Mirna là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học về Mirna

Định nghĩa và đặc điểm cơ bản của miRNA

MicroRNA (miRNA) là các phân tử RNA nhỏ không mã hóa protein, chiều dài điển hình 20–24 nucleotide, hoạt động như chất điều hòa biểu hiện gen ở cấp sau phiên mã bằng cách làm giảm dịch mã hoặc thúc đẩy phân hủy mRNA mục tiêu. miRNA được phiên mã chủ yếu bởi RNA polymerase II, có mũ 5′ và đuôi poly(A) ở tiền chất dài (pri‑miRNA), và sau chuỗi xử lý tạo thành dạng trưởng thành được nạp vào phức hợp ức chế dịch mã phụ thuộc Argonaute (RISC). Đặc trưng chức năng của miRNA là vùng “seed” 2–8 nt ở đầu 5′ quyết định tính đặc hiệu gắn với vị trí trên 3′‑UTR của mRNA mục tiêu, với sự kết cặp thường không hoàn hảo ở động vật có xương sống, cho phép một miRNA điều hòa hàng trăm mRNA khác nhau.

Vai trò sinh học của miRNA trải rộng trên nhiều tiến trình: định hình chương trình phát triển mô, duy trì cân bằng nội môi, điều phối chu kỳ tế bào, tín hiệu miễn dịch và đáp ứng stress. Mức độ bảo tồn cao của nhiều họ miRNA giữa các loài (ví dụ let‑7, miR‑1) phản ánh áp lực chọn lọc tiến hóa lên các mạng điều hòa sau phiên mã. Rối loạn biểu hiện miRNA liên quan tới nhiều bệnh cảnh như ung thư, bệnh tim mạch, rối loạn chuyển hóa và bệnh tự miễn, đồng thời mở ra khả năng ứng dụng miRNA như chỉ thị sinh học và đích điều trị. Nguồn tổng quan: Cell – Bartel 2004, NCBI PMC – O’Brien et al., 2018, Nature Reviews Genetics – Jonas & Izaurralde, 2015.

• Độ dài đặc trưng: 20–24 nt; seed 2–8 nt quyết định đích gắn.
• Đối tượng tác động: chủ yếu 3′‑UTR; cũng có thể ở 5′‑UTR hoặc CDS tùy ngữ cảnh.
• Tác động chức năng: ức chế dịch mã, deadenyl hóa, cắt mRNA (ở thực vật/ghép cặp hoàn hảo).

Sinh tổng hợp (biogenesis) của miRNA

Sinh tổng hợp miRNA ở động vật có vú diễn ra theo hai chặng chính, trong nhân và bào tương. Tại nhân, gene miRNA (đơn lẻ hoặc cụm) được RNA polymerase II phiên mã thành pri‑miRNA có cấu trúc kẹp tóc dài. Pri‑miRNA được phức hợp microprocessor gồm nuclease Drosha và đồng yếu tố DGCR8 (Pasha) nhận diện và cắt tạo thành pre‑miRNA (~60–70 nt) có đầu 2 nt nhô 3′. Pre‑miRNA sau đó được Exportin‑5/Ran‑GTP vận chuyển qua lỗ nhân ra bào tương, một khâu đảm bảo tính chọn lọc nhờ hình học kẹp tóc và đầu nhô đặc trưng.

Ở bào tương, RNase III Dicer cắt pre‑miRNA tạo RNA sợi đôi ~22 nt. Một sợi (guide) được chọn nạp vào protein Argonaute (AGO) hình thành RISC, sợi còn lại (passenger; miRNA*) thường bị thải loại. Tính ưu tiên nạp sợi phụ thuộc độ ổn định nhiệt ở hai đầu duplex (quy tắc “thermodynamic asymmetry”) và trình tự hạt giống. Các biến thể trình tự/chiều dài (isomiRs) sinh ra từ tính đa dạng cắt của Dicer hoặc sửa đổi đầu mút có thể điều chỉnh phổ đích và cường độ ức chế theo mô, giai đoạn phát triển hoặc trạng thái bệnh lý. Nguồn: Nature Reviews Molecular Cell Biology – Ha & Kim, 2014, Nature Protocols – quy trình phân tích miRNA, NCBI PMC – O’Brien et al., 2018.

1. Phiên mã pri‑miRNA bởi Pol II.
2. Xử lý pri‑miRNA bởi Drosha/DGCR8 → pre‑miRNA.
3. Xuất nhân nhờ Exportin‑5/Ran‑GTP.
4. Cắt bởi Dicer → duplex ~22 nt.
5. Nạp sợi guide vào AGO → RISC hoạt hóa.

Thành phần	Vị trí	Chức năng chính
Drosha / DGCR8	Nhân	Cắt pri‑miRNA thành pre‑miRNA
Exportin‑5 / Ran‑GTP	Màng nhân	Vận chuyển pre‑miRNA ra bào tương
Dicer	Bào tương	Tạo duplex ~22 nt
AGO (RISC)	Bào tương	Gắn đích và ức chế mRNA

Cơ chế hoạt động và điều hòa biểu hiện gen

miRNA trong RISC dò tìm vị trí đích chủ yếu ở 3′‑UTR thông qua seed 2–8 nt, nơi các protein AGO tuyển mộ bộ máy deadenyl hóa CCR4‑NOT và phức hợp decapping DCP1/2, dẫn tới rút ngắn đuôi poly(A), tháo mũ 5′ và thoái hóa mRNA qua exonuclease XRN1; đồng thời ức chế khởi đầu/éo dịch mã bằng tác động lên eIF4F và ribosome. Ở thực vật, ghép cặp gần hoàn hảo với vùng CDS/3′‑UTR kích hoạt “slicer” của AGO để cắt mRNA trực tiếp. Sức mạnh ức chế phụ thuộc bối cảnh: vị trí gắn (gần poly(A) hoặc xa stop codon), độ giàu AU xung quanh, cấu trúc thứ cấp mRNA, mật độ site đồng vận, và tương tác với protein gắn RNA (RBP) như HuR, Pumilio.

Một miRNA có thể tinh chỉnh nhiều con đường tín hiệu bằng gắn đa đích; ngược lại, một mRNA thường có nhiều site cho các miRNA khác nhau, tạo mạng điều hòa có tính bền vững chống nhiễu sinh học. Các mô hình định lượng cho thấy hiệu ứng miRNA thường giảm dịch mã theo log‑linear với số site và ái lực, và hiệu quả bị “giới hạn” khi mRNA mục tiêu quá dư thừa hoặc khi miRNA bị “hút” bởi các RNA mồi nhử (ceRNA). Nguồn: Nature Reviews Genetics – Jonas & Izaurralde, 2015, Nature Reviews Molecular Cell Biology – Fabian, Sonenberg & Filipowicz, 2010, Nature – Eichhorn et al., 2014.

• Đích điển hình: 3′‑UTR; biến thể: 5′‑UTR/CDS tùy RBP và cấu trúc.
• Cơ chế chính: deadenyl hóa → decapping → thoái hóa; ức chế dịch mã.
• Điều chỉnh bởi ngữ cảnh: cấu trúc RNA, protein đồng điều hòa, số lượng site.

Đa dạng sinh học và vai trò tiến hóa

miRNA hiện diện rộng khắp ở động vật, thực vật và một số virus DNA lớn; nhiều họ được bảo tồn sâu giữa các ngành tiến hóa, phản ánh vai trò thiết yếu trong thiết lập chương trình gen của cơ thể đa bào. Cơ sở dữ liệu miRBase lưu trữ chú giải miRNA đã thẩm định, hỗ trợ truy cập trình tự, họ tiến hóa và biểu hiện theo loài. Ở động vật, ghép cặp không hoàn hảo cho phép “tính đa trị” đích; ở thực vật, ghép cặp gần hoàn hảo ưu tiên cắt mRNA, tạo khác biệt chức năng và chiến lược mạng điều hòa. Sự xuất hiện/biến mất dòng miRNA mới (lineage‑specific) liên kết với đổi mới hình thái và thích nghi môi trường, trong khi họ cổ điển như let‑7 định hình thời điểm phát triển. Nguồn: EMBL‑EBI miRBase, Nature Reviews Genetics – Axtell, Westholm & Lai, 2011, Frontiers in Cell and Developmental Biology – tổng quan tiến hóa miRNA.

Đặc điểm	Động vật	Thực vật
Mức độ ghép cặp miRNA–mRNA	Không hoàn hảo, seed‑centric	Gần hoàn hảo, toàn bộ vùng
Hệ quả chính	Ức chế dịch mã + thoái hóa mRNA	Cắt mRNA qua AGO “slicer”
Vị trí xử lý chính	Drosha (nhân) → Dicer (bào tương)	DCL1 chủ yếu trong nhân
Chiến lược điều hòa	Đa đích, tinh chỉnh tín hiệu	Đích chuyên biệt, tắt mạnh mẽ

• Họ bảo tồn: let‑7 (định thời phát triển), miR‑1 (cơ tim/cơ vân), miR‑155 (miễn dịch).
• Đổi mới dòng dõi: miRNA đặc thù mô/loài liên kết thích nghi sinh học.

Vai trò trong sinh lý bình thường và bệnh lý

miRNA đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát cân bằng nội môi tế bào. Trong điều kiện bình thường, nhiều miRNA duy trì mức độ dịch mã của protein trong phạm vi hẹp, đảm bảo hoạt động ổn định của các con đường tín hiệu. Ví dụ, miR-1 và miR-133 phối hợp điều hòa quá trình biệt hóa và duy trì cơ tim, trong khi miR-9 và miR-124 định hình mạng lưới thần kinh trung ương. Các miRNA này không chỉ ảnh hưởng đến một vài gen riêng lẻ mà điều hòa cả nhóm gen cùng tham gia một quá trình sinh học.

Khi rối loạn, miRNA có thể dẫn đến bệnh lý. Trong ung thư, nhiều miRNA được phân loại thành “onco-miR” (kích thích sinh ung thư) hoặc “tumor suppressor miR” (ức chế ung thư). miR-21 là ví dụ điển hình của onco-miR, thường tăng cao trong ung thư vú, đại trực tràng, phổi, giúp tế bào khối u thoát khỏi apoptosis bằng cách ức chế PTEN hoặc PDCD4. Ngược lại, miR-34a hoạt động như một tumor suppressor dưới sự kiểm soát của p53, thúc đẩy apoptosis và dừng chu kỳ tế bào. Ngoài ra, trong các bệnh tim mạch, miR-208 liên quan đến phì đại cơ tim và suy tim, trong khi miR-122 đóng vai trò trong chuyển hóa lipid và bệnh gan nhiễm mỡ. Các bệnh thần kinh như Alzheimer, Parkinson cũng liên quan đến rối loạn biểu hiện miRNA. Nguồn: Nature Reviews Genetics – Jonas & Izaurralde, 2015, PubMed – Saliminejad et al., 2019, Nature Reviews Cancer – Esquela-Kerscher & Slack, 2006.

• Ung thư: tăng miR-21, giảm miR-34a, thay đổi miR-155.
• Bệnh tim mạch: miR-208, miR-133.
• Bệnh gan: miR-122.
• Bệnh thần kinh: miR-132, miR-124.

Các ví dụ điển hình về miRNA

miR-21: tăng cao trong nhiều loại ung thư, nhắm đến PTEN, PDCD4 và TPM1. Nó góp phần thúc đẩy tăng sinh, chống apoptosis và di căn. Do tính phổ biến, miR-21 thường được sử dụng làm dấu ấn chẩn đoán và tiên lượng bệnh ung thư.

miR-155: một miRNA liên quan đến chức năng miễn dịch, được kích hoạt trong phản ứng viêm. Biểu hiện bất thường của miR-155 liên quan đến ung thư hạch và các bệnh tự miễn. Nó ảnh hưởng đến con đường tín hiệu JAK/STAT và NF-κB, làm thay đổi cân bằng miễn dịch.

miR-126: tập trung ở tế bào nội mô, điều hòa sự hình thành mạch máu và khả năng xâm lấn của khối u. Sự giảm miR-126 liên quan đến tăng khả năng di căn và tiến triển ung thư.

miR-122: đặc hiệu ở gan, chiếm tới 70% tổng lượng miRNA trong mô gan. Nó kiểm soát chuyển hóa lipid và cholesterol, đồng thời tham gia vào vòng đời của virus viêm gan C (HCV). Do đó, miR-122 vừa là dấu ấn sinh học, vừa là đích điều trị tiềm năng.

Nguồn: Journal of Clinical Investigation – miR-21 in cancer, Blood – miR-155 in hematopoiesis, PMC – miR-126 in angiogenesis, Nature – miR-122 and HCV replication.

Các ứng dụng nghiên cứu và lâm sàng

Trong y học chẩn đoán, miRNA được khai thác như dấu ấn sinh học lưu hành trong huyết tương, huyết thanh, nước tiểu hoặc dịch não tủy. Chúng có độ ổn định cao nhờ được bao bọc trong exosome hoặc liên kết với protein huyết tương như AGO2. Nhiều panel miRNA huyết tương đã được đề xuất để phát hiện sớm ung thư phổi, ung thư tuyến tụy và bệnh tim mạch. Ví dụ, sự kết hợp của miR-21, miR-155 và miR-210 có khả năng phân biệt bệnh nhân ung thư phổi với đối chứng khỏe mạnh với độ nhạy cao.

Trong liệu pháp, có hai hướng chính: ức chế onco-miR bằng antisense oligonucleotide (antagomir, LNA) hoặc bổ sung tumor suppressor miR bằng miRNA mimics. Các thử nghiệm lâm sàng đã triển khai, như Miravirsen (ức chế miR-122) trong điều trị HCV, cho thấy tính khả thi. Ngoài ra, liệu pháp dựa trên exosome vận chuyển miRNA đang được nghiên cứu để tăng tính đặc hiệu mô đích và giảm độc tính ngoài mục tiêu. Nguồn: NEJM – Miravirsen trial, Nature Reviews Drug Discovery – miRNA therapeutics, Frontiers in Pharmacology – exosome miRNA therapy.

• Chẩn đoán: dấu ấn sinh học không xâm lấn.
• Điều trị: antagomir, mimics, exosome-based delivery.
• Theo dõi bệnh: panel miRNA huyết tương.

Phương pháp nghiên cứu miRNA

Các công cụ phân tích miRNA ngày càng phát triển. Kỹ thuật Northern blot truyền thống ít nhạy, được thay thế bằng RT-qPCR đặc hiệu đầu dò, microarray và RNA-seq thế hệ mới. RNA-seq cung cấp bức tranh toàn diện về biểu hiện miRNA, phát hiện cả các biến thể isomiR. Microarray phù hợp cho phân tích diện rộng với chi phí thấp. RT-qPCR được dùng trong xác nhận mẫu, nhờ độ nhạy cao và tái lập tốt.

Trong nghiên cứu chức năng, các công cụ như luciferase reporter assay kiểm tra trực tiếp tương tác miRNA-mRNA. Ngoài ra, kỹ thuật CLIP-seq (crosslinking immunoprecipitation sequencing) giúp xác định vị trí gắn thực tế của miRNA trên mRNA. Các thuật toán dự đoán đích (TargetScan, miRanda, PITA) được sử dụng song song với dữ liệu thực nghiệm để xây dựng mạng điều hòa. Nguồn: Nature Protocols – miRNA expression analysis, Nature Reviews Genetics – Jonas & Izaurralde, 2015, Cell – CLIP-seq methods.

Phương pháp	Ưu điểm	Hạn chế
RT-qPCR	Độ nhạy cao, đặc hiệu, xác nhận tốt	Không phân tích diện rộng
Microarray	Phân tích hàng nghìn miRNA song song	Ít chính xác cho miRNA hiếm
RNA-seq	Toàn diện, phát hiện isomiR, miRNA mới	Chi phí cao, đòi hỏi phân tích tin sinh học
CLIP-seq	Xác định vị trí gắn thực tế	Kỹ thuật phức tạp, cần nhiều mẫu

Tài liệu tham khảo

1. Jonas S, Izaurralde E. Towards a molecular understanding of microRNA-mediated gene silencing. Nature Reviews Genetics, 2015
2. Saliminejad K, et al. An overview of microRNAs: biology, functions, therapeutics, and analysis methods. PubMed, 2019
3. Esquela-Kerscher A, Slack FJ. Oncomirs – microRNAs with a role in cancer. Nature Reviews Cancer, 2006
4. Medina PP, et al. OncomiR addiction in an in vivo model of microRNA-21-induced pre-B-cell lymphoma. J Clin Invest, 2010
5. O’Connell RM, et al. MicroRNA-155 functions in hematopoiesis and lymphomagenesis. Blood, 2009
6. Fish JE, et al. miR-126 regulates angiogenic signaling and vascular integrity. PMC, 2008
7. Jopling CL, et al. Modulation of hepatitis C virus RNA abundance by a liver-specific microRNA. Nature, 2005
8. Janssen HLA, et al. Treatment of HCV infection by targeting microRNA. NEJM, 2013
9. Ling H, et al. Therapeutic potential of microRNAs in cancer. Nature Rev Drug Discov, 2018
10. Ha M, Kim VN. Regulation of microRNA biogenesis. Nat Rev Mol Cell Biol, 2014