酸), 由Dicer酶切割内源性表达的短发夹结构RNA(hairpin RNA, hpRNA)形成。miRNA同样可以与蛋白因子形成RISC蛋白复合物, 可以结合并切割特异的mRNA而引发RNA沉默。尽管引发沉默的来源不同, 但siRNA 和miRNA 都参与构成结构相似的RISC, 在作用方式上二者有很大的相似性。

微小RNA (microRNA，简称miRNA)是生物体内源长度约为20－23个核苷酸的非编码小RNA，通过与靶mRNA的互补配对而在转录后水平上对基因的表达进行负调控，导致mRNA的降解或翻译抑制。到目前为止，已报道有几千种miRNA存在于动物、植物、真菌等多细胞真核生物中，进化上高度保守。在植物和动物中，miRNA虽然都是通过与其靶基因的相互作用来调节基因表达，进而调控生物体的生长发育，但miRNA执行这种调控作用的机理却不尽相同。

1993年，首次在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)中发现microRNAs，现已证实，miRNA 广泛存在于真核生物细胞内，是最大的基因家族之一，大约占到整个基因组的1%，在精细调控基因表达及生物生长发育过程方面发挥着重要作用。任何miRNAs的失调都会导致细胞调控事件的剧变。最近研究表明，miRNA在生物体内的多样化调控途径中扮演着关键性角色，包括控制发育进程、细胞分化、细胞凋亡、细胞分裂以及器官的发育。miRNA与其靶分子组成了一个复杂的调控网络，如某一特定的miRNA 可以与多个mRNA 分子结合而发挥调控功能，反之，不同的miRNA 分子也可以结合在同一mRNA 分子上，协同调控此mRNA 分子的表达。

在这篇由意大利帕多瓦大学领导完成的研究报告中，研究人员不仅发现了第一例参予基础信号放大过程的miRNA，而且也为脊椎动物胚胎学长期存在的问题提出了一个解答方案。

加州大学旧金山分校的 Deepak Srivastava（未参予这一研究）表示，“这是一项重要的发现”，因为它证明了“microRNAs能在胚胎形成中扮演如此基础的角色。”

在一个脊椎动物卵子受精之后，精子进入的位置会由于背侧β-catenin信号的驱动形成未来胚胎的背腹轴(dorsal/ventral axis)。β-catenin信号最终将被翻译成另一种信号分子：Nodal，胚胎背侧Nodal的高度表达会促使一些称为 Spemann organizer的细胞（Spemann在1935年发现这种类型的细胞，故称Spemann organizer），这些细胞构成了动物体形成的主要部分。但是至今研究人员仍然不清楚β-catenin与Nodal途径是如何相互交流的。

为了解开这一难题，研究人员利用计算机工具寻找Nodal信号途径成员中潜在的microRNA结合位点，这样识别出来两个microRNAs：miR-15和miR-16，miR-15和miR-16可以通过一个关键的受体减少Nodal信号。研究人员也进一步检测是否Nodal信号的抑制会引起Spemann organizer出现问题。结果他们发现注射miR-15会负调控Spemann organizer基因，干扰神经组织形成，以及Spemann organizer调控的其它发育事件。并且反面实验失活miR-15和miR-16可以导致organizer组织的扩增。

最后研究人员寻找miR-15和miR-16与β-catenin信号放大途径之间的关系，他们发现β-catenin的过量表达会抑制成熟miR-15和miR-16的表达，而敲除β-catenin则会促进这两种miRNAs的表达和活性。

哈佛医学院Malcom Whitman（未参予这一研究）表示，“这是一项有趣的新调控机制”，但是现在并不清楚miR-15和miR-16是否是信号放大途径中Nodal的上游事件。Nodal在一个正反馈环路（postive-feedback loop）中正调控自身信号，这也就是说要区别开初始的步骤比较难，虽然很清楚miR-15和miR-16能帮助区分腹侧和背侧，但是仍然存在许多需要补充的机制。