小分子核糖核酸

**小分子核糖核酸**（英語：microRNA，縮寫 miRNA），又稱**微 RNA**（微核糖核酸），是真核生物中廣泛存在的一種長約 21 到 23 個核苷酸的 RNA 分子，可調節其他基因的表現。miRNA 來自一些從 DNA 轉錄而來，但無法進一步轉譯成蛋白質的 RNA（屬於非編碼 RNA）。miRNA 通過與目標 mRNA 結合，進而抑制轉錄後的基因表現，在調控基因表現、細胞周期、生物體發育時序等方面起重要作用。在動物中，一個 miRNA 通常可以調控數十個基因。

這些 RNA 是從初級轉錄本（primary transcript）出來的，也就是 pri-miRNA，轉變成為稱為 pre-miRNA 的莖環結構，最後成為具有功能的成熟 miRNA。

1989 年，Victor 發現秀麗隱杆線蟲（C. elegans）中有個基因 lin-4 抑制另一個基因 lin-14。他們認為 lin-4 應該也表現一種調控蛋白質，因為基因轉錄成 RNA 並轉譯成蛋白質是當時認為的公理。不過 1993 年，Victor 的學生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了 lin-4，卻發現這個基因非常小，不足以做出蛋白質，而且這個基因的產物確實也不是蛋白質，而是一個長度只有 22 個核苷酸的 RNA，後來人們又發現此 miRNA 可以和其他蛋白質結合，阻斷其他表現，最終產生上述的基因抑制現象。它是由單鏈的 RNA 分子產生，這個分子的一端折回來形成不完全的互補配對，稱「莖環」。

pri-miRNA 長度大約為 300~1000 個鹼基，pri-miRNA 經過一次加工後，成為 pre-miRNA 即 microRNA 前體，長度大約為 70~90 個鹼基；pre-miRNA 再經過 Dicer 酶酶切後，成為長約 20~24nt 的成熟 miRNA。實際研究中，pre-miRNA 應用最早，也最廣泛。近年研究發現 microRNA 的雙臂對成熟 miRNA 的形成有著十分重要的作用。

與小分子 siRNAs 相比，miRNA 在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差異。siRNA 是雙股 RNA，3' 端有 2 個非配對鹼基，通常為 UU；miRNA 是單股 RNA。siRNAs 是由 dsRNA 在 Dicer 酶切割下產生，而成熟 miRNAs 的產生要複雜一些，首先 pri-miRNA 在核內由一種稱為 Drosha 酶處理後成為大約 70nt 的帶有莖環結構的 Precursor miRNAs（pre-miRNAs），這些 pre-miRNAs 再在 Exportin-5 幫助下轉運到細胞核外之後再由胞質 Dicer 酶進行處理，酶切後成為成熟的 miRNAs。

生命的一些重要活動如幼蟲的生長發育、細胞的發生和分化、神經系統的分化等都被一些非編碼蛋白的小 RNA 的調控，而除 miRNA、siRNA 以外的小 RNA 我們目前知之甚少。

## 命名規則

miR - 前綴後面所跟著的數字，代表命名的順序，比如，miR-124 比 miR-456 發現得早。

「miR-」代表成熟的 miRNA、「mir-」代表 pre-miRNA 和 pri-miRNA、「MIR」代表編碼 miRNA 的基因。

miRNA 幾乎全是獨一的編碼順序，但對於擁有一兩個鹼基不同的則會被標上字母以示，例如，miR-124a 與 miR-124b。
若成熟的 miRNA 相同，但 pre-miRNA 和 pri-miRNA 和編碼他們的基因來自於不同的基因組，則使用數字來表示，例如，mir-194-1 和 mir-194-2 表示兩個 pre-， pri-miRNA 剪切後的成熟 miRNA 是完全相同的，但卻是兩個不同的來源。

前綴的三個字母代表了不同的種族來源，例如，hsa-miR-194 代表 miRNA 來源於人類，oar-miR-124 來源於綿羊。

對於形成 pre-，pri-miRNA 莖環的兩端 miRNA， 通常一端在數量上遠遠超過另一端。數量優勢的一端往往稱為 guide strand，而另一端被稱為 passenger strand，通常被大量降解，用 \* 號來表示，例如 miR-124 和 miR-124\*。

## 生物合成機制

有多達 40％的 miRNA 位於其他基因的內含子或甚至外顯子中。他們通常（但不限於）在有義方向被發現，因此它們通常與他們宿主基因一起調節。
位於 DNA 模板上的序列，並非成熟 miRNA 的最終編碼：有 6％的人類 miRNA 有 RNA 編輯的現象，RNA 上特定位置的修飾，會產生和他們 DNA 不同的產物。這增加了 miRNA 作用的多樣性和範圍，遠超過了基因組單獨引起的作用。

### 轉錄

miRNA 基因通常由 RNA 聚合酶 Ⅱ 轉錄，聚合酶常常會結合到 DNA 序列附近的啟動子，並將其編碼成前 miRNA 的髮夾環。
所得到的轉錄產物，上有 5' 端帽及多聚腺苷酸尾並已被剪接。動物的 miRNA 最初轉錄為約 80 個核苷酸的 RNA 莖環，其會交互形成幾百個核苷酸長的 miRNA 前體，稱作 pri-miRNA。當在 3'UTR (3' 非編碼區) 中發現莖 - 環前體時，該轉錄物可以作為 pri-miRNA 和 mRNA。
此外，RNA 聚合酶 Ⅲ 也會轉錄一些 miRNA，特別是具有上游 Alu 元件的、tRNA 或哺乳動物寬分散重複 (mammalian-wide interspersed repeats) 啟動子單元。

### 核加工

單個 pri-miRNA 可以含有 1 至 6 個 miRNA precursor，這些髮夾環結構各自由約 70 個核苷酸組成，而每個髮夾的側翼包含了 RNA 加工的必要序列。
在 pri-miRNA 中髮夾的雙鏈 RNA（dsRNA）結構，會被稱為 DiGeorge 症候群關鍵區 8（DGCR8 或無脊椎動物中的「Pasha」）的核蛋白所識別。隨後 DGCR8 與 Drosha 酵素結合形成微加工複合體 (Microprocessor complex)。

在該複合物中，DGCR8 使 Drosha 的 RNase III 催化結構區域定向，藉此從髮夾鹼基中切割約 11 個核苷酸，從而釋放 pri-miRNA 的髮夾彎。所得產物在其 3' 端具有兩個核苷酸的突出端，其也具有 3' 羥基和 5' 磷酸基團。它通常被稱為前 miRNA（pre-miRNA）。有許多對於有效加工重要的 pre-miRNA 下游的序列基序 (Sequence motif)，已被識別鑑定了。

而對於那些繞過微加工複合體，直接剪接出內含子的前 miRNA，被稱為「Mirtrons」。其最初被認為只存在於果蠅和秀麗隱桿線蟲中，然而現在已經在哺乳動物中發現其存在。
有多達 16％的 pre-miRNA 可以透過核 RNA 編輯改變，其中最常見地，如腺苷去胺酶作用於 RNA（ADAR）上的腺苷至肌苷（A 至 I）轉換。另外，RNA 編輯也能停止核加工 (例如 pri-miR-142，其會導致核糖核酸酶 Tudor-SN 的降解)，並改變下游流程包括細胞質 miRNA 的加工與目標專一性 (像是改變中樞神經系統中 miR-376 的種子區域)。

### 核輸出

核細胞穿梭蛋白 Exportin-5 涉及前 miRNA 髮夾從細胞核輸出的過程。這種蛋白質是 karyopherin 家族的一個成員，它會識別前 miRNA 髮夾的 3' 末端，由 RNase III 酶與 Drosha 遺留的兩個核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated 介導運輸到細胞質是能量依賴的 (主動運輸)，其使用 GTP 來綁定 Ran 蛋白。

### 細胞質加工

在細胞質中，前 miRNA 髮夾會被由 RNaseIII 酶 Dicer 所切割 ，該內切核糖核酸酶與 miRNA 髮夾的 5' 和 3' 端相互作用並切除連接 3' 和 5' 臂的環 ，產生長度為 22 個核苷酸的不完全的 miRNA：miRNA\* 雙鏈體 。整個髮夾長度和環尺寸都會影響 Dicer 的加工效率。由於 RNA 的不完全配對性質，miRNA：miRNA\* 雙鏈體的配對程度也會影響切割 。

此外，一些富含 G 的 pre-miRNA 可以潛在地利用 G - 四聯體，來替代典型的莖 - 環結構。 例如，人的 pre-miRNA 92B 就使用 G - 四聯體，來抵抗 Dicer 在細胞質中的介導切割。 雖然雙鏈體的任一鏈，皆可作為潛在作用的功能 miRNA，但通常只有一條鏈會摻入 RNA 誘導沉默複合體（RISC）中，在其中該 miRNA 會與其目標 mRNA 相互作用。

 

### 植物中的生物合成

在植物中 miRNA 的生物合成與動物的最大差異，主要是在於核加工和輸出的過程中：其不像動物使用兩種不同的切割酶 (一種位於核內部、一種位於核外部)。植物的兩種切割，都是利用稱為 Dicer-like1（DL1）(Dicer 同源物) 進行，由於 DL1 僅在植物的細胞核中表達，這表明這兩種切割都在核內發生。在植物 miRNA：miRNA \* 雙鏈體被轉運出細胞核之前，其 3' 突出端會被稱為 Hua-Enhancer1（HEN1）的 RNA 甲基轉移蛋白甲基化，然後透過稱為 Hast（HST）的蛋白質（Exportin 5 蛋白的同源物）將雙鏈體從細胞核運出到細胞質中，在那裡它們會分解並且生成成熟的 miRNA，來結合到 RISC 中。

## 參考文獻

## 外部連結

* miRex: Registry of microRNA expression profiles Internet registry for microRNA expression profiles. The server is part of RNA@IGIB.
* A tutorial on miRNAs by Ambion （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 3-D animations describing microRNA formation and function by Rosetta
* Eumir: Web server for prediction of eukaryotic microRNA precursors Web server implementing SVM based prediction of microRNA precursors. Also incorporates companion web server HairpinFetcher.The servers are part of RNA@IGIB.
* 微 RNA 實驗方法 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

## 參見

* 小干擾 RNA（siRNA）
* RNA 干擾（RNAi）
* 基因表現