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Small RNA修饰：重要功能与相关疾病研究进展

2022-10-25

 

Small RNA修饰：重要功能与相关疾病研究进展

 

在RNA分子上进行修饰，如5-甲基胞苷（m5C）、7-甲基鸟苷（m7G）、假尿苷(Ψ)和N6-甲基腺苷（m6A）等可调节相应Small RNA在不同生物学过程中的活性，且在病理过程中发挥关键作用。

Small RNA有可能以修饰核苷酸的形式存储不稳定的第二层遗传信息。研究资料显示，包括microRNA (miRNA)、Piwi相互作用RNA (piRNA) 和tRNA衍生的Small RNA (tsRNA) 在内的Small RNA具有多种 RNA修饰。这些发现强调了RNA修饰在调节基本特性中的重要性，例如RNA稳定性和其他复杂的生理过程，这些过程涉及应激反应、代谢、免疫和环境因素引起的表观遗传等。如今用于检测、定位和筛选这些Small RNA修饰的高分辨率、高通量方法有望使其成为临床诊断中新一类高灵敏度疾病生物标志物。

 

一、Small RNA修饰的生物学功能

1.Small RNA上的修饰影响miRNA生成

RNA链上含有由RNA编辑酶ADAR1产生的肌苷的pri-miRNA能够抵抗miRNA剪切酶Drosha的切割，从而减少成熟miRNA的产生[1] 。另一方面，带有m6A修饰的pri-miRNA则会促进Drosha的切割，导致成熟miRNA的增加[2] 。此外，m7G修饰也被发现可以促进pre-miRNA的成熟(如let-7e上的m7G修饰) [3] 。

 

2.Small RNA上的修饰影响miRNA识别靶基因

已知miRNA种子区修饰(如miR-184和miR-1上的O8G修饰)能够改变miRNA-mRNA碱基配对，影响miRNA靶向目的基因的特异性，进而产生影响重大的生物学影响[4-6] 。那这些修饰在病理条件下被添加到Small RNA上，就能够作为一种表观转录机制来调控基因的表达[5,6] 。

 

3.Small RNA上的修饰影响其稳定性

哺乳动物Small RNA(如siRNA和piRNA) 的3'端2' - O -甲基化(2 ' -OMe)可保护Small RNA免受尿苷化和RNA降解途径的降解[7]。2' -OMe可以延长植物miRNA被摄入后在人体内的半衰期，那这就产生了一种有趣的可能，即来自植物性饮食的修饰Small RNA可以在人体胃肠道中存在足够长的时间，进而调节人体的生理过程[8,9] 。

 

4.区分自身和外源RNA

缺乏肌苷修饰的外源dsRNA能够与一种dsRNA解旋酶类型的RIG-I样受体蛋白MDA5结合，触发抗病毒天然免疫反应[10] 。有研究表明，缺乏18位2' - O甲基化(Gm)的细菌tRNAs能够被相关免疫细胞中内体表面的toll样受体7 (TLR-7)识别，激活下游天然免疫反应[11] 。

 

二、重要的Small RNA修饰及其功能

7-甲基鸟苷(m7G)

m7G甲基转移酶METTL1通过m7G直接与miRNA前体结合，并加速pre-miRNA成熟[3] 。在经过pre-miRNA的加工过程后，m7G可能仍处于成熟miRNA上，并调控成熟miRNA的功能。例如，带有m7G修饰的成熟let-7e能够下调靶HMGA2 mRNA的稳定性和翻译效率，即可通过降低HMGA2的水平来抑制肺癌细胞的迁移和增殖。

 

假尿苷(Ψ)

假尿苷(Ψ)是RNA上最丰富的修饰核苷,又被称为RNA的“第五种核苷”。在假尿苷合成酶7 (PUS7)的催化下，tsRNA 5'端寡聚鸟嘌呤(TOG)中的假尿苷化可激活人胚胎干细胞中tsRNA介导的整体翻译抑制[12] 。

 

N6-甲基腺苷(m6A)

一方面，通过对于m6A抗体富集的miRNA及其上带有的m6A修饰基序RRACH进行分析，人们发现在人类胚胎肾细胞HEK293中，有超过200种成熟的miRNA被m6A修饰[13] 。

 

另一方面，m6A修饰能够影响miRNA功能。例如，在miR-17-5p或let-7a-5p中，m6A引起mRNA识别位点周围的大范围构象变化，改变miRNA的靶向效率[14] 。总体来说，与配对的正常组织相比，癌组织中miRNA上的m6A甲基化显著增加。尤其值得注意的是，在血清中m6A修饰的miR-17-5p水平在区分早期胰腺癌患者与健康人时具有极高的灵敏度和特异性[14] 。因此，miRNA中的m6A修饰状态可以作为早期癌症的诊断生物标志物。以上结果表明，对m6A修饰的研究是我们理解miRNA生物学功能的另一个重要角度。

 

5-甲基胞苷(m5C)

miRNA上的m5C修饰能够干扰miRNA/mRNA双链的形成，导致miRNA自身基因沉默活性的丧失。例如，m5C修饰解除了miRNA-181a-5p的抑癌功能，并与多形性成胶质细胞瘤(GBM)的预后不良相关[15] 。此外，m5C修饰还会引起RISC沉默复合物的结构变化。例如，在miR-200c-3p中，靠近MRE位点的第9位碱基上m5C修饰破坏了miRNA与AGO的Ser220间形成的氢键，导致与AGO的Arg761相互作用的miRNA第8位鸟嘌呤发生移位[14] 。

 

三、Small RNA修饰作为疾病诊断的生物标志物

几种不同的方法已被用于 RNA 修饰的高通量分析。每种方法在监测特定 RNA 修饰、表征生物样品中的全局修饰谱或揭示具有序列水平特异性的修饰 RNA 的身份方面都具有不同的优势。基于抗体的修饰Small RNA检测已显示出作为识别疾病早期标志物的灵敏诊断的前景。例如，miRNA的O8G氧化影响氧化还原介导的基因表达，并与心肌细胞上发生的疾病相关[5] 。此外，与正常组织相比，m6A修饰的miRNA在癌症中显著增加。举例而言，对血清中m6A修饰的miR-17-5p水平检测在诊断早期胰腺癌的过程中具有极高的灵敏度和特异性[14] 。

 

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项目号 产品名称 规格 CAS编号 包装
M168367 7-甲基鸟苷 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

 

参考文献：

[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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标签:

RNA 疾病研究

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