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小分子核糖核酸

广泛存在于植物、动物及动植物病毒等生物中的一类进化保守性的非编码小分子调控RNA

小分子核糖核酸（英語：microRNA，縮寫miRNA），又稱微RNA[1]（微核糖核酸），是真核生物中廣泛存在的一種長約21到23個核苷酸的RNA分子，可調節其他基因的表現[2][3]。miRNA來自一些從DNA轉錄而來，但無法進一步轉譯成蛋白質的RNA（屬於非編碼RNA）。miRNA通過與目標mRNA結合，進而抑制轉錄後的基因表現[4]，在調控基因表現、細胞周期、生物體發育時序等方面起重要作用。在動物中，一個miRNA通常可以調控數十個基因。

小分子核糖核酸（miRNA）與mRNA作用的圖
miRNA莖環的實例，成熟miRNA顯示為紅色
甘藍pre-microRNA中的莖環（stem-loop）二級結構。

這些RNA是從初級轉錄本（primary transcript）出來的，也就是pri-miRNA，轉變成為稱為pre-miRNA的莖環結構，最後成為具有功能的成熟miRNA。

1989年，維克托·安布羅斯發現秀麗隱杆線蟲（C. elegans）中有個基因lin-4抑制另一個基因 lin-14。他們認為lin-4應該也表現一種調控蛋白質，因為基因轉錄成RNA並轉譯成蛋白質是當時認為的公理。不過1993年，維克托的學生 Rosalind Lee 和 Phonda Feinbaum 克隆出了lin-4，卻發現這個基因非常小，不足以做出蛋白質，而且這個基因的產物確實也不是蛋白質，而是一個長度只有22個核苷酸的RNA，後來人們又發現此miRNA可以和其他蛋白質結合，阻斷其他表現，最終產生上述的基因抑制現象。它是由單鏈的RNA分子產生，這個分子的一端折回來形成不完全的互補配對，稱「莖環」[5]。

pri-miRNA長度大約為300~1000個鹼基，pri-miRNA經過一次加工後，成為pre-miRNA即microRNA前體，長度大約為70~90個鹼基；pre-miRNA再經過Dicer酶酶切後，成為長約20~24nt的成熟miRNA。實際研究中，pre-miRNA應用最早，也最廣泛。近年研究發現microRNA的雙臂對成熟miRNA的形成有著十分重要的作用。

與小分子siRNAs相比，miRNA在分子特性等方面是相似的，但也存在不少的差異。siRNA是雙股RNA，3'端有2個非配對鹼基，通常為UU；miRNA是單股RNA。siRNAs是由dsRNA在Dicer酶切割下產生，而成熟miRNAs的產生要複雜一些，首先pri-miRNA在核內由一種稱為Drosha酶處理後成為大約70nt的帶有莖環結構的Precursor miRNAs（pre-miRNAs），這些pre-miRNAs再在Exportin-5幫助下轉運到細胞核外之後再由胞質Dicer酶進行處理，酶切後成為成熟的miRNAs。

生命的一些重要活動如幼蟲的生長發育、細胞的發生和分化、神經系統的分化等都被一些非編碼蛋白的小RNA的調控，而除miRNA、siRNA以外的小RNA我們目前知之甚少。

2024年10月7日，miRNA及其轉錄後修飾機製發現者維克托·安布羅斯和加里·魯夫昆獲得諾貝爾生理學或醫學獎。[6][7]

命名規則

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miR-前綴後面所跟著的數字，代表命名的順序，比如，miR-124比miR-456發現得早。

「miR-」代表成熟的miRNA、「mir-」代表pre-miRNA和pri-miRNA、「MIR」代表編碼miRNA的基因[8]。

miRNA幾乎全是獨一的編碼順序，但對於擁有一兩個鹼基不同的則會被標上字母以示，例如，miR-124a與miR-124b。 若成熟的miRNA相同，但pre-miRNA和pri-miRNA和編碼他們的基因來自於不同的基因組，則使用數字來表示，例如，mir-194-1和mir-194-2表示兩個pre-， pri-miRNA剪切後的成熟miRNA是完全相同的，但卻是兩個不同的來源。

前綴的三個字母代表了不同的種族來源，例如，hsa-miR-194代表miRNA來源於人類，oar-miR-124來源於綿羊。

對於形成pre-，pri-miRNA莖環的兩端miRNA， 通常一端在數量上遠遠超過另一端。數量優勢的一端往往稱為guide strand，而另一端被稱為passenger strand，通常被大量降解，用*號來表示，例如miR-124和miR-124*。

生物合成機制

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有多達40％的miRNA位於其他基因的內含子或甚至外顯子中[9]。他們通常（但不限於）在有義方向被發現[10][11]，因此它們通常與他們宿主基因一起調節[9][12][13]。 位於DNA模板上的序列，並非成熟miRNA的最終編碼：有6％的人類miRNA有RNA編輯的現象，RNA上特定位置的修飾，會產生和他們DNA不同的產物。這增加了miRNA作用的多樣性和範圍，遠超過了基因組單獨引起的作用。

轉錄

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miRNA基因通常由RNA聚合酶Ⅱ轉錄[14][15]，聚合酶常常會結合到DNA序列附近的啟動子，並將其編碼成前miRNA的髮夾環。 所得到的轉錄產物，上有5'端帽及多聚腺苷酸尾並已被剪接。動物的miRNA最初轉錄為約80個核苷酸的RNA莖環，其會交互形成幾百個核苷酸長的miRNA前體，稱作pri-miRNA[14][10]。當在3'UTR(3'非編碼區)中發現莖-環前體時，該轉錄物可以作為pri-miRNA和mRNA[10]。 此外，RNA聚合酶Ⅲ也會轉錄一些miRNA，特別是具有上游Alu元件的、tRNA或哺乳動物寬分散重複(mammalian-wide interspersed repeats)啟動子單元[16]。

核加工

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人類Drosha蛋白的X射線晶體結構與兩個DGCR8分子（綠色）的C端螺旋複合體。Drosha包含兩個核糖核酸酶III結構區域（藍色和橙色），雙鏈RNA結合結構區域(黃色)，以及含有結合兩個鋅離子的平台結構域（灰色）。來源：PDB 5B16.

單個pri-miRNA可以含有1至6個miRNA precursor，這些髮夾環結構各自由約70個核苷酸組成，而每個髮夾的側翼包含了RNA加工的必要序列。 在pri-miRNA中髮夾的雙鏈RNA（dsRNA）結構，會被稱為DiGeorge症候群關鍵區8（DGCR8或無脊椎動物中的「Pasha」）的核蛋白所識別。隨後DGCR8與Drosha酵素結合形成微加工複合體(Microprocessor complex)[17][18]。

在該複合物中，DGCR8使Drosha的RNase III催化結構區域定向，藉此從髮夾鹼基中切割約11個核苷酸，從而釋放pri-miRNA的髮夾彎[19][20]。所得產物在其3'端具有兩個核苷酸的突出端，其也具有3'羥基和5'磷酸基團。它通常被稱為前miRNA（pre-miRNA）。有許多對於有效加工重要的pre-miRNA下游的序列基序(Sequence motif)，已被識別鑑定了[21][22][23]。

而對於那些繞過微加工複合體，直接剪接出內含子的前miRNA，被稱為「Mirtrons」。其最初被認為只存在於果蠅和秀麗隱桿線蟲中，然而現在已經在哺乳動物中發現其存在[24]。 有多達16％的pre-miRNA可以透過核RNA編輯改變[25][26][27]，其中最常見地，如腺苷去胺酶作用於RNA（ADAR）上的腺苷至肌苷（A至I）轉換。另外，RNA編輯也能停止核加工(例如pri-miR-142，其會導致核糖核酸酶Tudor-SN的降解)，並改變下游流程包括細胞質miRNA的加工與目標專一性(像是改變中樞神經系統中miR-376的種子區域)[25]。

核輸出

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人類exportin-5蛋白（紅色）與Ran-GTP（黃色）複合物和pre-miRNA（綠色）及雙核苷酸突出端識別元件（橙色）。來源：PDB 3A6P.

核細胞穿梭蛋白Exportin-5涉及前miRNA髮夾從細胞核輸出的過程。這種蛋白質是karyopherin家族的一個成員，它會識別前miRNA髮夾的3'末端，由RNase III酶與Drosha遺留的兩個核苷酸的突出端。 Exportin-5-mediated介導運輸到細胞質是能量依賴的(主動運輸)，其使用GTP來綁定Ran蛋白。[28]

細胞質加工

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在細胞質中，前miRNA髮夾會被由RNaseIII酶Dicer所切割[29] ，該內切核糖核酸酶與miRNA髮夾的5'和3'端相互作用並切除連接3'和5'臂的環[30] ，產生長度為22個核苷酸的不完全的miRNA：miRNA*雙鏈體[29] 。整個髮夾長度和環尺寸都會影響Dicer的加工效率。由於RNA的不完全配對性質，miRNA：miRNA*雙鏈體的配對程度也會影響切割[29][31] 。

此外，一些富含G的pre-miRNA可以潛在地利用G-四聯體，來替代典型的莖-環結構。 例如，人的pre-miRNA 92B就使用G-四聯體，來抵抗Dicer在細胞質中的介導切割。[32] 雖然雙鏈體的任一鏈，皆可作為潛在作用的功能miRNA，但通常只有一條鏈會摻入RNA誘導沉默複合體（RISC）中，在其中該miRNA會與其目標mRNA相互作用。


植物中的生物合成

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在植物中miRNA的生物合成與動物的最大差異，主要是在於核加工和輸出的過程中：其不像動物使用兩種不同的切割酶(一種位於核內部、一種位於核外部)。植物的兩種切割，都是利用稱為Dicer-like1（DL1）(Dicer同源物)進行，由於DL1僅在植物的細胞核中表達，這表明這兩種切割都在核內發生。在植物miRNA：miRNA *雙鏈體被轉運出細胞核之前，其3'突出端會被稱為Hua-Enhancer1（HEN1）的RNA甲基轉移蛋白甲基化，然後透過稱為Hast（HST）的蛋白質（Exportin 5蛋白的同源物）將雙鏈體從細胞核運出到細胞質中，在那裡它們會分解並且生成成熟的miRNA，來結合到RISC中。[33]

參考文獻

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外部連結

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參見

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