蛋白质编码基因外源子编码的小RNA亚类：调控机制与功能意义的新见解

本研究通过生物信息学分析发现201个小RNA（118个人类、83个小鼠）由蛋白质编码基因的表达外显子（5'-UTR、CDS、3'-UTR）编码，其中46个被MirGeneDB收录为miRNA。研究揭示了96%的宿主基因-小RNA关系未被认知，近50个小RNA嵌入典型ORF的编码外显子，表达分析显示其与宿主基因表达显著相关，为小RNA生物学和基因调控提供了新资源。

　　

在基因调控的复杂网络中，小RNA（small RNAs）尤其是microRNAs（miRNAs）作为关键调控因子，通过转录后机制影响从发育到宿主防御等多种细胞过程。传统观点认为，大多数miRNAs来源于长链非编码转录本，而位于蛋白质编码基因外显子中的小RNA则因其可能破坏宿主mRNA稳定性而较少被关注。尽管早期生物信息学分析仅识别出6个人类miRNAs嵌入蛋白质编码基因外显子，且实验研究仅表征了少数案例如FSTL1/miR-198、DGCR8/miR-1306和miR-3618、C15orf48/miR-147b，但随着转录组数据的爆炸式增长，蛋白质编码mRNA作为小RNA宿主基因的普遍性仍不清楚。

为解决这一问题，Chang和Hancks在《BMC Genomics》上发表了研究，通过系统分析揭示了蛋白质编码转录本作为小RNA宿主基因的广泛性。他们发现201个小RNA（人类118个、小鼠83个）由蛋白质编码基因的外显子编码，其中46个被严格筛选的MirGeneDB数据库收录为miRNAs，且96%的宿主基因-小RNA关系此前未知。值得注意的是，近50个小RNA位于典型开放阅读框（ORF）的编码外显子内，提示在高等生物中重叠杂交基因可能比先前认为的更常见。表达分析显示，许多小RNA在不同人类组织中呈现差异表达，且与候选蛋白质编码宿主基因的表达模式显著相关，表明这些转录本可能作为小RNA的前体。这一发现不仅扩展了对小RNA生物发生的理解，还为研究特定宿主基因、小RNA功能及基因调控提供了宝贵资源。

研究采用的关键技术方法包括：从UCSC基因组浏览器和miRBase获取基因组坐标数据，使用BEDTools进行映射分析，利用RefSeq mRNA数据分类小RNA位置，并通过MirGeneDB进行miRNA验证。表达分析基于GTEx v10批量RNA-seq数据集，使用线性回归评估小RNA与宿主基因的相关性。序列保守性分析通过NCBI序列比对和UCSC基因组浏览器完成，疾病变异数据从ClinVar获取。

结果

多个小RNA位于蛋白质编码转录本的外显子中

分析发现，在1913个人类miRBase pre-miRNAs中，118个（29个在MirGeneDB中）位于蛋白质编码基因外显子且与宿主基因同向，其中96%的关系此前未被记录。小鼠基因组中 similarly 有83个pre-miRNAs（17个在MirGeneDB中）位于蛋白质编码基因外显子。这些小RNA广泛分布于5'-UTR、编码序列（CDS）和3'-UTR区域。

小RNA映射到蛋白质编码基因的非翻译区和编码外显子

人类小RNA中，25.4%位于5'-UTR（30个，5个在MirGeneDB），21.2%在CDS外显子（25个，4个在MirGeneDB），49.2%在3'-UTR（58个，20个在MirGeneDB）。小鼠小RNA中，31.3%在5'-UTR（26个，4个在MirGeneDB），25.3%在CDS（21个，4个在MirGeneDB），38.6%在3'-UTR（32个，9个在MirGeneDB）。32%的人类外显子小RNA显示Drosha依赖性加工证据。

选定外显子小RNA的表达 across 人类组织与候选蛋白质编码宿主基因的表达相关

GTEx数据分析显示，部分外显子小RNA（如hsa-mir-197-3p）组成型表达，而其他（如hsa-mir-935）表达变异较大。线性回归分析表明，10对小RNA-宿主基因对中，6对表达显著相关（p<0.01），包括hsa-mir-197-3p（GNAI3）、hsa-mir-24-1-5p（AOPEP）等，支持蛋白质编码基因作为小RNA前体转录本的角色。

讨论与结论

本研究通过大规模生物信息学分析，揭示了蛋白质编码转录本作为小RNA宿主基因的广泛性和重要性。201个小RNA（人类118个、小鼠83个）被鉴定为由蛋白质编码基因外显子编码，其中46个符合MirGeneDB的miRNA标准，且多数关系（96%）此前未知。这些小RNA分布于5'-UTR、CDS和3'-UTR，部分显示进化保守性和Drosha依赖性加工特征，如嵌入B2M 3'-UTR的miR-10393、VMP1 3'-UTR的miR-21、ZAP 3'-UTR的miR-10399等。值得注意的是，CDS内小RNA的发现（如PINK1/miR-6084、TMEM94/miR-6785、NPC2/miR-4709）提示重叠杂交基因在高等生物中可能更常见，且这些宿主基因多与免疫功能和应激响应相关。

表达分析进一步支持了宿主基因与小RNA的共调控关系，为理解其生物学功能提供了基础。尽管许多小RNA具有miRNA特征，但部分可能通过非典型机制功能或作为宿主mRNA调控的副产品。例如，miR-147b在应激诱导下表达并可破坏宿主基因C15orf48的稳定性，体现了可逆的转录后开关潜力。

该研究不仅提供了小RNA-宿主基因关系的综合资源，还为未来实验研究指明了方向，如探讨这些双顺反子转录本在疾病中的调控作用、小RNA加工对宿主基因功能的影响以及其作为治疗靶点的潜力。总体而言，这项工作深化了对小RNA生物发生和基因调控网络的理解，强调了蛋白质编码基因在小RNA生产中的重要作用，对生命科学和医学研究具有深远意义。