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RNA的“群体控制”：生物学中普遍存在的主题

已有 488 次阅读 2024-3-22 18:04 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

RNA的“群体控制”：生物学中普遍存在的主题

历史的角度

近几十年来，随着转录组测序技术的不断进步，我们对非编码RNA的理解迅速发展。从历史上看，非编码RNA被认为是蛋白质产生的促进剂，可追溯到20世纪40年代，当时发现核糖体RNA在产生蛋白质的位点(核糖体)大量存在。“中心法则”的其他关键支柱是在20世纪60年代早期形成的，当时转移RNA(tRNA)被认为是氨基酸和信使RNA (mRNA)结合的接头，被认为是基因和蛋白质之间的中间物。20世纪80年代，人们进一步认识到小核RNA(snRNA)是mRNA剪接的关键元件，小核仁RNA (snoRNAs)是rRNA和tRNA修饰的促进剂。然而，尽管非编码库不断扩大，在每种情况下，RNA的功能仍然是直接或间接地促进蛋白质的产生，这被视为基因表达的功能输出。

这种关于RNA作用的狭隘观点在20世纪80年代开始扩大，当时反义RNA的使用变得广泛，不是作为一种使蛋白质产生的手段，而是作为一种调节蛋白质的手段。在接下来的十年里，关于调控作用的报道激增，发现microRNAs (miRNAs)不仅在最初发现的秀丽隐杆线虫中，而且在所有多细胞生物中都能控制基因表达。这导致了发现的“淘金热”，包括短干扰RNA(siRNA)和miRNAs调节基因表达的机制，2006年诺贝尔奖由此获得。从某种意义上说，“淘金热”一直持续到今天，成千上万的出版物建立了一个认识，即非编码RNA在生物过程的调节中起着关键作用。这一功能不仅由miRNA促进，而且还可能由成千上万的长链非编码RNA(lncRNA)和环状RNA (circRNA)促进，其重要性正在迅速显现。

群体控制：理解许多RNA调控作用的关键

在对调控系统“应该”如何控制的期望和解释观察背后机制的必要性的推动下，有大量的报告提出了单一调控RNA-靶标相互作用作为表型效应发生的机制。在许多情况下，这是准确的，但值得考虑的是，在许多这样的报道中，真正声称的是什么。以一个miRNA为例，数百个miRNA每个都能够直接调节，至少是微弱的，数百甚至数千个转录本。在竞争性内源性RNA的情况下，RNA相互作用就像竞争性海绵一样隔离调节分子，任何一个特定的转录本都是如此最极端的场景只代表了细胞环境中可能交互作用的一小部分。这些观察结果引发了一个问题，即单个调控RNA在生物学上有多大的意义。

最近一项来自Matthias Hentze实验室的研究阐明了这一概念，他发现RNA的结合调节了糖酵解酶的活性。他们报告说，一种酶与数千种不同的转录本结合，如果在超生理水平上表达，似乎其中任何一种转录本都能发挥调节作用。这被称为“群体控制”，一种有生物学意义的调控形式，由许多RNA(“群体”)的集体行动施加，并以个体调控者的极端冗余为特征。因此，在功能丧失实验中单个RNA的耗竭影响可以忽略不计。然而，在个体RNA过表达的功能获得实验中，仍然期望显著的调节。因此，调控不应单独归因于任何一种特定的RNA，尽管如果研究人员要选择一种候选RNA进行功能获得实验，结果很容易被解释为表明所选RNA比实际情况更重要。这篇评论讨论了除了烯醇化酶-1之外，群体控制可能是一个准确的框架，通过它可以更广泛地观察许多RNA的活动。这一点之所以重要，有两个原因。首先，准确了解基因是如何调控的，其次，正确解释功能获得数据。

多种RNA调节蛋白功能

越来越清楚的是，RNA可以通过间接和直接的多种机制调节蛋白质活性。间接调控的例子包括长链非编码RNA组织染色质或无膜室，如副斑和Cajal体。RNA直接调节蛋白质活性的例子包括通过将外源RNA结合到核酸传感器上激活先天免疫，或通过将vault RNA结合到p62上抑制自噬。然而，有超过一千种RNA结合蛋白(RBP) ，因此RNA介导控制的机会是广泛的。值得注意的是，在已鉴定的RNA结合位点中，近一半存在于内在无序区，且往往与赖氨酸乙酰化、酪氨酸修饰等翻译后修饰热点重合。

最近一个关于RNA介导的蛋白质调控新机制的优雅例子是烯醇化酶-1，这是糖酵解途径中的一种关键酶，被发现以乙酰化依赖的方式与大约2000种不同的RNA转录物相关联。在糖酵解速率降低的分化过程中，乙酰化促进了一系列抑制酶活性的RNA的结合。重要的是，在高水平(100 nM)表达时，这些RNA中的许多可以发挥RNA介导的烯醇酶-1抑制作用，即使所选择的RNA是鉴定的2000个结合转录本中不起眼的例子。因此，“群体控制”方面是，如果存在足够高的水平，人们可以利用这些RNA中的任何一种来概括抑制机制，但在内源性条件下，糖酵解的调节是通过它们的累积作用出现的。

从这项工作中可以得出几点启示。当然，其中之一是RNA在生物学中扮演的角色越来越多样化，但另一个含义是方法论。如果一个人不知道群体控制假说，那么他可以很容易地从那些与烯醇化酶-1结合的RNA中选择一个特定的RNA，也许是基于它的特殊富集或转录物的已知作用，然后操纵它的表达来证明该调节剂的特定作用。然而，这将不利于从RNA调控因子池中出现的集体结合的真实故事。

应用于miRNA的群体控制

人们可以推测，未能认识到“群体控制”的广度可能也适用于RNA生物学的其他领域，尤其是miRNA。这是因为每个miRNA都有潜在的数千个结合伙伴，每个转录本都有可能被几十个不同的miRNA结合。因此，尽管miRNA的工作方式和烯醇化酶-1的调节方式之间的分子机制完全不同，但群体控制的概念框架适用于两者，因为它是施加调节的相互作用的总和。miRNA和RBP(如烯醇化酶-1)的研究也有相似之处，因为未能认识到群体控制的潜力可能导致在功能获得实验中夸大单个RNA的重要性。miRNA领域充斥着这样的例子，使得群体控制的概念成为评估新数据的重要视角。

miRNA作为更大的核糖核蛋白复合物RISC (RNA诱导沉默复合物)的引导成分，为该复合物的成员提供结合选择性，其作用是沉默它们所结合的转录本的表达。该领域面临的挑战之一是miRNA与其靶标相互作用的短界面。由于主要界面只有6-8 nt长，许多3’UTR被预测拥有数十个候选miRNA应答元件(MREs)(图1A)。同样，每个miRNA可以结合5%至30%的蛋白质编码转录组，这意味着大多数基因被多个miRNA结合。因此，人们可以很容易地形成将几乎任何基因与miRNA和疾病联系起来的假设。

图1 (A)通过AGO-HITS-CLIP(高通量测序，交联免疫沉淀)鉴定的microRNA引导的AGO相互作用位点表明miRNA结合的多个位点。黑色条表示MDA-MB-231细胞中表达最多的前100个miRNA的预测结合位点(实验在其中进行)。灰色条表示所有其他候选结合位点。通过TargetScan预测典型结合位点。群体控制假说认为，每一个相互作用的miRNA本身的影响可能很小，但它们共同对基因表达产生有意义的影响。当在超生理水平上表达时，这可以通过任何单个miRNA来概括。(B) ZEB1 3'UTR内预测的miRNA结合位点表明miR-200家族的靶向性异常强。miR-200包含五个具有两种不同靶向特异性的家族成员。miR-200c/-200b/-429(蓝条)有6个预测位点。miR-141/-200a(红色条)有三个预测位点。浅灰色条表示另外19种miRNA的潜在结合位点(来自86种miRNA，表达水平> HMLE细胞中所有miRNA的0.1%，这是一种ZEB1被积极抑制的上皮细胞系)。这些miRNA中的16个在ZEB1 3'UTR中存在一个预测的结合位点。其余三种miRNA各有两个预测的结合位点

现在有数以万计的出版物声称miRNA-靶标关系在功能上具有重要意义，尽管大量的报道使人们难以相信可能有如此多的关键开关涉及单个miRNA和一个(或几个)特定靶标。考虑到绝大多数miRNA相互作用仅发挥微弱的调节活性，特别是在RNA 或蛋白质水平。

在今年早些时候发表的一篇有影响力的综述中，讨论了大量声称对个体互动产生重大影响的出版物的问题，其中作者将这些报告的广度归因于“缺乏最低限度的控制和必要的实验来得出令人信服的结论”。虽然这在许多情况下无疑是正确的，但它也与miRNA功能的群体控制解释一致，其中对于任何给定的3'UTR，多个(可能是数十个)能够结合的miRNA，每个都发挥适度的抑制活性。人们可以想象这种情况可能发生的场景。例如，抑制非增殖状态下增殖基因的表达，或防止瞬态信号或遗传噪声引起的虚假上调。在这种情况下，与关于烯醇化酶-1的报告平行，因此必须注意不要将超生理表达的影响误认为是内源性活性的指标。

这样的模型也可以解释为什么大量的miRNA调控因子通常被归因于研究充分的基因。这遵循的逻辑是，miRNA将能够结合任何转录物，因此理论上能够抑制几乎任何基因。因此，对于研究更深入的基因，将会报道更多的miRNA介导的抑制实例。为了说明这一点，作者们最近对文献进行了一项调查，发现至少有61个独立的miRNA被报道直接结合并负调控编码ZEB1的转录本的3'UTR, ZEB1是一种强制间质表型的转录因子。有一些特定的miRNA，如促进相反上皮表型的miR-200家族成员，似乎真的是ZEB1的重要调节因子。支持这一观点的证据包括：在ZEB1 3'UTR中有异常多的可靠预测的miR-200结合位点(图1B)，以及多项研究，包括那些使用功能丧失实验的研究，从报告基因和内源性mRNA和蛋白质表达来看，都显示了ZEB1的强烈抑制。然而，相比之下，大多数声称调节ZEB1的其他miRNA仅预测到单一或不显著的结合位点，并且实验研究表明ZEB1的抑制通常严重依赖于过表达。因此，这些研究的总体权重可能会混淆miRNA的功能，而不是澄清它们。然而，即使他们的个人作用经常被夸大，他们的群体行动所施加的群体控制可能仍然很重要。例如，在图1B中，ZEB1 3'UTR中所有潜在的miRNA结合位点都是针对在上皮细胞中表达的miRNA，因此它们共同抑制的表达也就不足为奇了。在miRNA的特定情况下，群体作用也可以通过TNRC6增强，TNRC6是一个由三个旁系蛋白组成的家族，能够同时结合两个或三个miRNA:AGO复合物，具体取决于TNRC6亚型。已知miRNA位点的邻近增加了靶抑制，超出了这些位点的独立活性。TNRC6促进的协同结合提供了一种机制，通过这种机制，靠近的miRNA位点更有效，从而可能提高群体控制的效率。

大型的、高度连接的网络本质上是不稳定的。广泛和微弱的抑制比较少数量的强相互作用更有效地增强了基因调控网络的稳定性。因此，如果控制的性质是群体介导的，并且如果miRNA是调控个体基因并为整个基因表达网络提供更大稳定性的群体的组成部分，那么miRNA的适度抑制就不应该被简单地视为无效。其他结合和调控RBP的RNA也是如此，在未来几年内有望增长的领域。

参考文献

[1] Bracken CP. "Crowd-control" by RNA: a pervasive theme in biology. RNA. 2023 Jul;29(7):885-888. doi: 10.1261/rna.079644.123.

以往推荐如下：

1. 分子生物标志物数据库MarkerDB

2. 细胞标志物数据库CellMarker 2.0

3. 细胞发育轨迹数据库CellTracer

4. 人类细胞互作数据库：CITEdb

5. EMT标记物数据库：EMTome

6. EMT基因数据库：dbEMT

7. EMT基因调控数据库：EMTRegulome

8. RNA与疾病关系数据库：RNADisease v4.0

9. RNA修饰关联的读出、擦除、写入蛋白靶标数据库：RM2Target