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文檔簡(jiǎn)介
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(duì)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(duì)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(s
2、mall 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(gè)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(dòng)植物中參與
3、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(qiáng)的正義鏈和反義鏈專一性,其5 端第一個(gè)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(huì)形成很多小片段,siRNA是siRISC的主要成員,激發(fā)與之互補(bǔ)的目標(biāo)mRNA的沉默。lncRNA:長鏈非編碼R
4、NA(Long non-coding RNA),lncRNA是長度大于 200 個(gè)核苷酸的非編碼 RNA。研究表明, lncRNA 在劑量補(bǔ)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(dòng)中發(fā)揮重要作用,成為遺傳學(xué)研究熱點(diǎn)。miRNA和siRNA的區(qū)別主要有兩點(diǎn):(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(diǎn)。(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(bǔ)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1.3 si
5、RNA、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Argonaute 蛋白
6、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(jí)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(jí)反義piRNA中MIWI2 比MILI 更為豐富,次級(jí)反義piRNA可能直接裂解轉(zhuǎn)座子mRNA。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(dòng)(induction)、囊泡成核(vesicle nucleation)、囊泡延伸(vesicle elongation)、自噬
7、回收(Retrieval)與囊泡融合(fusion)等幾個(gè)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(diǎn)目前發(fā)現(xiàn)有:對(duì)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(duì)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(diǎn)有:SMAD4,F(xiàn)OXO3,ATM,RUNX3,p53;EZH2,PI3K/AKT通路,hnRNP A1,EGFR等。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可通過調(diào)控組蛋白修飾
8、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(jī)制42.3.1 對(duì)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(gè)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-17-92群簇對(duì)細(xì)胞
9、周期和增殖的作用部分是通過對(duì)E2F轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)節(jié)實(shí)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(gè)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(duì)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(jī)制。2.3.2對(duì)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)下調(diào),其作用的靶基因可能是
10、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miR-320a可以下調(diào)P
11、FKM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(diǎn),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3siRNA 能在哺乳動(dòng)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,組蛋白去乙?;福℉istone de
12、acetylase-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(dòng)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(shí),AGO-1 明顯減少, 證明 AGO1 及 RNAPII 對(duì) 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(duì)于起始的沉默是必需的,而 DNMT1 對(duì)于維持沉默是必需的。4. p
13、iRNA 參與表觀遺傳調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞 piRNA 分為兩個(gè)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(gè)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(gè),一是 piRNA 由長單鏈分子產(chǎn)生;二是 piRNA 可能為初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。哺乳動(dòng)物細(xì)胞的基因簇并非初級(jí) piRNA 的主要來源,而是由轉(zhuǎn)座子 mRNA 產(chǎn)生初級(jí)正義 piRNA 參與擴(kuò)增循環(huán)。DNA甲基酶家
14、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(diǎn),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)編碼蛋白的基因結(jié)構(gòu)中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA;(
15、2)染色質(zhì)重組的結(jié)果,即兩個(gè)未轉(zhuǎn)錄的基因與另一個(gè)獨(dú)立的基因并列而產(chǎn)生含多個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼RNA3。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(bǔ)償、基因印跡、細(xì)胞周期、發(fā)育、配子形成等過程。分子機(jī)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,進(jìn)而影響其功能。導(dǎo)向作用:通過與目標(biāo)
16、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(bǔ)配對(duì)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(shí)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。lncRNA 與 miRNA 轉(zhuǎn)錄后相互
17、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(jìng)爭(zhēng)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(shí)識(shí)別DNA/RNA序列,從而幫助蛋白復(fù)合體進(jìn)行特異性位點(diǎn)的調(diào)控;或是充當(dāng)
18、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(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(competing endogenous RNAs, ceRNA)途徑,是指ceRNA可以通過競(jìng)爭(zhēng)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,F(xiàn)LJ11812(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),F(xiàn)LJ11812可以通過ceRNA的途徑與ATG13競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合miR-4459,從而達(dá)成其
19、對(duì)自噬的調(diào)節(jié)作用。此外,兩個(gè)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(gè)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。基因組印記除了與H19基因簇有關(guān),還有Kcnq1ot1、Air及 Nespas基因的參與。X
20、ist RNA(17 kb長的非編碼RNA)對(duì)于哺乳動(dòng)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(gè)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(jī)制不僅包括順式作用,還有反式作用。另有研究報(bào)道:X染色體失活尚存在另一機(jī)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(duì)于失活的X染色體上異染色質(zhì)的修飾是必需的。這兩個(gè)不同的途徑或許可以協(xié)調(diào) lncRNA和小RNA在染色質(zhì)重塑方面的作用,同時(shí)提示RNA調(diào)控存在著一個(gè)
21、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(diǎn)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(gè)功能截然不同的組蛋白修飾物鏈接到特殊的作用位點(diǎn),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-MALAT1能影響絲氨酸,精氨酸富含性剪接因子在
22、細(xì)胞核的分布而調(diào)節(jié)基因的選擇性剪接。lncRNA在翻譯后水平也有調(diào)節(jié)作用。它可以折疊成高級(jí)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(dòng)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(duì)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,比如PCA3、PCGEM1、PCAT1 等,是高度在前列
23、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(duì)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。此外,lncRNA和miRNA可協(xié)同介導(dǎo)抑癌基因失調(diào)4
24、。5.4 參與糖代謝的調(diào)節(jié)65.4.1 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(hào)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(hào)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)
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