2020年11月16日訊/
生物谷BIOON/---微小核糖核酸（microRNA,
miRNA）是一段短的RNA序列，它能嚴格控制哪些基因表達和基因表達的時間。它們通過調節哪些信使RNA（mRNA）轉錄本---編碼蛋白的單鏈模板---被細胞實際讀取來做到這一點。但是，是什麼控制著這些細胞調節因子呢？
在一項新的研究中，來自美國懷特黑德生物醫學研究所、麻省理工學院、威爾康奈爾醫學院和霍華德-休斯醫學研究所的研究人員發現mRNA和其他RNA經常逆向作用於它們的miRNA調控因子，並證實miRNA降解路徑並不是科學家們所期望的那樣。相關研究結果於2020年11月12日在線發表在Science期刊上，論文標題為「The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation」。論文通訊作者為懷特黑德生物醫學研究所的David Bartel博士。
CRISPRi篩選鑑定出ZSWIM8是miR-7的一個調節因子。圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.abc9359。
論文第一作者、Bartel實驗室研究生Charlie Shi說，「很多人都知道miRNA會抑制mRNA--這是教科書上的說法。但在某些情況下，這種邏輯是相反的。我覺得這真的很有趣，也很奇怪，這個想法經常顛倒過來。」
當轉錄本發起攻擊時miRNA通常通過與mRNA轉錄本結合來控制基因的表達，然後與一種叫做Argonaute的蛋白一起發揮作用，從而沉默這些轉錄本以便它們更快地被降解。鑑於miRNA被安穩地固定在Argonaute蛋白的內部，它們被屏蔽在細胞中的破壞性酶之外，因此以細胞標準來看，它們的壽命相當長。它們可以持續存在長達一周的時間，在這段時間內造成許多mRNA分子受到破壞。
然而，有時，miRNA與mRNA轉錄本上的一個特殊靶位點結合，導致miRNA過早地被破壞。這種現象稱為靶標引導的miRNA降解（target-directed microRNA degradation, TDMD）,在細胞中自然發生，是一種控制在任何給定時間內允許多少某些miRNA持續存在的方法。
在Bartel實驗室發現一種稱為CYRANO的RNA不編碼任何蛋白，可導致一種稱為miR-7的特定miRNA的降解。此後，這些研究人員便開始研究這種形式的降解。這種相互作用對他們來說很有趣，這是因為這種機制似乎與目前關於TDMD的理論不一致。
之前的TDMD模型表明，特殊的靶位點，如CYRANO中的靶位點，導致miRNA的一端從Argonaute蛋白中伸出，從而使得細胞質中的酶能夠對它進行核苷酸添加和減少操作。這個稱為加尾和修剪（tailing and trimming）的過程被認為是miRNA降解途徑中的一個關鍵步驟。
Shi說，「但是，當你敲除給miR-7添加尾巴的酶時，它對miRNA降解沒有影響。因此，這很奇怪，對吧？那麼，我們如何能夠真正地幹擾這個應當負責的系統而沒有造成影響呢？」
一種新的模型為了進一步探究TDMD的機制，這些研究人員重點研究了CYRANO
非編碼RNA和miR-7之間的這種相互作用。Shi設計了CRISPR篩選，以確定當這個miRNA遇到CYRANO轉錄本時對它的降解至關重要的基因。
這種CRISPR篩選確定了一個對這個miRNA的降解至關重要的基因，即ZSWIM8。當他們研究該基因的功能時，他們發現它編碼的是泛素連接酶（ubiquitin ligase）的一個組分。泛素之所以如此命名，是因為它幾乎在所有類型的細胞中都能找到。泛素對蛋白進行標記，以便後者在一種稱為蛋白酶體（proteasome）的細胞垃圾處理系統中遭受降解。
ZSWIM8泛素連接酶的發現意味著CYRANO介導的miRNA降解涉及Argonaute蛋白受到破壞。在這種新的TDMD分子模型中，作為一種調節性RNA，CYRANO結合到封裝在保護性的Argonaute蛋白中的mir-7，然後招募ZSWIM8泛素連接酶。隨後，這種連接酶將一些泛素分子添加到這個miRNA的Argonaute上，導致Argonaute受到降解，從而使得它攜帶的miRNA貨物暴露出來，以便細胞中的酶破壞這種miRNA貨物。重要的是，這個過程不需要對miRNA進行任何修剪和加尾處理。
Bartel說，「這種未曾預料到的TDMD途徑的發現說明了CRISPR篩選的力量，它基本上可以同時尋找細胞中的每一種蛋白，包括那些你從未想到過會參與其中的蛋白。」
多種miRNA當這些研究人員研究其他已知的TDMD例子時，他們發現ZSWIM8在所有這些例子中都是必不可少的。在確定了這個降解途徑的這一關鍵部分後，他們就可以尋找更多的遭受這種調節的miRNA。
Shi說，「當我們開始研究這個項目時，自然界中只有大約4個由細胞編碼的內源性RNA可以進行TDMD的例子。我們預感到會有更多的例子，所以通過找到一個在一般情況下進行TDMD所需的因子，即ZSWIM8，我們就能夠提出並解答一個問題：『這種現象有多普遍?』。」
事實證明，TDMD在多細胞有機體中相當常見。這些研究人員在不同的細胞類型---兩種細胞類型來自小鼠和一種細胞類型來自果蠅---中尋找這種miRNA降解機制存在的證據，並發現在任何給定的細胞中，在細胞中總共幾百種miRNA中，多達20種不同的miRNA被TDMD調節。
這些研究人員還在人體細胞和線蟲中觀察到了這種機制，這表明TDMD作為一種調節miRNA的方法可以追溯到這些不同物種的共同祖先。Shi說，「這無疑給我們帶來了很多問題。這些miRNA中的每一種都是一個故事。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：1.Charlie Y. Shi et al. The ZSWIM8 ubiquitin ligase mediates target-directed microRNA degradation. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc9359.