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本文聚焦微小 RNA（miRNA）臂转换，全面综述了其在基因调控中的作用。miRNA 臂转换可改变基因调控网络，影响生物表型。文中探讨了臂转换机制、相关影响因素及进化意义，为深入理解基因调控和生物进化提供重要参考，极具科研价值。
引言
自 1993 年在研究线虫发育时发现微小 RNA（miRNA）以来，它已在多种真核生物中被识别。miRNA 是一类小的非编码 RNA（~22 核苷酸），通过与靶 mRNA 结合来调控基因表达。其种子区域（5′端第 2 - 7 位核苷酸）在靶标识别中起关键作用。
通常，miRNA 基因经 Drosha 和 Dicer 酶转录加工，形成 RNA 双链体，双链体的两条链分别称为 5p 和 3p 臂，它们可被加载到 RNA 诱导沉默复合体（RISC）中。但 miRNA 臂的选择并非固定不变，会因组织类型、发育阶段或物种不同而变化。臂转换指原本次要的臂成为加载到 RISC 的主要链，这会从根本上改变 miRNA 的调控网络，在生物适应性反应中发挥重要作用，与多种疾病相关，如癌症。
后生动物中典型的 miRNA 生物发生
miRNA 生物发生途径较为明晰。miRNA 基因由 RNA 聚合酶 II 转录，生成初级 miRNA（pri - miRNA），pri - miRNA 通常在 5′端加帽，3′端有 poly（A）尾，且包含多个茎环或发夹二级结构 。在细胞核内，由 Drosha 和 DGCR8 组成的微处理器复合体对 pri - miRNA 进行加工，切割产生约 65 - 70 核苷酸的前体 miRNA（pre - miRNA），pre - miRNA 经 Exportin 5 和 RAN - GTP/GDP 浓度梯度转运至细胞质。
在细胞质中，Dicer 酶识别 pre - miRNA 并进行切割。Dicer 常被称为 “分子尺”，能精确测量核苷酸距离并切割。切割产生的双链 RNA 分子包含两条互补链（臂）和 3′端两个核苷酸的突出端。其中一条臂（通常是表达较多的）被称为引导链或成熟 miRNA，另一条则为过客链或星链（miR*），现在更推荐用 5p 或 3p 后缀表示 miRNA 序列在 pre - miRNA 结构中的位置 。随后，双链体加载到 RISC 中，RISC 中的 AGO 蛋白负责 mRNA 沉默的效应功能 。
miRNA 链选择机制
链选择是 miRNA 生物发生中的关键步骤，决定了哪条链被加载到 RISC 中，进而影响 5p/3p 的化学计量比和细胞表型。目前认为，miRNA 双链体的热力学性质和相关生物发生酶在链选择中起重要作用，主要包括 5′端热力学稳定性和 5′端核苷酸身份 。
然而，研究发现并非所有 miRNA 臂的选择都遵循这些规则。例如，对人类 miRNA 序列分析发现，很多已确定为引导链的 miRNA 在不同组织中并非优势链 。这表明还有其他因素影响链选择，臂的使用情况（arm usage）会因细胞环境、组织特异性、发育阶段、性别、环境和病理生理状态等因素而变化，且在不同物种的同源组织中也存在差异。
差异链选择和臂转换
过去认为过客链会被细胞机制迅速降解，但高通量测序技术发现，过客链在组织中可被检测到，且能产生功能性成熟 miRNA 序列，参与 mRNA 沉默 。
臂转换在生物进化和新 miRNA 功能多样化中意义重大，在早期发育中，它能优化基因调控网络，影响组织分化和形态发生 。在不同生物过程、组织和物种中都观察到了臂转换事件 。例如，在鸡的胚胎发育过程中，不同发育阶段存在明显的臂转换；在斑马鱼中，miR - 202 的臂转换影响性别分化；在哺乳动物中，miR - 34 的不同臂异构体在肿瘤发生中发挥不同作用 。
调节臂选择和臂转换的因素
- dsRNA 内在因素
- pre - miRNA 5′端的相对热力学稳定性：早期研究发现，5′端热力学稳定性较低的 miRNA 链更易成为引导链被 AGO 选择 。关于 RISC 加载双链体的能量来源有不同模型，如橡胶带模型和能量斜坡模型 。
- 双链体中的中央错配：miRNA 双链体中的错配与热力学稳定性相关。在果蝇中，中央错配是双链体加载到 AGO1 的前提条件，但在哺乳动物中，中央错配对臂选择的影响尚不明确 。
- 5′端核苷酸的暴露和身份：AGO 蛋白的 MID 结构域识别引导链的 5′端磷酸化基团，对 U 或 A 5′端核苷酸有偏好 。改变 5′端核苷酸可影响臂选择，如在果蝇中，将过客链的 5′端核苷酸改为 “U” 可逆转 Ago1 的臂选择 。
- 双驱动模型：为解释热力学稳定性规则和 5′端核苷酸身份规则的共存，提出了双驱动模型。该模型认为 AGO 的 MID 结构域包含两个识别位点，分别负责识别热力学稳定性和核苷酸身份 。
- dsRNA 外在因素
- 差异末端切割：Drosha 和 Dicer 酶的切割模式有时不一致，会产生 miRNA 异构体（isomiRs） 。5′ isomiRs 可能导致种子区域移位，影响细胞功能；3′ isomiRs 更常见，其序列长度、末端突出端或核苷酸身份的改变可影响热力学稳定性和 RISC 选择性，进而诱导臂转换 。
- miRNA 加尾：RNA 加尾是常见的转录后修饰，可在 miRNA 3′端添加腺嘌呤（腺苷酸化）或尿嘧啶（尿苷酸化） 。尿苷酸化可影响 pre - miRNA 的加工和臂选择，如在 miR - 324 中，TUT4/7 介导的尿苷酸化可诱导臂转换，可能与胶质母细胞瘤的形成有关 。
- 核苷酸替换对 miRNA 的编辑：RNA 编辑是一种表观遗传调控机制，主要由 ADARs 酶催化腺苷脱氨生成次黄嘌呤（A→I 编辑） 。miRNA 编辑可影响 miRNA 的生物发生、靶标识别和热力学稳定性，进而影响臂选择和臂转换 。
- 通过转录组的 miRNA 竞争性抑制：竞争性内源性 RNA（ceRNA）假说认为，lncRNAs、circRNAs 等可通过竞争性抑制 miRNA 来调控靶基因 。虽然 ceRNA 对 miRNA 活性的影响存在争议，但它可能通过影响 miRNA 的可用性来调节 5p/3p 比率，理论上可诱导臂转换 。
- miRNA 基因复制：miRNA 基因复制后，可能发生亚功能化或新功能化 。臂转换在复制的 miRNA 中可实现差异靶标选择，有助于物种适应环境压力，但 miRNA 基因复制与臂转换之间的关系仍需进一步研究 。
结论和展望
理解 miRNA 臂选择和臂转换机制对揭示真核生物基因和生理调控至关重要，但目前在不同生物和环境中对这些过程的研究仍有限 。虽然已知热力学稳定性和 5′端核苷酸身份在臂选择中起重要作用，但其他决定因素，如生物发生酶的调控、触发臂转换的环境因素等仍有待阐明 。
未来，整合实验和计算方法，利用新的测序技术和数据分析，将推动该领域的研究进展。深入研究 miRNA 臂选择和臂转换，有望开发新的生物技术和治疗方法，为理解基因调控和生物进化提供更深入的见解 。
