Small RNA修飾：重要功能與相關(guān)疾病研究進(jìn)展

 

在RNA分子上進(jìn)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(diào)節(jié)相應(yīng)Small RNA在不同生物學(xué)過程中的活性，且在病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

Small RNA有可能以修飾核苷酸的形式存儲不穩(wěn)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) 在內(nèi)的Small RNA具有多種 RNA修飾。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了RNA修飾在調(diào)節(jié)基本特性中的重要性，例如RNA穩(wěn)定性和其他復(fù)雜的生理過程，這些過程涉及應(yīng)激反應(yīng)、代謝、免疫和環(huán)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為臨床診斷中新一類高靈敏度疾病生物標(biāo)志物。

 

一、Small RNA修飾的生物學(xué)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產(chǎn)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的產(chǎn)生[1] 。另一方面，帶有m6A修飾的pri-miRNA則會促進(jìn)Drosha的切割，導(dǎo)致成熟miRNA的增加[2] 。此外，m7G修飾也被發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)pre-miRNA的成熟(如let-7e上的m7G修飾) [3] 。

 

2.Small RNA上的修飾影響miRNA識別靶基因

已知miRNA種子區(qū)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(jìn)而產(chǎn)生影響重大的生物學(xué)影響[4-6] 。那這些修飾在病理條件下被添加到Small RNA上，就能夠作為一種表觀轉(zhuǎn)錄機(jī)制來調(diào)控基因的表達(dá)[5,6] 。

 

3.Small RNA上的修飾影響其穩(wěn)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(hù)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被攝入后在人體內(nèi)的半衰期，那這就產(chǎn)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(jìn)而調(diào)節(jié)人體的生理過程[8,9] 。

 

4.區(qū)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(jié)合，觸發(fā)抗病毒天然免疫反應(yīng)[10] 。有研究表明，缺乏18位2' - O甲基化(Gm)的細(xì)菌tRNAs能夠被相關(guān)免疫細(xì)胞中內(nèi)體表面的toll樣受體7 (TLR-7)識別，激活下游天然免疫反應(yīng)[11] 。

 

二、重要的Small RNA修飾及其功能

7-甲基鳥苷(m7G)

m7G甲基轉(zhuǎn)移酶METTL1通過m7G直接與miRNA前體結(jié)合，并加速pre-miRNA成熟[3] 。在經(jīng)過pre-miRNA的加工過程后，m7G可能仍處于成熟miRNA上，并調(diào)控成熟miRNA的功能。例如，帶有m7G修飾的成熟let-7e能夠下調(diào)靶HMGA2 mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率，即可通過降低HMGA2的水平來抑制肺癌細(xì)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,又被稱為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干細(xì)胞中tsRNA介導(dǎo)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(jìn)行分析，人們發(fā)現(xiàn)在人類胚胎腎細(xì)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識別位點周圍的大范圍構(gòu)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(qū)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修飾狀態(tài)可以作為早期癌癥的診斷生物標(biāo)志物。以上結(jié)果表明，對m6A修飾的研究是我們理解miRNA生物學(xué)功能的另一個重要角度。

 

5-甲基胞苷(m5C)

miRNA上的m5C修飾能夠干擾miRNA/mRNA雙鏈的形成，導(dǎo)致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(zhì)細(xì)胞瘤(GBM)的預(yù)后不良相關(guān)[15] 。此外，m5C修飾還會引起RISC沉默復(fù)合物的結(jié)構(gòu)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(dǎo)致與AGO的Arg761相互作用的miRNA第8位鳥嘌呤發(fā)生移位[14] 。

 

三、Small RNA修飾作為疾病診斷的生物標(biāo)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(jiān)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(yōu)勢。基于抗體的修飾Small RNA檢測已顯示出作為識別疾病早期標(biāo)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(dǎo)的基因表達(dá)，并與心肌細(xì)胞上發(fā)生的疾病相關(guān)[5] 。此外，與正常組織相比，m6A修飾的miRNA在癌癥中顯著增加。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] 。

 

阿拉丁相關(guān)產(chǎn)品

阿拉丁相關(guān)產(chǎn)品 項目號 產(chǎn)品名稱 規(guī)格 CAS編號 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(xiàn)：

[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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RNA 疾病研究

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