在形态结构和行为习性的复杂性上差距甚远的各种生物体中，其负责编码蛋白质的基因数目差距却非常小，这不禁让人感到奇怪。如果要为这一悖论提供可能的解释，那么也许就是因为基因表达调节网络精巧度的提高[1]可以对转录水平和mRNA前体（pre-mRNA）的选择性剪切进行调节[2]。最近，研究人员认为miRNA可能在生物体复杂性增大的过程中发挥了作用[3]。某些miRNA的确在胚胎发育期间具有细胞或组织表达特异性，因而很可能在细胞分化过程中扮演重要角色[4]（O. Hobert的文章中也提及这一问题[5]）。个别组织特异性miRNA，如miR-1和miR-2，它们分别在肌肉细胞和神经元中表达，已被证明能够激活相应细胞类型的分化[6~8]。

◆ 靶定基因群

miRNA通过几种不同的分子机制发挥其生物学作用。单个miRNA可以抑制某个特定发育阶段所需表达的一大类mRNA。像这样一类被miRNA作用，功能相关且受控于基因表达网络的效应基因可以归为“基因群”（gene battery）。在哺乳动物非神经元细胞中，导入miR-124就会首先减少多种非神经元mRNA的表达量，如编码细胞增殖或是神经干细胞作用所需蛋白的mRNA，导入miR-124后可以观察到它们数量的减少[7,9,12]。相反，如果在初级神经元中除去miR-124就会导致大量非神经元靶标mRNA的累积[13]。有报道称，miR1-9也以相似的模式发挥作用。因此，在发生分化的细胞中，miRNA可以有效地除去祖细胞中留下的非必需mRNA。另外，miRNA 还可以只在翻译水平上调节其表达量，而不影响部分靶标mRNA的稳定性。

◆ 靶定转录调节因子

       miRNA也可以调控关键转录调节因子的表达，如首个发现的、能够抑制转录因子lin-14表达的miRNA lin-4[16,17]。另一个例子是miR-124，它的靶标mRNA是羧基端小结构域磷酸酶1（small C terminal domain phosphatase 1, SCP1/CTDSP1），SCP1/CTDSP1是RE1-沉默转录阻遏物（RE1-silencing transcription repressor, REST/NRSF）的组成之一[6]（详见图1），而REST在非神经元细胞中阻遏大量神经元特异基因的转录[13]。因此，在分化的神经元中，miR-124可以通过减少SCP1的表达量，解除SCP1对神经元转录程序的阻遏作用[6]。REST阻遏复合物也可以抑制miR-124基因的表达，从而在miR-124和REST复合物间建立起一个双重负反馈环路[6,13]（详见图1）。与此类似，miR-1、miR-133以及其它在肌肉特异表达的miRNA都可以调节肌肉发育过程中几个重要转录因子的表达[4,8]。

◆ 靶定选择性剪切的调节因子

       最近的研究发现了miRNA的另一种活性，即通过靶定选择性剪切（alternative splicing）的通用调节因子，从而诱导基因表达发生大规模变化[7,18]。在早期肌肉细胞前体中，多聚嘧啶区域结合蛋白1（polypyrymidine tract binding protein 1, PTBP1/PTB/hnRNP-I）以及它的同源物PTBP2（nPTB/brPTB/PTBLP）都是选择性剪切的阻遏物，能够抑制多个肌肉特异的外显子拼接起来形成成熟mRNA。但当肌管分化发生时，PTBP1和PTBP2的蛋白表达量就会下降，此时拼接受到抑制的外显子就能够成功拼接成为肌肉特异的成熟mRNA。这种剪切转换的完成至少受到了miRNA的部分调节：前文提到的miR-133会强烈抑制PTBP2的产生，而miR-1及其序列类似物miR-206也会在肌肉发育过程中令PTBP1和PTBP2的表达量下调[18]。

       在神经系统发育过程中，PTBP1和PTBP2的表达量同样受到miRNA的调节[7,19]。PTBP1可以抑制神经元特异的可变外显子拼接，在神经前体细胞以及其它多种非神经细胞中都有表达。在正处于分化过程的以及成熟的神经元中，PTBP1的表达量下降，致使多个神经元特异的可变外显子可以拼接在一起形成成熟mRNA[19]。与肌肉细胞中的调节类似的是，神经元中PTBP1表达量的下降也是由miR-124介导产生的，它能够与位于PTBP1 mRNA 3’ UTR的保守和非保守的同源靶标位点结合[7]（图1）。

图1 miR-124调控着一个庞大的基因表达调节网络。图中以黑色实线标示活化的相互调节作用，灰色实线标示的为非活化的相互作用，细线标示的为弱的相互调节作用，从基因群输至细胞转录本的用虚线标示。非神经元基因以深蓝色（表达的）或浅蓝色（不表达的）标示；神经元特异的表达或不表达基因则以相应的深红色与粉红色标示。上图已经经过简化处理，没有涵盖其它miRNA可能发挥的作用，也没有对近期发现miRNA在激活翻译上所起的作用[15]加以说明。另外，PTBP1和PTBP2也可以激活一类选择性剪切的外显子，其作用机制有待进一步研究[19]。（A）在非神经元细胞或神经祖细胞中，miR-124不表达或低表达，因此阻遏神经元特异的转录和选择性剪切的因子得以有效表达，非神经元的基因群也同样处于表达状态。（B）在正处于分化状态的神经元细胞中，miR-124的表达量增加，受其调控的阻遏因子的表达量因此发生下调，相应的神经元特异蛋白得以表达，非神经元基因群此时在miR-124的直接调控下表达量下调。

       PTBP1除了会抑制上述可变外显子剪切外，还会阻遏PTBP2 pre-mRNA的第10个外显子并入PTBP2成熟mRNA[7,19,20]。当第10个外显子没有加入成熟mRNA的组成时，PTBP2 mRNA进行读码翻译时会提前遇到终止密码子，最终导致该蛋白在无义介导的mRNA降解机制（nonsense-mediated decay machinery）的作用下被降解[7,19,20]。在神经元分化的过程中，miR-124的表达量增加，随之降低了PTBP1的表达量，从而使得正确剪切的PTBP2 mRNA得以累积，继而导致PTBP2蛋白表达量的大量上调。值得注意的是，尽管PTBP1和PTBP2是密切相关的同源物，但PTBP1却具有更强的遏制神经元特异可变外显子拼接的作用[7,19]。因此，PTBP1的表达量下降而 PTBP2的表达上调就会发生从非神经元剪切模式到神经元特异性选择剪切模式的变换，使得神经元特异的蛋白亚型得以形成。有趣的是，PTBP2 mRNA含有保守的miR-124结合位点，因此miR-124也能够抑制PTBP2的表达，但比不上对PTBP1的抑制有效[7]。这一调节机制可用于解释PTBP2表达的减缓。

       伴随着基因表达调节网络复杂性的增大，后生动物（metazoans）大大提高的细胞分化多样性必定要求某种精巧调控机制的出现，以阻止时间或空间上相邻的基因表达程序发生相互干扰。上文提及的这些例子表明，至少有个别miRNA在这一调控机制中扮演了重要的角色，它们在调节系统的各个层面上——从基因群到转录与选择性剪切的调节因子，均有效地重新编写了细胞特异的调节网络。随着其它miRNA作用靶点的确定，这样的多重调节的范例很可能会不断涌现。

原文检索：www.sciencemag.org

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We thank S. Oliferenko, S. Buchanan, B. Friedman, E. Morimoto, and B. McCallum for critical comments. This effort was supported by NIH (grant 2R01NS043915-27;T.M.) and Leukemia and Lymphoma Society (E.V.M.).

Sirius/编译