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Small RNA修飾：重要功能與相關疾病研究進展

2022-10-25

 

Small RNA修飾：重要功能與相關疾病研究進展

 

在RNA分子上進行修飾，如5-甲基胞苷（m5C）、7-甲基鳥苷（m7G）、假尿苷(Ψ)和N6-甲基腺苷（m6A）等可調節相應Small RNA在不同生物學過程中的活性，且在病理過程中發揮關鍵作用。

Small RNA有可能以修飾核苷酸的形式存儲不穩定的第二層遺傳信息。研究資料顯示，包括microRNA (miRNA)、Piwi相互作用RNA (piRNA) 和tRNA衍生的Small RNA (tsRNA) 在内的Small RNA具有多種 RNA修飾。這些發現強調了RNA修飾在調節基本特性中的重要性，例如RNA穩定性和其他複雜的生理過程，這些過程涉及應激反應、代謝、免疫和環境因素引起的表觀遺傳等。如今用于檢測、定位和篩選這些Small RNA修飾的高分辨率、高通量方法有望使其成爲臨床診斷中新一類高靈敏度疾病生物标志物。

 

一、Small RNA修飾的生物學功能

1.Small RNA上的修飾影響miRNA生成

RNA鏈上含有由RNA編輯酶ADAR1産生的肌苷的pri-miRNA能夠抵抗miRNA剪切酶Drosha的切割，從而減少成熟miRNA的産生[1] 。另一方面，帶有m6A修飾的pri-miRNA則會促進Drosha的切割，導緻成熟miRNA的增加[2] 。此外，m7G修飾也被發現可以促進pre-miRNA的成熟(如let-7e上的m7G修飾) [3] 。

 

2.Small RNA上的修飾影響miRNA識别靶基因

已知miRNA種子區修飾(如miR-184和miR-1上的O8G修飾)能夠改變miRNA-mRNA堿基配對，影響miRNA靶向目的基因的特異性，進而産生影響重大的生物學影響[4-6] 。那這些修飾在病理條件下被添加到Small RNA上，就能夠作爲一種表觀轉錄機制來調控基因的表達[5,6] 。

 

3.Small RNA上的修飾影響其穩定性

哺乳動物Small RNA(如siRNA和piRNA) 的3'端2' - O -甲基化(2 ' -OMe)可保護Small RNA免受尿苷化和RNA降解途徑的降解[7]。2' -OMe可以延長植物miRNA被攝入後在人體内的半衰期，那這就産生了一種有趣的可能，即來自植物性飲食的修飾Small RNA可以在人體胃腸道中存在足夠長的時間，進而調節人體的生理過程[8,9] 。

 

4.區分自身和外源RNA

缺乏肌苷修飾的外源dsRNA能夠與一種dsRNA解旋酶類型的RIG-I樣受體蛋白MDA5結合，觸發抗病毒天然免疫反應[10] 。有研究表明，缺乏18位2' - O甲基化(Gm)的細菌tRNAs能夠被相關免疫細胞中内體表面的toll樣受體7 (TLR-7)識别，激活下遊天然免疫反應[11] 。

 

二、重要的Small RNA修飾及其功能

7-甲基鳥苷(m7G)

m7G甲基轉移酶METTL1通過m7G直接與miRNA前體結合，并加速pre-miRNA成熟[3] 。在經過pre-miRNA的加工過程後，m7G可能仍處于成熟miRNA上，并調控成熟miRNA的功能。例如，帶有m7G修飾的成熟let-7e能夠下調靶HMGA2 mRNA的穩定性和翻譯效率，即可通過降低HMGA2的水平來抑制肺癌細胞的遷移和增殖。

 

假尿苷(Ψ)

假尿苷(Ψ)是RNA上最豐富的修飾核苷,又被稱爲RNA的“第五種核苷”。在假尿苷合成酶7 (PUS7)的催化下，tsRNA 5'端寡聚鳥嘌呤(TOG)中的假尿苷化可激活人胚胎幹細胞中tsRNA介導的整體翻譯抑制[12] 。

 

N6-甲基腺苷(m6A)

一方面，通過對于m6A抗體富集的miRNA及其上帶有的m6A修飾基序RRACH進行分析，人們發現在人類胚胎腎細胞HEK293中，有超過200種成熟的miRNA被m6A修飾[13] 。

 

另一方面，m6A修飾能夠影響miRNA功能。例如，在miR-17-5p或let-7a-5p中，m6A引起mRNA識别位點周圍的大範圍構象變化，改變miRNA的靶向效率[14] 。總體來說，與配對的正常組織相比，癌組織中miRNA上的m6A甲基化顯著增加。尤其值得注意的是，在血清中m6A修飾的miR-17-5p水平在區分早期胰腺癌患者與健康人時具有極高的靈敏度和特異性[14] 。因此，miRNA中的m6A修飾狀态可以作爲早期癌症的診斷生物标志物。以上結果表明，對m6A修飾的研究是我們理解miRNA生物學功能的另一個重要角度。

 

5-甲基胞苷(m5C)

miRNA上的m5C修飾能夠幹擾miRNA/mRNA雙鏈的形成，導緻miRNA自身基因沉默活性的喪失。例如，m5C修飾解除了miRNA-181a-5p的抑癌功能，并與多形性成膠質細胞瘤(GBM)的預後不良相關[15] 。此外，m5C修飾還會引起RISC沉默複合物的結構變化。例如，在miR-200c-3p中，靠近MRE位點的第9位堿基上m5C修飾破壞了miRNA與AGO的Ser220間形成的氫鍵，導緻與AGO的Arg761相互作用的miRNA第8位鳥嘌呤發生移位[14] 。

 

三、Small RNA修飾作爲疾病診斷的生物标志物

幾種不同的方法已被用于 RNA 修飾的高通量分析。每種方法在監測特定 RNA 修飾、表征生物樣品中的全局修飾譜或揭示具有序列水平特異性的修飾 RNA 的身份方面都具有不同的優勢。基于抗體的修飾Small RNA檢測已顯示出作爲識别疾病早期标志物的靈敏診斷的前景。例如，miRNA的O8G氧化影響氧化還原介導的基因表達，并與心肌細胞上發生的疾病相關[5] 。此外，與正常組織相比，m6A修飾的miRNA在癌症中顯著增加。舉例而言，對血清中m6A修飾的miR-17-5p水平檢測在診斷早期胰腺癌的過程中具有極高的靈敏度和特異性[14] 。

 

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項目号 産品名稱 規格 CAS編号 包裝
M168367 7-甲基鳥苷 90% 20244-86-4 25mg/100mg/250mg
P302888 假尿苷 ≥98% 1445-07-4 5mg/25mg/100mg/
500mg/1g/5g
N191760 N6-甲基腺苷 98% 1867-73-8 250mg/1g
N422283 N6-甲基腺苷 10mM in DMSO 1867-73-8 1ml
M168577 5-甲基胞苷 99% 2140-61-6 250mg/1g/5g/10g
M422586 5-甲基胞苷 10mM in DMSO 2140-61-6 1ml

 

參考文獻：

[1] Kawahara, Y., et al. (2008) "Frequency and fate of microRNA editing in human brain" Nucleic Acids Res 36(16):5270-80 [PMID: 18684997]

[2] Alarcon, C. R., et al. (2015) "N6-methyladenosine marks primary microRNAs for processing" Nature 519(7544):482-5 [PMID: 25799998]

[3] Pandolfini, L., et al. (2019) "METTL1 Promotes let-7 MicroRNA Processing via m7G Methylation" Mol Cell 74(6):1278-1290 e9 [PMID: 31031083]

[4] Wang, J. X., et al. (2015) "Oxidative Modification of miR-184 Enables It to Target Bcl-xL and Bcl-w" Mol Cell 59(1):50-61 [PMID: 26028536]

[5] Seok, H., et al. (2020) "Position-specific oxidation of miR-1 encodes cardiac hypertrophy" Nature 584(7820):279-285 [PMID: 32760005]

[6] Seok, H., et al. (2016) "MicroRNA Target Recognition: Insights from Transcriptome-Wide Non-Canonical Interactions" Mol Cells 39(5):375-81 [PMID: 27117456]

[7] Ji, L. and Chen, X. (2012) "Regulation of Small  RNA stability: methylation and beyond" Cell Res 22(4):624-36 [PMID: 22410795]

[8] Chin, A. R., et al. (2016) "Cross-kingdom inhibition of breast cancer growth by plant miR159" Cell Res 26(2):217-28 [PMID: 26794868]

[9] Zhang, L., et al. (2012) "Exogenous plant MIR168a specifically targets mammalian LDLRAP1: evidence of cross-kingdom regulation by microRNA" Cell Res 22(1):107-26 [PMID: 21931358]

[10] Liddicoat, B. J., et al. (2015) "RNA editing by ADAR1 prevents MDA5 sensing of endogenous dsRNA as nonself" Science 349(6252):1115-20 [PMID: 26275108]

[11] Jockel, S., et al. (2012) "The 2'-O-methylation status of a single guanosine controls transfer RNA-mediated Toll-like receptor 7 activation or inhibition" J Exp Med 209(2):235-41 [PMID: 22312111]

[12] Guzzi, N., et al. (2018) "Pseudouridylation of tRNA-Derived Fragments Steers Translational Control in Stem Cells" Cell 173(5):1204-1216 e26 [PMID: 29628141]

[13] Berulava, T., et al. (2015) "N6-adenosine methylation in MiRNAs" PLoS One 10(2):e0118438 [PMID: 25723394]

[14] Konno, M., et al. (2019) "Distinct methylation levels of mature microRNAs in gastrointestinal cancers" Nat Commun 10(1):3888 [PMID: 31467274]

[15] Cheray, M., et al. (2020) "Cytosine methylation of mature microRNAs inhibits their functions and is associated with poor prognosis in glioblastoma multiforme" Mol Cancer 19(1):36 [PMID: 32098627]

 

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