MiRNA

miRNA (microRNA, マイクロRNA) は、ゲノム上にコードされ、多段階的な生成過程を経て最終的に20から25塩基長の微小RNAとなる機能性核酸であるmiRNAの命名・分類についての指針： Victor Ambros, Bonnie Bartel, David P. Bartel, Christopher B. Burge, James C. Carrington, Xuemei Chenand, Gideon Dreyfuss, Sean R. Eddy, Sam Griffiths-Jones, Mhairi Marshall, Marjori Matzke, Gary Ruvkun and Thomas Tuschl (2003) "A uniform system for microRNA annotation", RNA, 9: 277-279. URL 。

この鎖長の短いmiRNAは、機能性のncRNA (non-coding RNA, ノンコーディングRNA, 非コードRNA： タンパク質へ翻訳されないRNAの総称) に分類されており、ほかの遺伝子の発現を調節するという、生命現象において重要な役割を担っているマイクロRNAの機能：Victor Ambros、The functions of animal microRNAs、Nature 431, 350-355 (16 September 2004)。miRNAとタンパク質の関わり：Dennis Murphy, Barry Dancis and James R Brown, The evolution of core proteins involved in microRNA biogenesis, BMC Evolutionary Biology 2008.。

 miRNAの発見 
1993年、C.elegans (Caenorhabditis elegans, 線虫) で、ヴィクター・アンブロス、R. C. Lee、R. Feinbaumらは最初のmiRNA (lin-4) を発見したmiRNAとして初めて発見されたlin-4 の報告： Lee, R.C., Feinbaum, R.L. and Ambros, V. (1993) "The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14", Cell, 75: 843–854. URL 。。このときはmiRNAではなくstRNA (small temporal RNA, 小分子RNA) と呼ばれていた。
miRNAという学名は、2001年に発行されたScience誌の論文で提唱されたmiRNAの提唱：米国のハーバード大学医学部のゲイリー・ラヴカンらの研究グループ、Science. 2001 Oct 26;294(5543):797-9. URL 。マサチューセッツ大学メディカルスクールのヴィクター・アンブロスらの研究グループ、An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. [Science. 2001]。マサチューセッツ工科大学のデイビッド・バーテルらの研究グループ、An abundant class of tiny RNAs with probable regulatory roles in Caenorhabditis elegans. [Science. 2001]。ロックフェラー大学のトーマス・トゥシュルらの研究グループ、Identification of novel genes coding for small expressed RNAs. [Science. 2001]。。

2001年以降、miRNA研究は急速に進展した。年々新たな種類のmiRNAが発見され、miRNAは種別を問わず、さまざまな種類の生物 (植物： シロイヌナズナ, イネ; 動物： シー・エレガンス, ショウジョウバエ; 哺乳類： マウス, ヒト) に存在していることが明らかになったlet-7の発見：Reinhart BJ, Slack FJ, Basson M, Pasquinelli AE, Bettinger JC, Rougvie AE, Horvitz HR, Ruvkun G. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature. 2000 Feb 24;403(6772):901-6.let-7は種を超えて保存されている：Pasquinelli AE, Reinhart BJ, Slack F, Martindale MQ, Kuroda MI, Maller B, Hayward DC, Ball EE, Degnan B, Müller P, Spring J, Srinivasan A, Fishman M, Finnerty J, Corbo J, Levine M, Leahy P, Davidson E, Ruvkun G. Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature. 2000 Nov 2;408(6808):86-9.miRNAは脊椎動物の複雑性に寄与する：Alysha M. Heimberg, Lorenzo F. Sempere, Vanessa N. Moy, Philip C. J. Donoghue and Kevin J. Peterson. MicroRNAs and the advent of vertebrate morphological complexity. 2946–2950 PNAS February 26, 2008 vol. 105 no. 8.。

2014年時点で、223種類の生物において35,828種類のmiRNAが発見されているmiRBase (the microRNA database, ミアベース) に登録されているmiRNA塩基配列の総数：Sam Griffiths-Jones, Russell J. Grocock, Stijn van Dongen, Alex Bateman, and Anton J. Enright. miRBase: microRNA sequences, targets and gene nomenclature. Nucleic Acids Res. 2006 Jan 1; 34(Database issue): D140–D144.。

 miRNAの命名法 

新たに発見されたmiRNAの名称は、以下の(1)～(5)にしたがって決められるmiRNAの命名法：Sam Griffiths-Jones, Harpreet Kaur Saini, Stijn van Dongen and Anton J. Enright. miRBase: tools for microRNA genomics. Nucl. Acids Res. (2008)  36  (suppl 1).。

(1) 生物の種類を定義する。

ショウジョウバエ型miRNAの場合、dmeの略称を使用する。
マウス型miRNAの場合、mmuの略称を使用する。
ヒト型miRNAの場合、hsaの略称を使用する。

(2) 構造のタイプを定義する。

前駆体の場合、mirを使用する。
成熟体の場合、miRを使用する。
一部例外も存在する。

(3) 塩基配列の登録番号を定義する。

同定された順に番号を付ける。
類似した配列の場合、番号の後ろに小文字のアルファベットを付ける。

(4) 生成過程の由来を定義する。

異なる遺伝子座を由来とする場合、数字で区別する。
異なる前駆体を由来とする場合、5'末端側の鎖を5p、3'末端側の鎖を3pとして区別する。
定義しない場合もある。

(5) miRNAの名称を定義する。

(1)～(4)で定義した因子をハイフン (“‐”) でつなげる。
一例として、dme-let-7、mmu-mir-1-1およびhsa-miR-15a-5pなどが挙げられる。

 miRNAの生合成 
ゲノムDNAには、miRNAの塩基配列とほぼ相補な配列が含まれているマイクロRNAの生成機構の総説：Leigh-Ann MacFarlane and Paul R. Murphy、MicroRNA: Biogenesis, Function and Role in Cancer、Curr Genomics. 2010 Nov; 11(7): 537–561。。一般に、この配列はmiRNA遺伝子と呼ばれているmiRNA遺伝子とそのターゲット：Paul W.C. Hsu, Hsien-Da Huang, Sheng-Da Hsu, Li-Zen Lin, Ann-Ping Tsou, Ching-Ping Tseng, Peter F. Stadler, Stefan Washietl and Ivo L. Hofacker. miRNAMap: genomic maps of microRNA genes and their target genes in mammalian genomes. Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 34, Database issue D135–D139.。

ここでいう相補生命とは何か：　シュレーディンガー, エルヴィン (2008) 『生命とは何か―物理的にみた生細胞』(岡 小天・鎮目 恭夫訳) 岩波書店. とは、核酸塩基がワトソン・クリック型塩基対を形成していることを意味するDNAの2重らせん構造：Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. J.D. Watson and F.H.C. Crick. Published in Nature, number 4356 April 25, 1953. Nature. 1974 Apr 26;248(5451):765.。具体的には、A (adenine, アデニン), T (tymine, チミン), G (guanine, グアニン), C (cytosine, シトシン), U (uracil, ウラシル) の5種類の天然型塩基が特定のペアー同士で水素結合によって塩基対を形成する。AとT/Uは2本の水素結合により対をなす。GとCは3本の水素結合により対をなす。したがって水素結合の数が1本多いことから、G：Cの塩基対はA：T/Uの塩基対よりも安定性が高い。

 pri-miRNAの生成 

miRNA遺伝子がRNAポリメラーゼIIによって1本鎖RNAに転写されると、転写されたRNA配列内で相補な部分は、内在的に結合して2本鎖になるmicroRNA遺伝子はRNAポリメラーゼIIによって転写される：Yoontae Lee, Minju Kim, Jinju Han, Kyu-Hyun Yeom, Sanghyuk Lee, Sung Hee Baek and V Narry Kim. MicroRNA genes are transcribed by RNA polymerase II. EMBO J. 2004 Oct 13; 23(20): 4051–4060.。そうして最終的な構造はヘアピンループ型の構造（tRNAに類似した形状）となるpri-miRNAの配列決定：Vincent C. Auyeung, Igor Ulitsky, Sean E. McGeary and David P. Bartel、Beyond secondary structure: primary-sequence determinants license pri-miRNA hairpins for processing、Cell. 2013 February 14; 152(4): 844–858。。この構造をとったmiRNAはpri-miRNA (primary miRNA, 初期転写産物) と呼ばれているmiRNAのプロセシング機構と細胞局在性：Y. Lee, K. Jeon, J.-T. Lee, S. Kim, V.N. Kim. MicroRNA maturation: stepwise processing and subcellular localization. EMBO J, 21 (2002), pp. 4663–467.。pri-miRNAは数百～数千塩基長の長鎖RNAであり、5’末端側にキャップ構造 (5'-cap: 7mGppp, 7-methyl guanosine) が形成されており、3'末端側にポリAテール (3'-poly-A tail: AA...A, polyadenosine) が付与されているpri-miRNAの末端構造：XUEZHONG CAI, CURT H. HAGEDORN and BRYAN R. CULLEN, Human microRNAs are processed from capped,
polyadenylated transcripts that can also function
as mRNAs. RNA (2004), 10:1957–1966.。

通常、ヘアピンループ型の構造をとる部分以外については配列がミスマッチになっており、この構造はスターフォームと呼ばれているヒトES細胞における配列決定：Merav Bar, Stacia K. Wyman, Brian R. Fritz, Junlin Qi, Kavita S. Garg, Rachael K. Parkin, Evan M. Kroh, Ausra Bendoraite, Patrick S. Mitchell, Angelique Nelson, Walter L. Ruzzo, Carol Ware, Jerald P. Radich, Robert Gentleman, Hannele Ruohola-Baker and Muneesh Tewari. MicroRNA discovery and profiling in human embryonic stem cells by deep sequencing of small RNA libraries. Stem Cells. 2008 Oct; 26(10): 2496–2505.マイクロRNAの生成：Minju Ha & V. Narry Kim、Regulation of microRNA biogenesis、Nature Reviews Molecular Cell Biology  15, 509–524 (2014)。。

 pre-miRNAの生成 

核内に存在するRNaseIII様のDrosha (ドローシャ) と呼ばれる酵素がこのpri-miRNA分子の一部を切断して、約70塩基長のステムループ構造をもつpre-miRNA (precursor miRNA, 成熟したmiRNAの前駆体) を作るマイクロRNAの生成パスウェイ：Elizabeth P Murchison, Gregory J Hannon, miRNAs on the move: miRNA biogenesis and the RNAi machinery, Current Opinion in Cell Biology, Volume 16, Issue 3, June 2004, Pages 223–229.。次いで、pre-miRNA分子はExportin-5と呼ばれるキャリアタンパク質によって細胞核の外に輸送される成熟マイクロRNAの生成機構：Julia Winter, Stephanie Jung, Sarina Keller, Richard I. Gregory & Sven Diederichs、Many roads to maturity: microRNA biogenesis pathways and their regulation、Nature Cell Biology 11, 228 - 234 (2009)。。

 mature-miRNAの生成 

細胞質に放出された後、Dicer（ダイサー：RNAi (RNA interference, RNA干渉) を参照）と呼ばれる酵素のスプライシングによって、pre-miRNAは20から25塩基長の2本鎖miRNAとなるmiRNAの生合成と翻訳抑制機能：Lin He and Gregory J.Hannon, MicroRNAs: small RNAs with a big role in gene regulation
, Nature Reviews Genetics 5; 631(2004).。

ただし植物の場合、2本鎖miRNAはpri-miRNAからDicerによって直接的に切り出されるmiRNAとsiRNAが関与する生成過程の報告（科学雑誌Sccienceの同号、ほか2つの論文とともに）： David Baulcombe (2002) "AnRNAMicrocosm",Science,297:2002-2003. URL 。

2本鎖miRNAは、Ago（Argonaute, アルゴノート）タンパク質からなるRISC (RNA-induced silencing complex, RNA誘導サイレンシング複合体) タンパク質群に取り込まれるsiRNAのRISC取り込み：Matranga C, Tomari Y, Shin C, Bartel DP, Zamore PD.: Passenger-strand cleavage facilitates assembly of siRNA into Ago2-containing RNAi enzyme complexes. Cell 123: 607-620, 2005.哺乳類型の成熟マイクロRNAにおけるRISCへの取り込み：Yanwen Guo, Jun Liu, Sarah J. Elfenbein, Yinghong Ma, Mei Zhong, Caihong Qiu, Ye Ding and Jun Lu、Characterization of the mammalian miRNA turnover 、Nucl. Acids Res. (2015)。。

RISCに取り込まれた2本鎖miRNAはRISC中で解かれ、2つの1本鎖miRNAとなるRISC中の2本鎖miRNAの1本鎖化：Kawamata T, Seitz H, Tomari Y. Structural determinants of miRNAs for RISC loading and slicer-independent unwinding. Nat Struct Mol Biol. 2009 Sep;16(9):953-60.。そのうち、より不安定な1本鎖は分解される。

もう一方の安定な1本鎖miRNAはmRNA (messenger RNA, 伝令RNA) の3'-UTR (untranslated region, 非翻訳領域) と部分相補的な遺伝子配列をもっている。つまり、その1本鎖miRNAは自身と部分相補的な塩基配列をもつmRNAに結合することで、その遺伝子の翻訳反応を阻害するmiRNAはpoly A tailの短縮化を介し標的mRNAの翻訳反応を抑制する：Motoaki Wakiyama, Koji Takimoto, Osamu Ohara, Shigeyuki Yokoyama. Let-7 microRNA-mediated mRNA deadenylation and translational repression in a mammalian cell-free system. Genes Dev. 2007 Aug 1;21(15):1857-62.。このような機能をもつ1本鎖miRNAはmature-miRNA (成熟miRNA, 機能性miRNA) と呼ばれているmature-miRNAの制御能：Victor Ambros. microRNAs: Tiny Regulators with Great Potential. Cell, Vol. 107, 823–826, December 28, 2001.。ただし植物の場合、siRNA (short-interfering RNA, 低分子干渉RNA) によるRNAiのように、miRNAは標的mRNAを分解させるマイクロRNAの機能：Bartel DP、 MicroRNAs: Genomics, biogenesis, mechanism,　and function. Cell 116: 281-297, 2004.植物由来のmiRNAはmRNAを分解させる：Jones-Rhoades MW, Bartel DP, Bartel B、MicroRNAS and their regulatory roles in plants. Annu Rev Plant Biol. 2006;57:19-53.。

mature-miRNAの塩基配列の5'-末端側より2番目～8番目までの7塩基は、seed配列と呼ばれているseed配列の提唱：Lewis B.P., Shih I.H., Jones-Rhoades M.W., Bartel D.P., Burge C.B.、Prediction of mammalian microRNA targets.、Cell. 2003;115:787–798.。この配列と相補的な配列をもつmRNAは、mature-miRNAの標的として強く認識されるseed配列と遺伝子発現抑制の相関：Naoki Hibio, Kimihiro Hino, Eigo Shimizu, Yoshiro Nagata & Kumiko Ui-Tei、Stability of miRNA 5′terminal and seed regions is correlated with experimentally observed miRNA-mediated silencing efficacy、Scientific Reports 2, Article number: 996 (2012)。。

mature-miRNAのseed配列とmRNAの3'-UTRの相互作用について、熱力学的な手法を用いた解析が進められてきた二次構造からの最小自由エネルギーの予測：Zhao, Y., Samal, E. & Srivastava, D. Serum response factor regulates a musclespecific microRNA that targets Hand2 during cardiogenesis. Nature 436, 214-20 (2005).miRNA結合部位の予測：Robins H1, Li Y, Padgett RW. Incorporating structure to predict microRNA targets. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005 Mar 15;102(11):4006-9. Epub 2005 Feb 28.miRNAとmRNAの結合の熱力学的解析：Mückstein U, Tafer H, Hackermüller J, Bernhart SH, Stadler PF, Hofacker IL. Thermodynamics of RNA-RNA binding. Bioinformatics. 2006 May 15;22(10):1177-82. Epub 2006 Jan 29.。その結果、初期状態のギブズエネルギーは－4.09 (kcal mol—1)ワトソン・クリック塩基対型RNA二重鎖の熱力学的解析：Tianbing Xia, John SantaLucia,  Jr., Mark E. Burkard , Ryszard Kierzek , Susan J. Schroeder, Xiaoqi Jiao, Christopher Cox, and Douglas H. Turner. Thermodynamic Parameters for an Expanded Nearest-Neighbor Model for Formation of RNA Duplexes with Watson−Crick Base Pairs. Biochemistry, 1998, 37 (42), pp 14719–14735. であり、最終状態のギブズエネルギーは－14 (kcal mol—1)miRNAとmRNAの相互作用における熱力学的解析：Dang Long, Rosalind Lee, Peter Williams, Chi Yu Chan, Victor Ambros & Ye Ding. Potent effect of target structure on microRNA function. Nat Struct Mol Biol. 2007 Apr;14(4):287-94. Epub 2007 Apr 1. であることが明らかにされた。したがって、mature-miRNAとmRNAの結合反応におけるギブズエネルギー変化は－10 (kcal mol—1) であると考えられるmiRNAのmRNA結合サイト認識能：Michael Kertesz, Nicola Iovino, Ulrich Unnerstall, Ulrike Gaul & Eran Segal. The role of site accessibility in microRNA target recognition. Nature Genetics 39, 1278 - 1284 (2007).。この値は水素結合の結合エネルギーとほぼ等しい水素結合1本当たりの結合エネルギーは－0.7から－1.6 (kcal mol—1) である：Douglas H. Turner, Naoki Sugimoto, Ryszard Kierzek, Scott D. Dreiker. Free energy increments for hydrogen bonds in nucleic acid base pairs. J. Am. Chem. Soc., 1987, 109 (12), pp 3783–3785.RNA二次構造体であるヘアピンループにおける水素結合の影響：J SantaLucia Jr, R Kierzek, DH Turner. Context dependence of hydrogen bond free energy revealed by substitutions in an RNA hairpin. Science 10 April 1992: 256 (5054): 217-219.6つのGC塩基対をもつ二重鎖のギブスエネルギーは－8.3 (kcal mol—1) となる：Kevin M. Guckian, Barbara A. Schweitzer, Rex X.-F. Ren, Charles J. Sheils, Pamela L. Paris, Deborah C. Tahmassebi, and Eric T. Kool. Experimental Measurement of Aromatic Stacking Affinities in the Context of Duplex DNA. J Am Chem Soc. 1996 August 28; 118(34): 8182–8183.GC塩基対1つ当たりの安定化エネルギーは－1.4 kcalである：Kool ET. Hydrogen bonding, base stacking, and steric effects in dna replication. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 2001;30:1-22.。このことから、mature-miRNAとmRNAはワトソン・クリック型の塩基対を形成しているといえる。つまり、GC含量の高いseed配列をもつmature-miRNAは、mRNAの3'-UTRに対して安定に結合できるseed配列において、GC含量とターゲット認識には正の相関がある：Xiaowei Wang. Composition of seed sequence is a major determinant of
microRNA targeting patterns. Bioinformatics. 2014 May 15;30(10):1377-83.。

 miRNAの制御機能 
機能性のncRNAの中でも、短鎖RNAはsmall RNA (スモールRNA, 小さなRNA) と呼ばれているsmall RNAの世界：Helge Grohans & Witold Filipowicz. Molecular biology: The expanding world of small RNAs. Nature 451, 414-416 (24 January 2008).。
small RNAとして広く知られているものに、siRNAとmiRNAがあるmiRNAとsiRNAの起源：Richard W. Carthew, Erik J. Sontheimer, Origins and Mechanisms of miRNAs and siRNAs, Cell, Volume 136, Issue 4, 20 February 2009, Pages 642–655.。

siRNAは、ウイルスRNAの転写を阻止する機能をもつsiRNAのウイルス防御機能：Carl D. Novina, Michael F. Murray, Derek M. Dykxhoorn, Paul J. Beresford, Jonathan Riess, Sang-Kyung Lee, Ronald G. Collman, Judy Lieberman, Premlata Shankar & Phillip A. Sharp、siRNA-directed inhibition of HIV-1 infection、Nature Medicine  8, 681 - 686 (2002)。。また、細胞の遺伝子発現の調節に関わっている二重鎖RNAは遺伝子発現を強力に阻害する：Andrew Fire, SiQun Xu, Mary K. Montgomery, Steven A. Kostas, Samuel E. Driver & Craig C. Mello, Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391, 806-811 (19 February 1998).。siRNAは外来性の2本鎖RNAであり、ヘアピンループ構造を形成している。その作用機構はRNAi機構である2本鎖RNAのサイレシング機構：Gunter Meister & Thomas Tuschl, Mechanisms of gene silencing by double-stranded RNA, Nature 431, 343-349 (16 September 2004).。
siRNAは単一のmRNA配列に完全相補的に結合する。特定のmRNAを分解に導くことで遺伝子発現を強力に阻害するmiRNAとsiRNAの翻訳制御：Marco Antonio Valencia-Sanchez, Jidong Liu, Gregory J. Hannon, and Roy Parker、Control of translation and mRNA degradation by miRNAs and siRNAs、Genes & Dev. 2006.  20:  515-524。。

一方、miRNAはsiRNAと違い、複数のmRNA配列に部分相補的に結合する。miRNAは、mRNAの翻訳反応を物理的に阻害することで、さまざまな遺伝子発現を抑制するmiRNAとsiRNAの機構とその機能：Richard W. Carthew1, Erik J. Sontheimer、Origins and Mechanisms of miRNAs and siRNAs、Cell, Volume 136, Issue 4, 20 February 2009, Pages 642–655.。

このことから、1種類のmiRNAは、多種類のmRNAの遺伝子発現調節に関わっているといえるmiRNAは複数のmRNAをターゲットにする：Lim LP, Lau NC, Garrett-Engele P, Grimson A, Schelter JM, Castle J, Bartel DP, Linsley PS, Johnson JM. Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs. Nature. 2005 Feb 17;433(7027):769-73. Epub 2005 Jan 30.。
逆に言い換えれば、1種類のmRNAの遺伝子発現は、多種類のmiRNAによって調節されている。

したがって、miRNAとmRNAは複雑な遺伝子発現制御ネットワークを形成していると考えられる。
つまり、miRNAは単一で機能しているのではなくて、ほかの種類のmiRNAと協力することで、複数のmRNAの遺伝子発現を抑制しているmiRNAsの協同的遺伝子制御：Ulf Schmitz, Xin Lai, Felix Winter, Olaf Wolkenhauer, Julio Vera and Shailendra K. Gupta. Cooperative gene regulation by microRNA pairs and their identification using a computational workflow. Nucl. Acids Res. (2014).。
このようにして、miRNAは制御機能のバランスを保ち、生物の恒常性を維持している。

 miRNAの解析 
miRNAは、細胞の発生miRNAと発生：La Torre A., Georgi S., Reh T.A. Conserved microRNA pathway regulates developmental timing of retinal neurogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013;110:E2362-E2370.、分化miRNAと分化：Le M.T.N., Xie H., Zhou B., Chia P.H., Rizk P., Um M., Udolph G., Yang H., Lim B., Lodish H.F. MicroRNA-125b promotes neuronal differentiation in human cells by repressing multiple targets. Mol. Cell. Biol. 2009;29:5290-5305.、増殖miRNAと増殖：Zhao Y, Samal E, Srivastava D. Serum response factor regulates a muscle-specific microRNA that targets Hand2 during cardiogenesis. Nature. 2005 Jul 14;436(7048):214-20. および細胞死miRNAと細胞死：Körner C., Keklikoglou I., Bender C., Wörner A., Münstermann E., Wiemann S. MicroRNA-31 sensitizes human breast cells to apoptosis by direct targeting of protein kinase C epsilon (PKCepsilon). J. Biol. Chem. 2013;288:8750-8761. などの基本的な生命現象の調節に関わっている哺乳類マイクロRNAの細胞内での機能とその解析：Angie M. Cheng, Mike W. Byrom, Jeffrey Shelton and Lance P. Ford, Antisense inhibition of human miRNAs and indications for an involvement of miRNA in cell growth and apoptosis,
Nucleic Acids Research.Volume 33,  Issue 4,　Pp.  1290-1297.哺乳類miRNAの構造および機能：V. Olive, A. C. Minella, and L. He, Outside the coding genome, mammalian microRNAs confer structural and functional complexity. Sci. Signal. 8, re2 (2015).。特に哺乳類の場合、2,500種類以上miRBase Ver. 21.0：Kozomara A., Griffiths-Jones S. MiRBase: integrating microRNA annotation and deep-sequencing data. Nucleic Acids Res. 2011;39:152-157. のmiRNAが遺伝子発現の30-90%を制御していることが知られている哺乳類マイクロRNAは約30%の遺伝子発現に関与している：Benjamin P. Lewis, Christopher B. Burge, David P. Bartel, Conserved Seed Pairing, Often Flanked by Adenosines, Indicates that Thousands of Human Genes are MicroRNA Targets, Cell, Volume 120, Issue 1, p15–20, 14 January 2005.哺乳類マイクロRNAは約60%の遺伝子発現に関与している：Friedman RC, Farh KK, Burge CB, Bartel DP. Most mammalian mRNAs are conserved targets of microRNAs. Genome Res. 2009 Jan;19(1):92-105.哺乳類マイクロRNAは約90%の遺伝子発現に関与している：Kevin C. Miranda, Tien Huynh, Yvonne Tay, Yen-Sin Ang, Wai-Leong Tam, Andrew M. Thomson, Bing Lim, Isidore Rigoutsos, A pattern-based method for the identification of MicroRNA binding sites and their corresponding heteroduplexes. Cell. 2006 Sep 22;126(6):1203-17.。これらの知見から、miRNAと生命現象の間には非常に密接な関係が成り立っているといえる。そのため、世界各国の研究者らによってmiRNAの解析が進められている。

miRNA mimicとmiRNA inhibitorの作用機構。|thumb|480px

miRNAの解析には、大きく分けて2つのツールが広く使われているマイクロRNAの解析手法：Swanhild U. Meyer , Michael W. Pfaffl, Susanne E. Ulbrich、Normalization strategies for microRNA profiling experiments: a ‘normal’ way to a hidden layer of complexity?、Biotechnology Letters、December 2010, Volume 32, Issue 12, pp 1777-1788。miRNAの治療にも用いられるツール：Eva van Rooij, & Sakari Kauppinen. Development of microRNA therapeutics is
coming of age. EMBO Molecular Medicine Vol 6 | No 7 | 2014.。

miRNA mimic (miRNAミミック、miRNA擬態者) とmiRNA inhibitor (miRNAインヒビター、miRNA阻害剤) であるmiRNA mimicとmiRNA inhibitorの用例：Carmen Sucharova, , , Michael R. Bristowa, J. David Port、miRNA expression in the failing human heart: Functional correlates、Journal of Molecular and Cellular Cardiology、Volume 45, Issue 2, August 2008, Pages 185–192。。

miRNA mimicは、miRNA分子を模倣した2本鎖RNAである。miRNAの機能活性を高めることでmiRNAの機能を解析するmiRNA mimicの設計指針：Wang Z, The guideline of the design and validation of MiRNA mimics., Methods Mol Biol. 2011;676:211-23.。

miRNA inhibitorは、miRNA分子に特異的に結合する1本鎖RNAである。miRNAの機能活性を低めることでmiRNAの機能を解析するmiRNA inhibitorの機能：Angie M. Cheng, Mike W. Byrom, Jeffrey Shelton and Lance P. Ford、Antisense inhibition of human miRNAs and indications for an involvement of miRNA in cell growth and apoptosis、Nucl. Acids Res. (2005)  33  (4):  1290-1297.。

miRNA inhibitorの原理には、アンチセンス核酸分子を用いたアンチセンス法が用いられている1978年、Zamecnikらによって、はじめのアンチセンス核酸が報告された：P.S.Zamecnik et al., Proc Natl Acad Sci USA 75(1978) 280-4。アンチセンス法とは、ターゲットの核酸分子と対になるような塩基配列を有する核酸分子をターゲットの核酸分子に結合させることで、ターゲットの核酸分子の機能を阻害する手法であるmiRNAを標的とした最初のAMOの報告：Alexandra Boutla, Christos Delidakis and Martin Tabler. Developmental defects by antisense‐mediated inactivation of micro‐RNAs 2 and 13 in Drosophila and the identification of putative target genes. Nucl. Acids Res. (2003)  31  (17):  4973-4980.。つまり、ターゲットのmiRNAの機能のみを強力に阻害することで、そのmiRNAの細胞内での役割を明らかにできる合成アンチセンス分子を用いたマイクロRNAの機能解析：Kim A. Lennox, Mark A. Behlke、A Direct Comparison of Anti-microRNA Oligonucleotide Potency、Pharmaceutical Research、September 2010, Volume 27, Issue 9, pp 1788-1799。。

実際、miRNAの機能を強力に阻害することを主な目的として、非天然型の人工合成核酸で配列選択的に修飾されたアンチセンス核酸分子の設計と開発の研究が盛んに行われている人工核酸を用いたAMO設計：Kim A Lennox, Richard Owczarzy, Derek M Thomas, Joseph A Walder and Mark A Behlke"Improved Performance of Anti-miRNA Oligonucleotides
Using a Novel Non-Nucleotide Modifier""Molecular Therapy—Nucleic Acids (2013) 2, e117"。一般に、このようなアンチセンス核酸分子はmiRNAの機能を阻害するアンチセンス核酸分子という意味をもつので、AMO (anti-miRNA oligonucleotide, 抗miRNAオリゴヌクレオチド) と呼ばれているmiRNAの機能を阻害するAMOについて： J Weiler, J Hunziker and J Hall Gene Therapy (2006) 13, 496–502 "Anti-miRNA oligonucleotides (AMOs): ammunition to target miRNAs implicated in human disease?。。

AMO設計の研究について、有機化学的な合成手法と、分子生物学的および熱力学的な解析手法を用いることで、さまざまな種類のAMO分子が開発されているseed配列を標的とした8-mer LNA inhibitor：Susanna Obad, Camila O dos Santos, Andreas Petri, Markus Heidenblad, Oliver Broom, Cristian Ruse, Cexiong Fu, Morten Lindow, Jan Stenvang, Ellen Marie Straarup, Henrik Frydenlund Hansen, Troels Koch, Darryl Pappin, Gregory J Hannon & Sakari Kauppinen. Silencing of microRNA families by seed-targeting tiny LNAs. Nature Genetics  43, 371–378 (2011).新たなタイプのAMOの一例：Suzan M Hammond, Graham McClorey, Joel Z Nordin, Caroline Godfrey, Sofia Stenler, Kim A Lennox, CI Edvard Smith,
Ashley M Jacobi, Miguel A Varela, Yi Lee, Mark A Behlke, Matthew JA Wood and Samir EL Andaloussi、Correlating In Vitro Splice Switching Activity With
Systemic In Vivo Delivery Using Novel ZEN-modified
Oligonucleotides、Citation: Molecular Therapy—Nucleic Acids (2014) 3, e212。。

 miRNAと疾患 
miRNAは、がんmiRNAとがん：Michael T McManus、MicroRNAs and cancer、Seminars in Cancer Biology, Volume 13, Issue 4, August 2003, Pages 253–258.、心血管疾患miRNAと心血管疾患の関わり：Wisløff U, Najjar SM, Ellingsen O, Haram PM, Swoap S, Al-Share Q, Fernström M, Rezaei K, Lee SJ, Koch LG, Britton SL. Cardiovascular risk factors emerge after artificial selection for low aerobic capacity. Science. 2005 Jan 21;307(5708):418-20.、神経変性疾患miR-96-5pはグルタチオン濃度を調節する：Chisato Kinoshita, Koji Aoyama, Nobuko Matsumura, Kazue Kikuchi-Utsumi,
Masahiko Watabe & Toshio Nakaki. Rhythmic oscillations of the microRNA miR-96-5p
play a neuroprotective role by indirectly regulating
glutathione levels. Nature Communications  5, Article number: 3823.、精神疾患miR-137と総合失調症：Carrie Wright, Jessica A. Turner, Vince D. Calhoun and Nora Perrone-Bizzozero. Potential Impact of miR-137 and Its Targets in Schizophrenia. Front Genet. 2013; 4: 58.、慢性炎症性疾患miR-132と炎症性関節炎：Jenny Buckland. Biomarkers: MicroRNAs under the spotlight in inflammatory arthritis. Nature Reviews Rheumatology 6, 436 (August 2010). などの発症と進行に関わっているmiR2Diseaseに基づくマイクロRNA疾患：Qinghua Jiang, Yadong Wang, Yangyang Hao, Liran Juan, Mingxiang Teng, Xinjun Zhang, Meimei Li, Guohua Wang and Yunlong Liu, miR2Disease: a manually curated database for microRNA deregulation in human disease, Nucl. Acids Res. (2009)  37  (suppl 1):  D98-D104.。特に、がんの原因因子についてはさまざまな議論がなされているがVogelsteinのがん研究の総説：Bert Vogelstein, Nickolas Papadopoulos, Victor E. Velculescu, Shibin Zhou,
Luis A. Diaz Jr., Kenneth W. Kinzler*, Cancer Genome Landscapes, Science 29 March 2013: Vol. 339 no. 6127 pp. 1546-1558 .、その中でもmiRNAは、細胞のがん化に深く関与していることが多くの研究者らによって指摘されているヒトmiRNAの52.5%は、がん関連ゲノム領域にコードされている：George Adrian Calin, Cinzia Sevignani, Calin Dan Dumitru, Terry Hyslop, Evan Noch, Sai Yendamuri,
Masayoshi Shimizu, Sashi Rattan, Florencia Bullrich, Massimo Negrini, and Carlo M. Croce. Human microRNA genes are frequently located at
fragile sites and genomic regions involved in cancers. PNAS March 2, 2004 vol. 101 no. 9  2999–3004.マイクロRNAとがんの関わり：　Jun Lu ,  Gad Getz ,  Eric A. Miska ,  Ezequiel Alvarez-Saavedra ,  Justin Lamb ,  David Peck ,  Alejandro Sweet-Cordero ,  Benjamin L. Ebert ,  Raymond H. Mak ,  Adolfo A. Ferrando ,  James R. Downing ,  Tyler Jacks ,  H. Robert Horvitz  &  Todd R. Golub, MicroRNA expression profiles classify human cancers, Nature 435, 834–838 (9 June 2005).がんにおけるncRNAの役割：Leslie K. Ferrarelli、Noncoding RNAs in cancer、Sci. Signal. 8, eg3 (2015).。

miRNAとがん化の関わりについて、2002年、米国のG. M. CalinとC. M. Croceらによって最初の報告がなされたmiR-15とmiR-16は慢性リンパ性白血病の発症に関わる：Calin GA, Dumitru CD, Shimizu M, Bichi R, Zupo S, Noch E, Aldler H, Rattan S, Keating M, Rai K, Rassenti L, Kipps T, Negrini M, Bullrich F, Croce CM. Frequent deletions and down-regulation of micro- RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002 Nov 26;99(24):15524-9. Epub 2002 Nov 14.。

それ以降、がんに関わるmiRNAに、正の制御をする (がん化を促進する) ものと負の制御をする (がん化を抑制する) ものの2種類のタイプが存在することがわかったマイクロRNAの正と負の制御の役割：Massimo Negrini, Manuela Ferracin1, Silvia Sabbioni and Carlo M. Croce、MicroRNAs in human cancer: from research to therapy、June 1, 2007 J Cell Sci 120, 1833-1840.。

正の制御をするmiRNAはonco miRNA (oncogenic miRNA, がん促進型miRNA) がんを誘発するマイクロRNA：George A. Calin & Carlo M. Croce、MicroRNA signatures in human cancers、Nature Reviews Cancer 6, 857-866 (November 2006) .、負の制御をするmiRNAはTumor Suppressor miRNA (がん抑制型miRNA) がんを抑制するマイクロRNA：Jason F. Wiggins, Lynnsie Ruffino, Kevin Kelnar, Michael Omotola, Lubna Patrawala, David Brown, and Andreas G. Bader, Cancer Res July 15, 2010  70;  5923. と呼ばれているonco miRNAとTumor Suppressor miRNA：Baohong Zhang, Xiaoping Pan, George P. Cobb, Todd A. Anderson. microRNAs as oncogenes and tumor suppressors. Developmental Biology. Volume 302, Issue 1, 1 February 2007, Pages 1–12.Tumor Suppressor miRNAとonco miRNA：O A Kent and J T Mendell. A small piece in the cancer puzzle: microRNAs as tumor suppressors and oncogenes. Oncogene (2006) 25, 6188–6196.。
特に、onco miRNAに関して、その発現量の亢進が細胞のがん化を誘発していることが明らかにされているマイクロRNA-21の調整因子としての役割：Fanyin Meng, Roger Henson, Hania Wehbe–Janek, Kalpana Ghoshal, Samson T. Jacob, Tushar Patel, MicroRNA-21 Regulates Expression of the PTEN Tumor Suppressor Gene in Human Hepatocellular Cancer, Gastroenterology,August 2007, Volume 133, Issue 2, Pages 647–658.。つまり、miRNAの発現量異常は、生物の恒常性の破綻に直結する。

+ 代表的なonco miRNAとtumor suppressor miRNAの一例 miRNAの種類  onco miRNA/tumor suppressor miRNA  がんの種類 miR-21 onco miRNA  乳がんmiR-21と乳がん：Iorio MV, Ferracin M, Liu CG, Veronese A, Spizzo R, Sabbioni S, Magri E, Pedriali M, Fabbri M, Campiglio M, Ménard S, Palazzo JP, Rosenberg A, Musiani P, Volinia S, Nenci I, Calin GA, Querzoli P, Negrini M, Croce CM. MicroRNA gene expression
deregulation in human breast cancer. Cancer Res 2005； 65： 7065–70.、子宮頸がんmiR-21と子宮頸がん：Xu J, Zhang W, Lv Q, Zhu D. Overexpression of miR-21 promotes the proliferation and migration of cervical cancer cells via the inhibition of PTEN. Oncol Rep. 2015 Jun;33(6):3108-16.、肺がんmiR-21と肺がん：Masahiro Seikea, Akiteru Gotoa, Tetsuya Okanoa, Elise D. Bowmana, Aaron J. Schettera, Izumi Horikawaa, Ewy A. Mathea, Jin Jenc, Ping Yangd, Haruhiko Sugimurae, Akihiko Gemmab, Shoji Kudohb, Carlo M. Crocef and Curtis C. Harrisa. MiR-21 is an EGFR-regulated anti-apoptotic factor in lung cancer in never-smokers. PNAS � July 21, 2009 � vol. 106 � no. 29 � 12085–12090.、大腸がんmiR-21と大腸がん：Chung Wah Wu, Simon S M Ng, Yu Juan Dong, Siew Chien Ng, Wing Wa Leung, Chung Wa Lee, Yee Ni Wong, Francis K L Chan, Jun Yu, Joseph J Y Sung. Detection of miR-92a and miR-21 in stool samples as potential screening biomarkers for colorectal cancer and polyps. Gut 2012;61:739-745. など miR-34 tumor suppressor miRNA  前立腺がんmiR-34と前立腺がん：Cheng CY, Hwang CI, Corney DC, Flesken-Nikitin A, Jiang L, Oner GM, Munroe RJ, Schimenti JC, Hermeking H, Nikitin AY. miR-34 cooperates with p53 in suppression of prostate cancer by joint regulation of stem cell compartment. Cell Rep. 2014 Mar 27;6(6):1000-7.、肺がんmiR-34と肺がん：Shi Y, Liu C, Liu X, Tang DG, Wang J. The microRNA miR-34a inhibits non-small cell lung cancer (NSCLC) growth and the CD44hi stem-like NSCLC cells. PLoS One. 2014 Mar 4;9(3):e90022.、大腸がんmiR-34と大腸がん：Gao J, Li N, Dong Y, Li S, Xu L, Li X, Li Y, Li Z, Ng SS, Sung JJ, Shen L, Yu J. miR-34a-5p suppresses colorectal cancer metastasis and predicts recurrence in patients with stage II/III colorectal cancer. Oncogene. 2015 Jul 30;34(31):4142-52.、肝臓がんmiR-34と肝臓がん：Gougelet A, Sartor C, Bachelot L, Godard C, Marchiol C, Renault G, Tores F, Nitschke P, Cavard C, Terris B, Perret C, Colnot S. Antitumour activity of an inhibitor of miR-34a in liver cancer with β-catenin-mutations. Gut. 2015 Mar 19. pii: gutjnl-2014-308969. など

2010年、米国の研究グループは初期のリンパ腫を人為的に発症させたトランスジェニックマウスを作製したmiRNAの発現量異常と細胞のがん化について： Pedro P. Medina, Mona Nolde & Frank J. Slack Nature  467, 86–90 (2010) "OncomiR addiction in an in vivo model of microRNA-21-induced pre-B-cell lymphoma。。そのマウスにおいて、onco miRNAのひとつであるmiR-21 (miRNA-21) というmiRNAの発現量を抑制した場合、プレB細胞由来のリンパ腫の消滅が観察された。そのため、onco miRNAの発現量を低下させ、がん細胞を消滅させるという方法は、がんの新たな治療薬の開発手法のひとつとして注目されているマイクロRNAをターゲットとした、がん治療：Ramiro Garzon ,  Guido Marcucci  &  Carlo M. Croce、Targeting microRNAs in cancer: rationale, strategies and challenges、Nature Reviews Drug Discovery 9, 775–789 (1 October 2010)。最初のmicroRNA標的として発見されたmiR-122 (microRNA-122) の薬理的影響についての総説：Morten Lindow and Sakari Kauppinen, Discovering the first microRNA-targeted drug, J. Cell Biol. (2012) Vol. 199 No. 3 407–412.慢性C型肝炎ウイルス（HCV）治療薬のmiR-122 Inhibitor (Miravirsen) はフェーズII試験を終えて、高い有効性を示す：Harry L.A. Janssen, M.D., Ph.D., Hendrik W. Reesink, M.D., Ph.D., Eric J. Lawitz, M.D.,
Stefan Zeuzem, M.D., Maribel Rodriguez-Torres, M.D., Keyur Patel, M.D., Adriaan J. van der Meer, M.D., Amy K. Patick, Ph.D., Alice Chen, B.A., Yi Zhou, Ph.D., Robert Persson, Ph.D., Barney D. King, M.D., Sakari Kauppinen, Ph.D., Arthur A. Levin, Ph.D., and Michael R. Hodges, M.D. Treatment of HCV Infection by Targeting
MicroRNA. N Engl J Med 2013; 368:1685-1694May 2, 2013.Miravirsenは、月1回の投与でHCV治療に効果を示す。Miravirsenは最初のmicroRNA標的薬。：R. Persson, M. R. Hodges, B. D. King, A. Chen, K. Zeh and A. A. Levin. Pharmacokinetics of Miravirsen, a miR-122 Inhibitor, Predict the Prolonged Viral 
Load Reduction in Treatment Naive Genotype 1 HCV-Infected Patients. EASL - The International Liver Congress 2015 50th annual Meeting of the European  association for the Study of the Liver Vienna, austria  april 22-26.。

事実、miRNAとがん発症に高い相関性が見られることから、がんを中心としたさまざまなヒト疾患に対する核酸医薬品の開発が盛んに行われている。

2013年、米国の研究グループによって、miRNA mimic (miR-34a mimic) をがん患者に投与した、最初の臨床研究がはじまったmiRNA mimicを使った最初の臨床研究：Aaron Bouchie、First microRNA mimic enters clinic、Nature Biotechnology  31, 577 (2013)。。以降、2015年までに米国では数十例の臨床研究が進められてきたmiRNAを利用した治療研究：Kaladhar B Reddy、MicroRNA (miRNA) in cancer、Cancer Cell International 2015。。また、マイクロRNAについてはがん診断のためのバイオマーカーへの応用も期待されているびまん性大細胞型B細胞性リンパ腫を発症した患者の血清中からonco miRNAを検出した：Charles H. Lawrie, Shira Gal, Heather M. Dunlop, Beena Pushkaran, Amanda P. Liggins, Karen Pulford, Alison H. Banham, Francesco Pezzella, Jacqueline Boultwood, James S. Wainscoat, Christian S. R. Hatton and Adrian L. Harris. Detection of elevated levels of tumour-associated microRNAs in serum of patients with diffuse large B-cell lymphoma. Br J Haematol. (2008) May;141(5):672-5.血液中を安定に巡回するonco RNA (miR-141) の腫瘍マーカーとしての可能性：Patrick S. Mitchell, Rachael K. Parkin, Evan M. Kroh, Brian R. Fritz, Stacia K. Wyman, Era L. Pogosova-Agadjanyan, Amelia Peterson, Jennifer Noteboom, Kathy C. O'Briant, April Allen, Daniel W. Lin, Nicole Urban, Charles W. Drescher, Beatrice S. Knudsen, Derek L. Stirewalt, Robert Gentleman, Robert L. Vessella, Peter S. Nelson, Daniel B. Martin and Muneesh Tewari. Circulating microRNAs as stable blood-based markers for cancer detection. PNAS July 29, (2008) vol. 105 no. 30 10513–10518.エクソソーム中でマイクロRNAは安定に存在している：Johan Skog, Tom Würdinger, Sjoerd van Rijn, Dimphna H. Meijer, Laura Gainche, William T. Curry, Jr, Bob S. Carter, Anna M. Krichevsky & Xandra O. Breakefield. Glioblastoma microvesicles transport RNA and proteins that promote tumour growth and provide diagnostic biomarkers. Nature Cell Biology 10, 1470 - 1476 (2008).マイクロRNA臨床研究のレビュー：Josie Hayes, Pier Paolo Peruzze, and Sean Lawler、MicroRNAs in cancer: biomarkers, functions and therapy、Trends in Molecular Medicine, August 2014, Vol. 20, No. 8。。

 出典 

 外部リンク 
 miRBase - miRNAデータベース
 miR2Disease - ヒト疾患におけるmiRNA
 鈴木 洋:「マイクロRNA：生合成調節機構と遺伝子発現調節ネットワークの理解」、生化学、Vol.87, No.4 (2015), pp.413-421.

みくろ
Category:非コードRNA