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microRNAs决定哺乳动物的基因进化

来源:Whitehead Institute for Biomedical Research
摘要:InapaperpublishedlastJanuaryinthejournalCell,Bartel‘slab,incollaborationwithChrisBurge‘slabatMIT,presentedevidencethatonethirdofhumangenesareregulatedbymicroRNAs。24inScience,theresearchersdemonstratethatmicroRNAsaffecttheexpressionorevolutionofthemajorityofhumangenes。Nearlyallgenes,theauthors......

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"MicroRNAs  are  affecting  the  majority  of  protein-coding  genes,  either  at  a  functional  level  or  an  evolutionary  level,"  says  Andrew  Grimson,  a  post-doctoral  fellow  in  Bartel's  lab.  

In  order  to  make  a  protein,  a  gene  codes  for  a  specific  molecule  called  messenger  RNA,  or  mRNA.  Each  mRNA  molecule  contains  a  blueprint  for  making  a  protein.  A  microRNA  can  bind  to  a  short  sequence  on  a  targeted  mRNA  and  suppress  protein  production.  

In  a  paper  published  last  January  in  the  journal  Cell,  Bartel's  lab,  in  collaboration  with  Chris  Burge's  lab  at  MIT,  presented  evidence  that  one  third  of  human  genes  are  regulated  by  microRNAs.  In  this  new  study,  published  online  Nov.  24  in  Science,  the  researchers  demonstrate  that  microRNAs  affect  the  expression  or  evolution  of  the  majority  of  human  genes.  

Nearly  all  genes,  the  authors  explain,  contain  short  sequences  that  match  portions  of  microRNAs.  Some  of  these  potential  microRNA  target  sites  are  evolutionarily  "conserved,"  meaning  that  they  show  up  in  the  same  spot  on  the  same  gene  across  species  as  disparate  as  the  mouse  and  the  chicken.  The  authors  of  last  January's  Cell  paper  showed  that  thousands  of  human  genes  contain  microRNA  sites  that  are  conserved  in  this  way.  To  the  extent  that  evolution  has  preserved  these  sites  more  than  would  be  expected  by  chance,  scientists  have  regarded  them  as  sites  that  microRNAs  target.  

But  is  a  matching  sequence  all  that's  required  for  microRNA  targeting  and  gene  regulation,  and  do  nonconserved  sites  also  have  the  potential  to  disrupt  protein  production?  

In  the  new  study,  scientists  in  the  Bartel  lab  designed  an  experiment  that  zeroed  in  on  these  nonconserved  targets.  Grimson  took  mRNAs  whose  target  sequences  were  not  conserved  and  exposed  them  to  microRNAs,  which  latched  on  without  a  problem.  The  experiment  proved  that  a  matching  sequence  is  generally  sufficient  to  disrupt  mRNA's  ability  to  make  protein.  

But  while  Grimson  showed  that,  at  least  in  the  lab,  microRNAs  could  regulate  mRNAs  with  nonconserved  sites,  the  researchers  still  didn't  know  the  extent  to  which  nonconserved  mRNAs  coexisted  with  their  matching  microRNAs  in  the  natural  cell  environment.  To  answer  this  question,  the  researchers  turned  to  gene  expression  patterns  of  different  types  of  mouse  cells.  

Kyle  Kai-How  Farh,  a  graduate  student  in  Bartel's  lab,  found  that  mRNAs  with  nonconserved  sites  were  generally  absent  in  cells  with  corresponding  microRNAs--more  absent  than  statistical  models  suggested.  The  researchers  concluded  that  over  the  course  of  evolution  many  mRNAs,  in  order  to  maintain  their  functions  and  ensure  fitness  of  the  organism,  have  quickly  lost  sites  that  pair  up  with  microRNAs.  

In  addition  to  the  thousands  of  cases  where  genes  have  avoided  microRNA  targeting,  Farh  also  investigated  the  opposite  extreme,  cases  where  genes  have  maintained  microRNA  target  sites  over  the  course  of  evolution.  He  found  that  as  immature  muscle  cells  stop  dividing  and  become  mature  muscle  cells,  microRNAs  are  activated  and  suppress  genes  that  are  no  longer  needed  at  such  high  levels  in  the  mature  muscle.  "Many  of  these  evolutionarily  conserved  microRNA  targets  are  known  to  be  active  in  the  processes  of  cell  proliferation,  development,  and  cancer,"  says  Farh.  "Our  genomes  have  good  reason  to  maintain  the  microRNA  targeting  sites  necessary  for  turning  down  these  genes  at  the  appropriate  place  and  time."  

An  emerging  idea  is  that  microRNAs  often  act  to  reduce  the  quantity  of  protein  a  gene  produces  without  shutting  it  off  all  together.  "We  think  the  microRNAs  are  sometimes  having  what  you  can  call  a  dampening  effect,"  says  Bartel,  who  is  also  a  Howard  Hughes  Medical  Institute  investigator  and  MIT  professor  of  biology.  "They  appear  to  be  helping  cells  achieve  optimal  levels  of  proteins."  

"MicroRNAs  are  leaving  an  evolutionary  footprint  on  the  majority  of  the  mammalian  genome,"  says  Grimson.  "Some  genes  are  trying  to  preserve  beneficial  microRNA  sites  and  others  are  evolving  in  order  to  avoid  developing  harmful  ones."
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