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Science:miRNA控制蛋白表达的噪音

众所周知,一些microRNA能使特定基因的表达下调,然而,对于这些小的非编码RNA的更广泛用途,人们还不是太清楚。一项新的研究表明,miRNA可作为基因组噪音的阻尼器,控制蛋白表达的变化。这项成果发表于4月3日的《Science》杂志上。


miRNA的普遍和保守,再加上它们微弱抑制绝大多数目标的倾向,让一些人推测miRNA的功能是精确控制细胞群体间的基因表达。在此研究中,麻省理工学院(MIT)和洪堡大学(Humboldt University)的研究人员利用数学建模和合成遗传学来证明miRNA确实提供了这种类型的噪音控制。


为了检验内源miRNA的功能,研究人员利用双荧光蛋白报告系统定量了小鼠胚胎干细胞的蛋白水平和波动,其中两个不同的报告基因(ZsGreen和mCherry)是由一个共同的双向启动子转录的。mCherry报告基因的3’UTR上包含了一些变异和多个miRNA结合位点,而研究人员利用流式细胞仪定量了单细胞荧光。


他们研究了miR-20a对报告基因中设计目标位点的影响。与对照相比,在低表达报告基因的细胞中,噪音降低;而在高表达的细胞中,噪音升高。值得注意的是,当报告基因中的miR-20a位点是理想目标,或在3’UTR上有多个位点时,这种噪音的变化尤为明显。


为了探索这些看似对立作用的机制,研究人员建立了一个数学模型,将总的噪音分解成内在噪音,即蛋白生产的随机过程而产生的蛋白表达变化,以及外在噪音,即外部因素的波动而产生的变化。


这个模型预测了miRNA调控对不同类型噪音的影响,其中miRNA调控的基因与未受调控的基因相比,内在噪音降低。同时,miRNA调控预计会提高外在噪音。综合起来,此模型预测内在噪音降低和外在噪音升高的净影响将导致低表达的总噪音降低,而高表达的总噪音升高。


为了从实验上验证这一预测,研究人员改变了报告系统,让两个报告基因都包含相同的3’UTR,而它们的表达差异只来自对每个基因的加工,即内在噪音。他们发现,miR-20a的调控降低了内在噪音,这与数学模型的预测一致。进一步的实验表明,受多个miRNA调控的基因则经历了更明显的噪音降低。


研究人员认为,这些结果表明miRNA赋予了蛋白表达的精确性,解释了普遍观察到的内源基因被多个miRNA组合靶定,以及低表达基因的优先靶定。


原文链接:MicroRNA control of protein expression noise


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