Ми́кроРНК () — малые некодирующие молекулы РНК длиной 18—25 нуклеотидов (в среднем 22), обнаруженные у растений, животных и некоторых вирусов, принимающие участие в транскрипционной и посттранскрипционной регуляции экспрессии генов путём РНК-интерференции. Помимо внутриклеточной обнаружена внеклеточная (циркулирующая) микроРНК.
МикроРНК кодируются ядерной ДНК растений и животных и вирусной ДНК у некоторых ДНК-содержащих вирусов. МикроРНК участвуют в подавлении активности генов: они комплементарно спариваются с участками мРНК и ингибируют их трансляцию. Кроме того, комплексы микроРНК с мРНК часто быстро расщепляются клеткой. Это один из примеров направленной деградации, так как в основе формирования этих комплексов лежит комплементарность двух молекул РНК. Также имеются данные, указывающие на возможность взаимодействия микроРНК непосредственно с ДНК в процессе РНК-зависимого метилирования ДНК, которое является одним из ключевых механизмов репрессии генов, аллельного исключения и предотвращения активности транспозонов.
К 2014 году известно более 1800 микроРНК человекаHomo sapiens miRNAs in the miRBase at Manchester University. Однако эта цифра может существенно возрасти с улучшением методов поиска. Разные клетки и ткани синтезируют разные наборы микроРНК, поэтому их исследование может привести к открытию новых молекул. По разным оценкам, мишенями микроРНК являются от 30 до 60 % генов человека, кодирующих белок.
МикроРНК высококонсервативны среди эукариот, и считается, что микроРНК представляют собой жизненно необходимый и эволюционно древний компонент системы регуляции экспрессии генов. Хотя основные компоненты жизненного цикла микроРНК одинаковы у растений и животных, набор микроРНК у представителей этих двух царств развился независимо, с различными моделями функционирования. Для растительных микроРНК характерно полное или почти полное комплементарное соответствие своим мРНК-мишеням, и они вызывают репрессию генов, запуская деградацию транскриптов-мишеней. Связывание микроРНК с транскриптами может осуществляться как в кодирующей, так и некодирующей области. МикроРНК животных, напротив, способны распознавать нужную мРНК по как минимум 6—8 нуклеотидам на её 5’-конце. Между микроРНК и её мРНК-мишенью может не быть взаимно однозначного соответствия: микроРНК может иметь несколько мРНК-мишеней, и мРНК может иметь несколько соответствующих ей микроРНК.
Первые микроРНК были описаны в начале 1990-х годов, однако как отдельный класс биологических регуляторных молекул с определёнными функциями, их стали рассматривать только в начале 2000-х. С этого момента были установлены многочисленные функции микроРНК в негативной регуляции (транскрипционная деградация или изоляция, подавление трансляции) и возможная вовлечённость в механизмы позитивной регуляции (активация транскрипции и трансляции). Так как микроРНК принимают участие в регуляции экспрессии генов, они оказываются вовлечёнными в большую часть биологических процессов. В различных клетках и тканях имеются различные наборы микроРНК.
Отклонения в экспрессии микроРНК были показаны при многих болезненных состояниях. Исследуются также возможности микроРНК-терапии.
Оценка общего числа уникальных мРНК, являющихся мишенями типичной микроРНК, варьирует в зависимости от использованного для оценки метода. По оценкам 2004 года, мишенями типичной микроРНК могут быть лишь 7 мРНК, более поздние оценки были выше. Установлено, что каждая микроРНК позвоночных в среднем имеет приблизительно 200 транскриптов-мишеней. Известно также, что одна микроРНК может подавлять образование сотен белков, однако такая репрессия носит относительно умеренный характер (понижение экспрессии менее чем в 2 раза).
История МикроРНК были открыты в 1993 году Виктором Эмбросом, Розалинд Ли и Родой Фейнбраум при изучении гена lin-14, задействованного в развитии у нематоды Caenorhabditis elegans. Они обнаружили, что количество белка LIN-14 регулировалось коротким РНК-продуктом гена lin-4. Предшественник из 61 нуклеотида, транскрибируемый с гена lin-4, созревал в 22-нуклеотидную молекулу РНК. Эта короткая молекула РНК содержала последовательности, частично комплементарные некоторым последовательностям 3'-нетранслируемой области (3'-UTR) мРНК, транскрибированной с lin-14. Комплементарность оказалась необходимым и достаточным условием для подавления трансляции мРНК lin-14 в белок LIN-14. Таким образом, малая РНК lin-4 была первой обнаруженной микроРНК, хотя в то время считали, что наличие таких РНК является особенностью нематоды. Только в 2000 году была описана вторая микроРНК — let-7, подавлявшая экспрессию lin-41, lin-14, lin-28, lin-42 и daf-12 во время переходных этапов в развитии Caenorhabditis elegans. Впоследствии была показана консервативность let-7 у многих видов, что свидетельствовало о более широком распространении этого феномена.
После открытия let-7 последовало бурное исследование нового класса некодирующих малых РНК — микроРНК. К настоящему моменту описаны тысячи микроРНК человека и других видов, разработаны различные методы их изучения, созданы онлайн-базы данных последовательностей микроРНК (например, miRBase).
Номенклатура Согласно общепринятым правилам номенклатуры, названия присваиваются экспериментально выявленным и подтверждённым микроРНК до публикации сообщения об их открытии. Приставка «mir» отделяется дефисом, вслед за ней следует номер, говорящий о порядке именования. Например, mir-122 была открыта и названа раньше, чем mir-456. Приставка «mir-» используется для обозначения пре-микроРНК, «MIR-» гена, кодирующего микроРНК, а «miR-» — для обозначения зрелой формы. К названию микроРНК с последовательностями, отличающимися на один или два нуклеотида, приписывается дополнительная строчная буква. Так, miR-123a находится в близком родстве с miR-123b. Пре-микроРНК, дающие начало на 100 % идентичным микроРНК, но локализованные в разных местах генома, имеют в названии дополнительную цифру, отделенную дефисом. Например, пре-микроРНК hsa-mir-194-1 и hsa-mir-194-2 дают начало идентичным микроРНК (hsa-miR-194), однако они располагаются в разных участках генома. Вид, из которого была выделена микроРНК, обозначается в названии трёхбуквенной приставкой, например, hsa-miR-123 человека (Homo sapiens) и oar-miR-123 овцы (Ovis aries). Для вирусных микроРНК часто используют приставку «v-», а для микроРНК дрозофилы — «d». Когда две зрелые микроРНК образуются из двух различных концов исходной пре-микроРНК, к ним добавляется суффикс −3p или −5p. В прошлом также использовали обозначения «s» (смысловая) и «as» (антисмысловая). Когда известен относительный уровень экспрессии для двух микроРНК, имеющих общего предшественника, тогда микроРНК, которая экспрессируется на более низком уровне, чем микроРНК с противоположного конца шпильки, помечают звёздочкой. Так, miR-123 и miR-123* имеют общую исходную шпилечную пре-микроРНК, но в клетке обнаруживается больше miR-123, то есть её уровень экспрессии выше.
Образование
Большинство описанных генов микроРНК являются межгенными или ориентированными в антисмысловом направлении по отношению к соседним генам, в связи с чем предполагается, что они транскрибируются как независимые единицы. Однако в некоторых случаях микроРНК транскрибируется вместе с её геном-мишенью, что даёт возможность для их совместной регуляции. Около 40 % микроРНК кодируются генами, лежащими в интронах и небелоккодирующих генах, а в некоторых случаях даже в экзонах длинных небелоккодирующих генов. В этом случае как правило, но не всегда гены микроРНК располагаются в смысловой ориентации и потому регулируются вместе с генами-мишенями. Другие гены микроРНК имеют общий промотор, причём 42-48 % всех микроРНК образуются из полицистронных единиц, содержащих множество отдельных петель, из которых в дальнейшем процессируется зрелая микроРНК. Впрочем, получившиеся микроРНК необязательно будут гомологичны по структуре и функциям.
В промоторах генов микроРНК было показано наличие мотивов, схожих с мотивами в промоторах других генов, считываемых РНК-полимеразой II, а именно белоккодирующих генов. ДНК-шаблон не является единственным фактором, определяющим первичную структуру получившейся микроРНК: для 6 % микроРНК показано редактирование РНК (), то есть сайт-специфическая модификация РНК, позволяющая получать различные РНК-продукты с одной и той же матрицы ДНК. Это позволяет увеличить разнообразие и возможности микроРНК, получаемых с одного гена.
Транскрипция Гены микроРНК, как правило, транскрибируются РНК-полимеразой II. Полимераза часто связывается с промотором, располагающимся рядом с кодирующей последовательностью ДНК (фрагмент РНК, считываемый с этой последовательности, станет шпилькой в пре-микроРНК). Получающийся транскрипт кэпируется, полиаденилируется и сплайсируется. Транскрипция микроРНК животных начинается с образования фрагмента ~80 нуклеотидов длиной, входящего в одну из ветвей шпильки, которая, в свою очередь, входит в состав предшественника микроРНК длиной в несколько сотен нуклеотидов, называемого первичной микроРНК (pri-микроРНК). Если первоначально образовавшаяся шпилька находится в 3’-UTR, то получающийся транскрипт может выступать и как пре-микроРНК, и как мРНК. Некоторые микроРНК транскрибируются РНК-полимеразой III. Особенно это касается тех микроРНК, гены которых находятся под Alu-повторами, генами тРНК и диспергированными повторами у млекопитающих ().
Ядерный процессинг
Одна pri-микроРНК может содержать от одного до шести предшественников микроРНК (пре-микроРНК). Эти шпилечные структуры состоят из 70 нуклеотидов каждая. Двуцепочечная РНК в шпильках распознаётся ядерными белками: DiGeorge Syndrome Critical Region 8 у позвоночных (DGCR8, назван в связи с синдромом Ди Джорджи) или у беспозвоночных. DGCR8 функционирует в комплексе с — белком, разрезающим РНК, образуя так называемый «микропроцессор». В этом комплексе DGCR8 таким образом ориентирует каталитический домен РНКазы III, входящий в состав Drosha, что он «вырезает» шпильки из pri-микроРНК, разрезая РНК на расстоянии 11 нуклеотидов от основания шпильки. Получающийся продукт имеет 2 выступающих нуклеотида на 3’-конце, он имеет 3’-гидроксильную и 5’-фосфатную группы. Этот продукт часто называют пре-микроРНК (предшественник микроРНК).
Пре-микроРНК, сплайсирующиеся из интронов и не проходящие через «микропроцессор», называются . Раньше считалось, что миртроны имеются только у дрозофилы и Caenorhabditis elegans, однако в настоящее время они обнаружены и у млекопитающих.
Предположительно 16 % пре-микроРНК подвергаются ядерному редактированию РНК. В наиболее распространённом случае фермент, известный как , действующий на РНК (ADARs) катализирует гидролитическое дезаминирование аденозина (А) в инозин (I). Редактирование РНК может останавливать ядерный процессинг (так, например, происходит в случае pri-miR-142, которая после редактирования разрушается РНКазой Tudor-SN) и повлиять на последующие события, в том числе цитоплазматический процессинг микроРНК, а также изменить мРНК-мишень процессируемой микроРНК (например, в случае miR-376, функционирующей в центральной нервной системе).
Ядерный экспорт Пре-микроРНК экспортируются из ядра при помощи нуклеоцитоплазматического переносчика — белка . Этот белок, входящий в семейство , распознаёт два «свешивающихся» нуклеотида на 3’-конце пре-микроРНК, которые появились, как писалось ранее, при разрезании pri-микроРНК. Транспорт в цитоплазму, опосредованный Exportin-5, происходит с затратой энергии ГТФ, при участии ГТФ-связывающего белка .
Цитоплазматический процессинг