非編碼RNA的分類及其功能總結(jié)

1、.1. 非編碼rna的分類及概念1.1 分類非編碼rna(non-coding rna)是指轉(zhuǎn)錄組中不翻譯為蛋白質(zhì)的rna分子。包括相對分子量較小的 核內(nèi)小分子rna(small nuclear rna，snrna)、核仁小分子rna(small nucleolar rnas，snorna)、微rna(microrna，mirna)、piwi-interacting rna(pirna)干擾小rna（small interfering rna，sirna）以及相對分子量較大的 長非編碼rna(long non-coding rna，lncrna)等。1.2 概念：snrna：核內(nèi)小分子rna(

2、small nuclear rna)，它是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過程中rna剪接 體（spliceosome）的主要成分，參與mrna前體的加工過程。snorna：核仁小分子rna（small nucleolar rnas），它在核糖體rna 的生物合成中發(fā)揮作用，另外還能夠指導(dǎo)snrna、trna 和mrna 的轉(zhuǎn)錄后修飾。mirnas：微小rna（micrornas），是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22 個核苷酸的非編碼單鏈rna 分子，通過與靶標(biāo)mrna的3 端非翻譯區(qū)(3-untranslated region，3-utr)特異性結(jié)合，從而引起靶標(biāo)mrna分子的降解或翻譯抑制，在動植物中參

3、與轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控。pirnas（piwi-interactingrna）：pirna基因是一類長度為2432 nt的的單鏈小rna，有很強的正義鏈和反義鏈專一性，其5 端第一個核苷酸有尿嘧啶傾向性，3 端被2-o-甲基化修飾，這類末端修飾可防止成熟體pirna基因降解.pirna主要與piwi亞家族成員piwi蛋白或ago3蛋白質(zhì)結(jié)合而發(fā)揮作用。sirna ：干擾小rna（small interfering rna），是一種小rna分子，由dicer酶加工而成。雙鏈rna經(jīng)酶切后會形成很多小片段，sirna是sirisc的主要成員，激發(fā)與之互補的目標(biāo)mrna的沉默。精品.lncrna：長鏈

4、非編碼rna（long non-coding rna），lncrna是長度大于 200 個核苷酸的非編碼 rna。研究表明， lncrna 在劑量補償效應(yīng)、表觀遺傳調(diào)控、細(xì)胞周期調(diào)控和細(xì)胞分化調(diào)控等眾多生命活動中發(fā)揮重要作用，成為遺傳學(xué)研究熱點。mirna和sirna的區(qū)別主要有兩點：（1）mirna是內(nèi)源性的，是生物體基因的表達(dá)產(chǎn)物；sirna是外源性的，來源于病毒感染、轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)基因靶點。（2）mirna是由不完整的發(fā)卡狀雙鏈rna，經(jīng)drosha和dicer酶加工而成；sirna是由完全互補的長雙鏈rna，經(jīng)dicer酶剪切而成。圖：莫小燕等，非編碼rna在腫瘤細(xì)胞糖代謝中的調(diào)控作用1.

5、3 sirna、mirna及pirna的生物合成 3a： (人類)sirna來源于長的雙鏈rna分子,經(jīng)dicer酶剪切為21-25nt的雙鏈rna片段，dicer酶和dsrna結(jié)合蛋白將sirna二聚體裝載至argonaute 蛋白（ago2）而發(fā)揮作用；b：(人類)mirna由內(nèi)源性的生物體基因產(chǎn)生含有發(fā)卡結(jié)構(gòu)的65-70nt 長的pri-mirna，該發(fā)卡結(jié)構(gòu)在細(xì)胞核內(nèi)經(jīng)drosha-dgcr8復(fù)合物加工產(chǎn)生pre-mirna。在細(xì)胞漿內(nèi)， pre-mirna進(jìn)一步經(jīng)dicer酶剪切為mirna-mirna*二聚體（其中mirna為引導(dǎo)鏈，mirna* 為信息鏈），裝載至argonaut

6、e 蛋白1(ago1) 而發(fā)揮作用。c：(鼠類) pirna 的生物合成尚不清楚。pirna來源于單鏈rna 前體，而且不依賴于dicer酶。產(chǎn)生的初級正義pirna傾向于與 mili結(jié)合，在出生前的睪丸、mili 和miwi2 均參與復(fù)制周期，在次級反義pirna中miwi2 比mili 更為豐富，次級反義pirna可能直接裂解轉(zhuǎn)座子mrna。精品.圖：于紅，表觀遺傳學(xué):生物細(xì)胞非編碼rna調(diào)控的研究進(jìn)展2、microrna的功能2.1 mirna參與細(xì)胞自噬調(diào)控1。在自噬的啟動(induction)、囊泡成核(vesicle nucleation)、囊泡延伸(vesicle elongat

7、ion)、自噬回收(retrieval)與囊泡融合(fusion)等幾個階段中均參與調(diào)控。此外，mirna也可通過其他方式調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬。直接調(diào)控，直接作用的位點目前發(fā)現(xiàn)有:對stmn1基因（該基因編碼的stathmin蛋白被發(fā)現(xiàn)參與自噬調(diào)控）， dram2 ，irgm，線粒體自噬受體fundc1和nix等。間接調(diào)控，即通過對細(xì)胞分子通路中重要的調(diào)控性蛋白進(jìn)行調(diào)控，從而間接地調(diào)控自噬的過程。調(diào)控靶點有：smad4，foxo3，atm，runx3，p53；ezh2，pi3k/akt通路，hnrnp a1，egfr等。精品.圖：陳月琴等，非編碼rna與細(xì)胞自噬調(diào)控2.2 參與表觀遺傳調(diào)控3mirna

8、可通過調(diào)控組蛋白修飾引起染色質(zhì)重塑。即mirna可通過調(diào)控組蛋白的修飾而參與tgs。mirna還可通過調(diào)控dna甲基化酶的表達(dá)而影響dna甲基化參與tgs。2.3 在腫瘤中的調(diào)節(jié)機制42.3.1 對致癌基因的調(diào)節(jié)。在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)水平升高的mirna被認(rèn)為是致癌基因，通過抑制抑癌基因和（或）抑制控制細(xì)胞分化和凋亡的基因來促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。首先，mir-17-92群簇被認(rèn)為在腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)中起重要作用，mir-17-92群簇可能通過調(diào)節(jié)兩個抑癌基因-pten和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤基因（rb）家族的成員甙rb2/ p130的基因促進(jìn)腫瘤進(jìn)展。pten通過pi3k-akt / pkb通路促進(jìn)凋亡。其次，mir-

9、17-92群簇對細(xì)胞周期和增殖的作用部分是通過對e2f轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)節(jié)實現(xiàn)。最后，mir-17-92群簇通過arf-p53基因通路抑制細(xì)胞凋亡，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。此外，mir-372和mir-373是另外兩個致癌的mirna，通過直接抑制抑癌基因lats2的表達(dá)來解除的p53介導(dǎo)的對細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶（cdk）的抑制，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖和腫瘤進(jìn)展。人類睪丸生殖細(xì)胞腫瘤的發(fā)生中涉及這一機制。精品.2.3.2對抑癌基因的調(diào)節(jié)。在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)水平降低的mirna的被認(rèn)為是抑癌基因，通過抑制致癌基因和（或）抑制控制細(xì)胞分化和增殖的基因來抑制腫瘤進(jìn)展。let-7的家族的mirna的在許多腫瘤中表達(dá)

10、下調(diào)，其作用的靶基因可能是ras致癌基因，包括肺癌和乳腺癌.mir-29家族成員通過靶向結(jié)合抗凋亡蛋白基因mcl1和致癌基因tcl1表現(xiàn)出抑癌作用。此外，在白血病患者、垂體腺瘤患者中mir-15和mir-1均表現(xiàn)出表達(dá)的抑制。2.4 參與糖代謝的調(diào)控62.4.1 mirna通過調(diào)控己糖激酶基因表達(dá)影響腫瘤細(xì)胞的糖代謝。乳腺癌細(xì)胞中白介素-6（il-6）和mir-155均可通過上調(diào)hk2基因表達(dá)來促進(jìn)糖酵解。而mir-125a/ b和mir-143是hk2的反向調(diào)節(jié)者。2.4.2 mirna通過調(diào)控磷酸果糖激酶基因表達(dá)影響腫瘤細(xì)胞的糖代謝。人肺腺癌中肌型磷酸果糖激酶（pfkm）和糖酵解均上調(diào)，而

11、mir-320a可以下調(diào)pfkm表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，另一種mirna-mir-520s可以下調(diào)pfkp表達(dá)。這說明有多種mirna可以通過調(diào)節(jié)磷酸果糖激酶來調(diào)控腫瘤細(xì)胞的糖代謝。2.4.3 mirna通過調(diào)控丙酮酸激酶基因表達(dá)影響腫瘤細(xì)胞的糖代謝。研究發(fā)現(xiàn)， pkm2 mrna是mir-122的直接作用靶點，而mir-122通過調(diào)節(jié)pkm2的量來調(diào)控腫瘤細(xì)胞的糖代謝。3. sirna參與表觀遺傳調(diào)控3精品.sirna 能在哺乳動物細(xì)胞中介導(dǎo) dna 甲基化和組蛋白修飾，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄基因沉默（tgs）。目前研究表明：argonautes 蛋白家族 (ago1 及 ago2 )，dnmt 3a，組蛋白

12、去乙酰化酶（histone deacetylase-1, hdac-1）和/或 polycomb 蛋白家族 ( polycomb group, pcg )的 ezh2 ( enhancer of zeste homolog 2 ) 參與了sirna 誘導(dǎo)的 tgs。ago 在 tgs 中的作用早于靶標(biāo)啟動子的組蛋白甲基化，當(dāng)靶標(biāo)沉默態(tài)組蛋白修飾 ( h3k9 甲基化 ) 增加時，ago-1 明顯減少， 證明 ago1 及 rnapii 對 h3k9 的雙甲基化是必需的。tgs 的建立與維持需要多種不同的蛋白：通常 ago1、dnmt3a 及 hdac-1 對于起始的沉默是必需的，而 dnmt1

13、 對于維持沉默是必需的。4. pirna 參與表觀遺傳調(diào)控哺乳動物細(xì)胞 pirna 分為兩個亞簇：一是粗線期 pirna 簇：主要出現(xiàn)于減數(shù)分裂的粗線期，持續(xù)表達(dá)至單倍體精子細(xì)胞階段，一般很少有重復(fù)片段；二是粗線前期 pirna 簇：主要出現(xiàn)于減數(shù)分裂前的生殖細(xì)胞，雖然具有粗線期 pirna 簇的分子特征，但來源于一個完全不同的簇，具有重復(fù)片段。4.1 pirna 相關(guān)的 dna 甲基化3pirna 的生物合成假說有兩個，一是 pirna 由長單鏈分子產(chǎn)生；二是 pirna 可能為初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。哺乳動物細(xì)胞的基因簇并非初級 pirna 的主要來源，而是由轉(zhuǎn)座子 mrna 產(chǎn)生初級正義 pirn

14、a 參與擴(kuò)增循環(huán)。dna甲基酶家族（dnmt3a、dnmt3b及dnmt3l）在轉(zhuǎn)座子甲基化的形成中起主要作用。piwi/pirna復(fù)合體能介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子甲基化的形成，且piwi途徑位于dna甲基化調(diào)節(jié)因子的上游，pirna是生殖細(xì)胞內(nèi)dna甲基化的特異性決定子。4.2 pirna 參與染色體組裝5 pirna基因在調(diào)節(jié)染色質(zhì)組裝的過程中發(fā)揮了引導(dǎo)作用，即 pirna 基因可募集 piwi 蛋白，hp1a，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶su（var）3-9 等表觀調(diào)控因子到基因組的特異位點，并阻止rna聚合酶與基因組結(jié)合。5. lncrna的功能 lncrna有多種不同的來源，目前認(rèn)為可能是（1）編碼蛋白的基因

15、結(jié)構(gòu)中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncrna；（2）染色質(zhì)重組的結(jié)果，即兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一個獨立的基因并列而產(chǎn)生含多個外顯子的lncrna；（3）由非編碼基因復(fù)制過程中的反移位產(chǎn)生；（4）由局部的串聯(lián)復(fù)制子產(chǎn)生鄰近的非編碼rna；（5）基因中插入一個轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼rna精品.3。5.1 參與細(xì)胞調(diào)控。長非編碼rna在轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，因而影響著各種各樣的生物學(xué)過程，比如，劑量補償、基因印跡、細(xì)胞周期、發(fā)育、配子形成等過程。分子機制：圖：陳曉敏等，長非編碼rna研究進(jìn)展誘餌分子：長非編碼 rna 通過結(jié)合目標(biāo)蛋白或 mirna 從而稀釋了目標(biāo)分子在細(xì)胞內(nèi)的水平

16、，進(jìn)而影響其功能。導(dǎo)向作用：通過與目標(biāo)分子的結(jié)合，長非編碼 rna 能指引核糖核蛋白復(fù)合體定位至特異的目標(biāo)區(qū)域，作用方式可以是順式也可以是反式。反式作用：通過與 rna 聚合酶作用以輔助轉(zhuǎn)錄的方式或者作為一些小的調(diào)節(jié)rna 分子的互補配對靶分子；順式作用：通過與目標(biāo) dna 分子結(jié)合形成 rnadna 異源雙鏈核酸分子，或者 rnadnadna 異源三鏈核酸分子，或者rna識別特異染色質(zhì)的復(fù)合物表面特征，引導(dǎo)目標(biāo)基因附近的染色質(zhì)改變。分子支架：lncrna 的不同功能域可以結(jié)合不同的蛋白質(zhì)復(fù)合體，從而提供類似分子支架的功能，以引導(dǎo)相關(guān)的不同類型的大分子復(fù)合體在目標(biāo)區(qū)域組裝以協(xié)同發(fā)揮調(diào)控作用。精

17、品.lncrna 與 mirna 轉(zhuǎn)錄后相互作用方式：圖：陳曉敏等，長非編碼rna研究進(jìn)展(a) mirna 介導(dǎo)長非編碼 rna 降解； (b) lncrna 通過誘捕或 mirna 海綿作用拮抗mirna；(c) lncrna-mirna 競爭性結(jié)合 mrna；(d) lncrna 作為 mirna 前體。此外，長非編碼rna還在人體發(fā)育中起到重要的作用，包括：中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程調(diào)控、心臟發(fā)育、骨骼肌發(fā)育、皮膚、造血以及脂肪發(fā)育、細(xì)胞重編程等。長非編碼rna還在表觀遺傳方面起著調(diào)控作用2。lncrna的參與細(xì)胞調(diào)控的方式：通過與單一蛋白質(zhì)或蛋白復(fù)合體結(jié)合，同時識別dna/rna序列，從而

18、幫助蛋白復(fù)合體進(jìn)行特異性位點的調(diào)控；或是充當(dāng)分子支架，在蛋白復(fù)合體的形成過程中起到重要的作用；此外還有一種競爭性內(nèi)源rna(competing endogenous rnas, cerna)途徑，是指cerna可以通過競爭性地結(jié)合mirna來調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。lncrna參與細(xì)胞自噬的調(diào)控：在3bdo藥物的存在下，flj11812（位于基因tgfb2的3utr區(qū)的lncrna）介導(dǎo)mtor通路的激活，細(xì)胞自噬則受到抑制。激活的mtor增加了rna結(jié)合蛋白tia1的磷酸化水平，而tia1在flj11812的加工過程中起到了重要的作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，flj11812可以通過cerna的途徑與atg

19、13競爭性的結(jié)合mir-4459，從而達(dá)成其對自噬的調(diào)節(jié)作用。精品.此外，兩個lncrna被發(fā)現(xiàn)在癌癥中調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬：meg3在膀胱癌細(xì)胞中抑制自噬；過表達(dá)的hulc在胃癌細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)細(xì)胞自噬。15.2 參與調(diào)節(jié)表觀遺傳lncrna通過參與基因組印記( genomic imprinting) 和x染色體失活( x chromosome inactive)控制表觀性狀，參與的這兩個過程分別與h19和xist rna密切相關(guān)。近來有學(xué)者在人和鼠細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)h19 rna是 mir-675的前體，提示h19 rna 可能通過mirna發(fā)揮基因調(diào)控作用?；蚪M印記除了與h19基因簇有關(guān)，還有kc

20、nq1ot1、air及 nespas基因的參與。xist rna(17 kb長的非編碼rna)對于哺乳動物細(xì)胞內(nèi)x染色體失活非常重要，但xist并不輸送至胞漿，而是與即將被它失活的x染色體的某個rna結(jié)構(gòu)域或成分相連，在失活染色體表面形成“外套”并以順式方式介導(dǎo)基因沉默。近來研究表明x染色體失活和基因組印記可能共享一些基因簇，其基因沉默的機制不僅包括順式作用，還有反式作用。另有研究報道：x染色體失活尚存在另一機制，即xist和tsix 復(fù)性形成rna二聚體，經(jīng)dicer酶剪切成為小干擾rna， 其對于失活的x染色體上異染色質(zhì)的修飾是必需的。這兩個不同的途徑或許可以協(xié)調(diào) lncrna和小rna在

21、染色質(zhì)重塑方面的作用，同時提示rna調(diào)控存在著一個更為復(fù)雜的、交互的網(wǎng)絡(luò)3。此外，lncrna在組蛋白修飾中發(fā)揮作用。lncrna可以通過自身形成的莖環(huán)結(jié)構(gòu)與核心蛋白抑制復(fù)合體prc2結(jié)合，后者促進(jìn)組蛋白h3第27位賴氨酸殘基甲基化。lncrna不僅能引發(fā)組蛋白修飾，也能調(diào)節(jié)組蛋白的去修飾，位于hoxc位點的lncrna-hotair如同分子支架，其5 末端區(qū)域與 prc2 結(jié)合，3 末端區(qū)域與組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1（lsd1）結(jié)合，將兩個功能截然不同的組蛋白修飾物鏈接到特殊的作用位點，以調(diào)節(jié)組蛋白的修飾過程。部分lncrna參與基因分子的選擇性剪接，特里帕蒂等發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)的lncrna

22、-malat1能影響絲氨酸，精氨酸富含性剪接因子在細(xì)胞核的分布而調(diào)節(jié)基因的選擇性剪接。精品.lncrna在翻譯后水平也有調(diào)節(jié)作用。它可以折疊成高級結(jié)構(gòu)與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合形成核酸- 蛋白質(zhì)復(fù)合物，paraspeckle 是哺乳動物細(xì)胞核中分散的核質(zhì)蛋白體，lncrna-men/是paraspeckle的組成成分，lncrna-men /和相關(guān)paraspeckle蛋白質(zhì)結(jié)合后能改變paraspeckle在細(xì)胞核內(nèi)的定位，從而在細(xì)胞核組裝和解聚過程中起重要作用5。5.3 參與癌癥的調(diào)控值得注意的是，長非編碼rna與癌癥等有著密切的關(guān)系，對癌癥的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移產(chǎn)生重要的影響。有一些長非編碼rna，

23、比如pca3、pcgem1、pcat1 等，是高度在前列腺癌中特異表達(dá)的非編碼rna，可以作為有效的生物標(biāo)記物。有多種長非編碼rna 在原發(fā)性肝癌中表達(dá)水平發(fā)生了顯著變化，并具有重要作用2。圖：陳曉敏等，長非編碼rna研究進(jìn)展其中，hotair在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性乳腺癌中高表達(dá)，且與腫瘤轉(zhuǎn)移和低生存率相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)hotair的5 端可結(jié)合prc2，而其3 端可結(jié)合lsd1。hotair的雙向功能可能有利于對組蛋白進(jìn)行修飾，從而促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移4。ink4b-arfink4a的表達(dá)產(chǎn)物參與構(gòu)成腫瘤抑制網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控細(xì)胞重要生物學(xué)過程，如細(xì)胞凋亡、干細(xì)胞再生等。anril的異常表達(dá)和單核苷酸變異可引起腫瘤

24、。此外，lncrna和mirna可協(xié)同介導(dǎo)抑癌基因失調(diào)4。5.4 參與糖代謝的調(diào)節(jié)6精品.5.4.1 lncrna通過調(diào)控癌基因表達(dá)影響腫瘤細(xì)胞的糖代謝。癌基因c-myc的是myc蛋白家族的重要成員之一，在細(xì)胞周期，血管生成，細(xì)胞代謝和細(xì)胞凋亡中發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，c-myc可以直接調(diào)控參與糖代謝的基因，而前列腺癌特異性lncrna-前列腺癌基因表達(dá)標(biāo)志1（pcgem1）通過激活c-myc促進(jìn)前列腺癌細(xì)胞有氧糖酵解的糖攝取。5.4.2 lncrna受胰島素/胰島素樣生長因子調(diào)控而影響腫瘤細(xì)胞的糖代謝。糖代謝與胰島素信號通路密切相關(guān)，所以調(diào)控該通路的lncrna也可間接調(diào)控糖代謝，而胰島素信號通路也可反過來調(diào)控lncrna。lncrna大腸癌差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄本（crnde）受胰島素/胰島素樣生長因子（igf）調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，人大腸癌ht29細(xì)胞的crnde表達(dá)受胰島