不容「小」覷的隱藏角色–微核醣核酸

 
2014/06/09 鄭竹雅 | 國家衛生研究院分子與基因醫學研究所
陳俊宏 | 國家衛生研究院分子與基因醫學研究所     9,867
 
一說到核醣核酸(RNA),每個人第一個浮上心頭的大概都是耳熟能詳的中央信條,由DNA先轉錄成RNA,再由RNA當做模板來產生蛋白質。但是你可知道,越來越多的研究顯示在真核生物中會產生多種不會轉譯成蛋白質的RNA,這群RNA稱作非編碼RNA,其重要性並不亞於會產生蛋白質的編碼RNA!藉由這些非編碼RNA使基因調控的複雜度大幅提升,本篇的主角微核醣核酸(microRNA)就是屬於這一類。

什麼是微核醣核酸?它是小一點的RNA嗎?那又是什麼?它很重要嗎?如果覺得它小就忽略它,那就大錯特錯了。因為這些RNA會藉由和特定的mRNA序列互補來調控基因的表現,在個體發育、細胞凋亡、細胞分化等許多層面都扮演著相當重要的角色。

它們是如此的重要,卻因為分子小,所以在初發現時被認為只是特殊的案例而被忽略掉。幸好,近年來越來越多的報告都指出,微核醣核酸的重要性及其廣泛存在於各種生物體內的事實,這也使得更多的研究人員把眼光集中在這塊領域上。

微核醣核酸是什麼

顧名思義,微核醣核酸就是小分子的RNA,大小約為21~23個鹼基的單鏈。它並非是一轉錄出來就這麼短,而是在體內經由一連串修飾的過程後才產生的。

一開始,先從DNA轉錄出一段很長的RNA序列,稱作初始核醣核酸。這段RNA會被一個包含Drosha核酸酶在內的蛋白質複合體裁切,變成約70~90個鹼基大小的單鏈RNA,稱為前驅核醣核酸。由於這段序列彼此互補,形成一種3端凸出的髮夾結構,長得就像市面上最常看到的那種黑色髮夾,而髮夾結構中那個圓圓的頭就是序列中不能配對的序列形成的。

接下來藉由蛋白質Exportin - 5的幫忙,把這段序列從細胞核中送到細胞質讓Dicer做下一步的加工。Dicer是一種RNA水解酵素,可以把髮夾結構的前驅核醣核酸再切成21~25個鹼基大小的雙股RNA。這段雙股RNA會和稱為RNA - induced silencing complex(RISC)的RNA─蛋白質複合體結合,RISC會把它拆成單股,並帶著單股RNA和互補的mRNA結合。早先認為這樣的複合體會抑制mRNA轉譯功能,但近來發現也會降解mRNA。

身體內還有另外一種微核醣核酸的合成路徑,這一類的微核醣核酸位在基因的介入子中,且本身的序列就有互補的現象。由於大小和前驅核醣核酸差不多,因此在合成的路徑上可跳過被Drosha切割的步驟而直接變成前驅核醣核酸,接著後面的合成路徑就與上述相同。這一類的微核醣核酸是由整個介入子變來的,因此又稱做mirtron。但目前還不清楚為什麼要大費周章地把微核醣核酸設計成介入子。

發現過程一波三折

這位默默付出的隱藏角色其實很早就被發現了,只是一直不受重視。後來它到底是怎麼崛起,甚至成為生物醫學研究的新典範呢?

在1993年,哈佛大學安柏羅斯(Victor Ambros)從線蟲的研究中發現lin - 4在胚胎發育晚期會負面向調節lin - 14蛋白質的表現。他們找到了lin - 4的序列,卻意外發現這段序列根本不產生蛋白質,而是轉錄出一段會與lin - 14‭ ‬的3‭'‬ UTR互補而且長度僅23個核苷酸的RNA。這個微小的RNA當時認為是用來抑制lin - 14的轉譯,這是最早發現的微核醣核酸。

第二個微核醣核酸–let - 7–遲至7年之後才同樣在線蟲上面發現。同樣是在哈佛大學的加里(Gary Ruvkun)研究團隊在2000年發表了3篇重要的文章,指出let - 7在調節基因表現上扮演的重要角色,同時建立了在線蟲中由小分子RNA主控的基因調控機制。

絕大多數線蟲的微核醣核酸突變株並沒有明顯的表徵,顯示在線蟲中它們的功能可能只是彼此重疊。繼線蟲之後,果蠅內和微核醣核酸相關的研究也如火如荼地展開。近幾年的研究指出,果蠅中有許多的微核醣核酸參與了細胞凋亡的路徑。細胞凋亡是體內的重要機制,若不能正常行使這功能就會造成缺陷或形成腫瘤。mir -14及bantam微核醣核酸就是在篩選這些缺陷的果蠅中發現的。

mir -14缺失會藉由影響Reaper蛋白質的表現加強細胞凋亡,bantam的缺失則會影響細胞周期相關蛋白質的表現,使細胞增生受到阻礙,造成果蠅的體形較小且生育率受到影響。在這之後,陸陸續續在不同的生物體中都發現同樣的機制,這個機制不單是在物種間的保守性高,更是許多疾病發生的原因,微核醣核酸的研究因而越來越受到大家的注目,也建立了一個新研究題材的典範。

其實後來利用小分子RNA做為遺傳學工具,也同樣受到研究學者喜愛且與微核醣核酸非常相似,並常常被人混淆的就叫做小干擾或沉默RNA(siRNA)。這兩者都屬於小分子RNA,也都有調控基因表現的能力,但是這兩者還是有區別的。

首先從來源來看,微核醣核酸是內生性的,是由個體本身的基因體序列轉錄而來,沉默RNA卻大部分是外源性物質。其次,沉默RNA本來就是雙股RNA,只需要Dicer切割後就可和RISC結合,比微核醣核酸的生成少了許多步驟。最後,也是最重要的差異就在於它們的功能。

沉默RNA由於是透過和mRNA完美的互補,最終導致mRNA的降解。相對地,微核醣核酸和目標mRNA的結合在動物體內就不是那麼完美,常有不能和目標序列配對的序列存在而產生凸起的區域,這個凸起會導致mRNA的轉譯受到抑制。值得一提的是,若是在植物體內,某些微核醣核酸仍可以與mRNA完美配對。雖然mRNA最後的命運可能也是被降解,但是透過的機制和沉默RNA所引起的降解是不同的。

揭開神祕客的做事原則

隨著一篇篇的研究出爐,這位神祕客的面紗也一層層地被揭開,對於它作用的方式與可能造成的影響也建構了基本的認知。

微核醣核酸約有21~23個鹼基,由於序列較短,且在動物中和目標序列並不是完美的配對,因此不能用一般的方法來找尋微核醣核酸的目標序列。

在2003年,在科亨發表的文章中先利用已知的序列做分析,發現微核醣核酸‭ ‬5‭'‬的部分和目標序列的互補率很高。他們設計了一套方法試著找尋微核醣核酸的目標序列,並把找到的序列和之前已知的序列比較,發現其中從5‭'‬端算來第2到第8個核苷酸會和目標序列完美配對,這段序列就稱為種子序列,在物種間具有很高的保守性,其餘的序列則允許有一些不配對的鹼基存在。

由於必須完美配對的序列較短,因此一個微核醣核酸可以結合到一個以上的目標mRNA,對多種基因進行調控。微核醣核酸和目標基因之間有一定的專一性,但不是一對一的關係。

目前對於微核醣核酸抑制基因表現的可能機制有兩種說法,一是抑制轉譯作用的起始,微核醣核酸和RISC一起結合到目標RNA的3‭'‬UTR後,RISC中的Argonaute蛋白會阻止轉譯的起始複合體組成,使轉譯受到抑制。二是在轉譯作用開始後才開始抑制,可能是引起核醣體的脫離或造成新轉譯的胜肽快速降解。

這兩種說法主要都是針對蛋白質的表現,指出微核醣核酸會使得目標蛋白質的表現量大幅下降,因此之前許多研究都認為微核醣核酸主要的功能應該是抑制轉譯作用而非降解mRNA。後來的研究卻顯示目標mRNA的量也有相當程度的減少,雖然不如蛋白質那麼的劇烈,但也足以說明微核醣核酸的影響可能不只抑制轉譯那麼單純。

微核醣核酸調控基因表現的功能在演化上具有強烈的保留性,從單細胞的單胞藻到人類都具有相類似的調控,但在不同的物種或甚至是同一物種的不同組織、不同的發育階段,微核醣核酸的表達方式也不相同。某些微核醣核酸在各個發育階段的全部細胞中都有表達,某些微核醣核酸則依據所處的位置和不同的時間點而有不同的表現,藉以精密調控基因的表達來維持個體正常的發育。

微核醣核酸的廣泛性及多樣性說明了它擁有多種的生物功能,包括早期發育、細胞凋亡、細胞增殖及細胞分化。在2002年的一篇研究中,更指出微核醣核酸量的下降和慢性淋巴細胞白血病之間有顯著的關係,暗示微核醣核酸和癌症的產生也有因果關係。

不可忽視的影響力

目前的研究顯示,體內約有60%可產生蛋白質的基因會受到微核醣核酸的調控。想然當爾,一旦這種小分子RNA主控的調控機制出了問題,對生物體造成的衝擊會很大。目前已經有許多文獻報導了微核醣核酸調控的異常和疾病之間的關係,以下分成兩大部分來做說明。

癌症是國人十大死因之首,關於癌症形成的原因一直是研究的熱門主題。而目前有許多的證據顯示,微核醣核酸的異常表現和許多型態的癌症都有關聯。2005年史列克的研究團隊指出,在線蟲中let - 60可以被let - 7家族所調控,而let - 60不是別的,它就是人類中Ras的同源基因。這樣的關係在人類中也已獲得證實。

此外,在大鼠的研究中也顯示,過多的微核醣核酸表現會導致淋巴瘤細胞的生成。由癌細胞中微核醣核酸的變化量也可以看出一些端倪,譬如mir - 21在許多癌症中都發現有過量表現的情形。這些會對癌症造成影響的又稱做oncomir,依其所影響的下游基因不同,又分成腫瘤抑制型,如mir -15a、mir -16 -1,及致癌型,如先前提到的mir - 21。

基於微核醣核酸和癌症之間的關聯性,觀察其在癌細胞裡的表現量應可當作偵測癌症的生物標示。2008年楊泮池等人發表在Cancer Cell的文章中,就提到利用微核醣核酸的表現做為肺癌術後恢復及存活的指標。他們分析病患的肺癌組織,找到了5個微核醣核酸,其表現量和病人的存活率相關。針對這5種微核醣核酸設計風險分數方法,可用以評估病患的身體狀況及復發機率。由於用這種生物標示做評估具有相當的準確性,預期將來在醫療上會廣泛應用。

除了癌症外,微核醣核酸也和心臟疾病有關。目前已有許多證據指出,微核醣核酸和心血管系統的病理過程有很大的關係。它不但調控血管新生的平衡,使血管新生的同時也避免了動脈粥樣硬化斑塊的增殖,以及腫瘤組織的生長,它也能調控心肌的肥厚度。

2007年,Thum等人的研究也顯示在衰竭的心肌中,一系列的微核醣核酸表達發生改變,連帶地這些微核醣核酸所影響的基因表現量也跟著變化。另外還有許多實驗都指出,微核醣核酸的表現量必須精密控制,否則會嚴重影響正常的生理機能。但從另一方面來說,由於微核醣核酸和疾病之間微妙的關係,若能有更深入的了解,在醫療方面是一大進步。

目前的研究

微核醣核酸在演化中的保守度很高,它的異常是許多疾病產生的原因。因此若對微核醣核酸作用的機制做更深入的研究,或許可以幫助我們治療在目前來說很棘手的疾病,譬如癌症。

2005年,Krützfeldt等人試著藉由人工合成的拮抗寡核苷酸調控微核醣核酸的表現量,以影響膽固醇的合成以及使血清中總膽固醇的含量下降,這說明了利用調控微核醣核酸的表現量以達到治療疾病的想法可行性很高。除此之外,因為血清中的微核醣核酸有很好的穩定性,又是非侵入性的檢測,利用檢測血液中的微核醣核酸做疾病診斷或預測疾病發生,將來可能也會大量應用。

微核醣核酸不只在生物體內扮演重要的角色,未來更可能應用於疾病的治療,無論是醫療或商業,這一研究都是一個很重要的發現。

微核醣核酸的發現讓我們了解到基因的調節遠比想像的複雜,除了蛋白質及微核醣核酸外,尚有許多不同的小片段RNA也參與其中。目前對於這領域還有許多不了解的地方,未來若可以更深入了解這些小片段RNA在生理調控上所扮演的角色,並針對各種不同的RNA特性應用在治療疾病上,對人類會是一大福音。

附錄

微核醣核酸的生成 微核醣核酸基因藉由Pol II轉錄出一段很長的核醣核酸序列,稱作初始微核醣核酸。這段核醣核酸會被Drosha裁切變成約70∼90個鹼基大小的單鏈核醣核酸,稱為前驅微核醣核酸,且形成髮夾結構。前驅微核醣核酸藉由Exportin - 5的幫忙,可把這段序列從細胞核中送到細胞質。Dicer可以把髮夾結構的前驅微核醣核酸再切成21∼25個鹼基大小的雙股核醣核酸,這段雙股核醣核酸會和稱為RNA - induced silencing complex(RISC)的RNA─蛋白質複合體結合。RISC會把它拆成單股,並帶著單股核醣核酸和互補的mRNA結合。

深度閱讀
  1. 詹世鵬(2010)小兵立大功– 微小核醣核酸與小干擾核醣核酸,化學68(‬4‭)‬,303‭ - ‬312。
  2. 陳佳瑩(2012)血液中miRNA‭ ‬在疾病診斷的應用,華聯快訊,1月。