非編碼RNA與表達調控作用

9豚碼RNA與表達調控作用張雅慧;劉昕;鐘建銘;周興濤【摘要】真核生物轉錄產生了大量的非編碼RNA(ncRNA),種類繁多、表達及調節(jié)模式復雜多樣，且對細胞的生長是必須的，并非是轉錄的”垃圾".根據(jù)功能ncRNA可以大致分成”持家RNA"與”調控RNA".ncRNA在遺傳信息的載體(DNA和染色質)與表達產物(蛋白質)的相關生物過程中都有著極其重要的作用.【期刊名稱】《江西科學》【年(卷)，期】2010(028)002【總頁數(shù)】4頁(P199-202)【關鍵詞】非編碼RNA(ncRNA);反式RNA;長非編碼RNA;調控【作者】張雅慧;劉昕;鐘建銘;周興濤【作者單位】南昌大學生命科學學院基因表達調控實驗室，江西，南昌,330031浦昌大學生命科學學院基因表達調控實驗室，江西，南昌,330031;南昌大學生命科學學院基因表達調控實驗室，江西，南昌,330031;南昌大學生命科學學院基因表達調控實驗室,江西,南昌,330031【正文語種】中文【中圖分類】Q786多年來，研究人員對人類基因組的關注主要集中在編碼蛋白質的基因和蛋白質本身。隨著人類基因組計劃的完成和哺乳類轉錄組數(shù)據(jù)的不斷積累，揭示出人類和其他高等真核生物的遺傳物質只有極小一部分編碼蛋白質[1],而超過97%的轉錄產物是功能多樣的RNA分子，即非編碼RNA(non-codingRNA,ncRNA)［2］,是指不編碼蛋白質的RNA。近年來，隨著新ncRNA分子的相繼涌現(xiàn),特別是siRNA和miRNA的發(fā)現(xiàn)，使得研究人員洞察到了ncRNA作為細胞活動的調控因子的巨大潛力［3］,大大擴展了人們對基因轉錄調控復雜性的認識，回答了人們對基因組中非編碼序列存在意義的部分困惑。對ncRNA的研究將日益成為功能基因組研究的熱點。ncRNA的共同特點是都能從基因組上轉錄而來，但是不翻譯成蛋白，在RNA水平上就能行使各自的生物學功能。ncRNA中研究得較深入的2種：反義RNA(antisenseRNA)和長非編碼RNA(longnon-codingRNA,lncRNA),本文將對這兩類ncRNA做一綜述。真核生物基因表達調控與原核生物有很大的差異。真核生物基因的結構主要包括編碼區(qū)、非編碼區(qū)和一些調控元件。ncRNA可以通過DNA水平、轉錄前水平、轉錄水平、轉錄后水平、翻譯和翻譯后水平等途徑來調控基因的表達。反義RNA是指與mRNA互補的RNA分子,也包括與其它RNA互補的RNA分子。細胞中反義RNA的來源有2種途徑：第1種是反向轉錄的產物，在多數(shù)情況下，反義RNA是特定靶基因互補鏈反向轉錄產物，即產生mRNA和反義RNA的DNA是同一區(qū)段的互補鏈。第2種來源是不同基因產物加OMPF基因［4］是大腸桿菌的膜蛋白基因，與透性有關，其反義基因MICFZE則為另一基因。反義RNA最早是在E.coli的產腸桿菌素的ColEl質粒［5］中發(fā)現(xiàn)的，此后在原核生物、真核生物中發(fā)現(xiàn)了一系列的反義RNA。反義RNA可以與正義RNA形成dsRNA來調節(jié)正義基因的表達。這種調節(jié)作用,從目前的研究來看,大多是負調控，但正調控作用也是很有可能存在的［6］。通過反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達調控的一種方式。在原核生物中反義RNA具有多種功能,例如調控質粒的復制及其接合轉移,抑制某些轉位因子的轉位，對某些噬菌體溶菌-溶源狀態(tài)的控制等。近幾年來通過人工合成反義RNA的基因，并將其導入細胞內轉錄成反義RNA,即能抑制某特定基因的表達，阻斷該基因的功能，有助于了解該基因對細胞生長和分化的作用。反義RNA是如何調控基因表達的呢?因為基因的表達調控會受到各種環(huán)境因素的影響而且重要的是它還會受各種順式作用元件和反式作用因子的調控，為此科學家們建立了相應的調控模型進行研究。在細菌中，反義RNA作為主要的調控元件來控制質粒的數(shù)量及復制頻率，如在ColE1[7]質粒中,ColE1質粒的復制由RNAII啟始,RNAII會與質粒的DNA鏈結合在RNAH酶的作用下,DNA鏈斷裂，復制開始。反義RNAI與RNAII在5’端有70%的互補序列，兩者結合后，阻礙了RNAII與質粒DNA的結合，進而抑制了質粒的復制。膠原蛋白a1[8]是皮膚、骨骼的重要組成部分，在雞的軟骨細胞中，正常情況下，正義的膠原蛋白almRNA的量很少而反義RNA的量很多,但當有BrdU誘導時，正義的膠原蛋白almRNA的量增加,而反義RNA的量減少,說明在不同的環(huán)境下，膠原蛋白al正義RNA和反義RNA序列的啟動子強弱不同,進而調節(jié)細胞的生長，反義RNA可能會抑制正義RNA的轉錄，使得轉錄提前終止或抑制轉錄的延伸。翻譯起始因子eIF-2a[9]中也有類似的情況。各種基因轉錄產物RNA,必須經過轉錄后的加工才能成為有活性的分子。反義RNA的作用方式與衰減子的作用方式相似，以反式作用對轉錄過程本身進行調控。研究得較深入的反義RNA調控基因轉錄后水平的例子是c-erbAa[10]編碼的3個相關蛋白，在c-erbAa的正義鏈上由于可變剪切可以得到U2種c-erbAamRNA:cerbAa1和c-erbAa2。在正常組織中表達或誘導反義rev-erbAamRNA（其3’端與c-erbAa2的最后一個外顯子互補）會降低c-erbAa2mRNA的量,而增加c-erbAa1mRNA的量。但c-erbApremRNA的轉錄效率及穩(wěn)定性都沒有改變，說明rev-erbAamRNA的表達可能影響了c-erbApremRNA的加工成熟。bFGF［11］是細胞中胚層形成過程中非常重要的分裂素,其反義RNAgfg與其第3個外顯子完全互補，在細胞中正義和反義的RNA都組成型表達，但在受精時，反義RNA的量不變,而正義bFGFRNA降解，通過實驗發(fā)現(xiàn),在正義和反義RNA互補區(qū)腺苷轉換成肌苷，增強了核酶對其雙鏈RNA的作用，使RNA降解。反義RNA在翻譯水平的調控主要表現(xiàn)在3個方面：(1)直接作用于其靶mRNA的SD序列或編碼區(qū)，直接抑制翻譯或與靶mRNA結合后導致該雙鏈RNA分子對RNA酶B的敏感性增加，使其降解;(2)與mRNA的SD序列上游非編碼區(qū)結合，引起mRNA構象變化,抑制翻譯。推測可能是由于反義RNA與靶mRNA的上游序列結合后引起核糖體結合位點區(qū)域的二級結構發(fā)生改變，阻止了核糖體的結合；(3)與mRNA5’端編碼區(qū),主要是與起始密碼子結合抑制翻譯起始。Lin-14蛋白［12］是—個控制線蟲早期生長的蛋白，在線蟲生長過程中歸n-14mRNA的量保持不變Lin-14蛋白的量卻顯著減少，說明在翻譯水平上有某種調控機制在Lin-14mRNA的3’UTR存在另一基因，它和Lin-14mRNA的3’UTR中七個保守的互補元件LCE互補，反義RNA通過與正義Lin-14mRNA的3’UTR形成雙鏈進而阻礙翻譯的進行。科學家們已在人類、果蠅、小鼠、大豆、玉米［13,14］中發(fā)現(xiàn)了反義RNA,多年來，人們以為反義RNA只是細胞產生的垃圾RNA,隨著人們研究的深入，表明反義RNA在調節(jié)正義基因的表達中有重要的作用。許多ncRNAs非常長，大概50至幾百個kb,在大多數(shù)情況下,ncRNAs的啟動子位于各種甲基化印跡控制區(qū)域內，此區(qū)域位于蛋白質編碼基因的序列內［15］。雖然許多長非編碼RNA被檢測到但只有Air［16］和Kcnq1ot1［17］這兩者的功能研究得比較透徹,Air的啟動子位于lgf2r基因的第2個內含子中,其轉錄產物與lgf2r方向相反,長約108kb。有報道顯示它能影響跨度有400kb區(qū)域的重疊基因的表達。Kcnq1ot1的啟動子位于Kcnq1基因的第10個內含子中,其轉錄產物與Kcnq1方向相反，其長約91kb。Kcnqlotl的啟動子在母本染色體上被甲基化而在父本染色體上非甲基化，在父本中Kcnq1ot1RNA產物與8~10個蛋白質編碼基因的沉默相關聯(lián)。與Xist-介導的XCI一樣,Kcnq1ot1產物與異染色體組蛋白修飾(H3K9me3和H3K27me3)的富集相關聯(lián)。有數(shù)據(jù)顯示長的ncRNAs能起到指導和連接的作用。首先，長的ncRNAs能一直連接在轉錄的位點上并特異的調節(jié)等位基因的表達，而蛋白質和小的RNAs卻不能。其次，長ncRNAs能對跨度很長的大片段進行調控作用并能對細胞的發(fā)育進行精確的時空調控，蛋白質仍然沒有這種能力。這些功能暗示了長的ncRNAs比小的RNAs和蛋白質能更好的作為表觀遺傳的調節(jié)因子，尤其是對同座及等位基因特異性的控制。在后基因組時代，人們越來越關注于細胞為什么會消耗如此多的能量產生大量的ncRNA。這些ncRNAs僅僅是基因組活動產生的無用的二級產物嗎?還是它們編碼了有用的信息并對表觀基因組具有重要的作用?值得深入研究。ncRNA在真核生物基因組中使基因之間能直接的相互作用并行使多重功能，是細胞內一種內源的控制因子。通過一系列復雜的遺傳表型分析發(fā)現(xiàn)這些RNA參與了共抑制,轉基因的沉默,RNA干擾，印跡作用和甲基化作用。在高等真核生物中存在基于RNA信號控制的更高級有序的調節(jié)系統(tǒng)，它們參與調節(jié)RNA-DNA、RNA-RNA、RNA-蛋白質之間的相互作用以及染色體重塑。自然界中存在著眾多的ncRNA,如何鑒定所有的ncRNA及其功能是一大挑戰(zhàn)，因為許多已解釋或未能解釋的現(xiàn)象中都可能潛伏著ncRNA的作用。因此，在生物學研究中，應該將ncRNA納入考慮的范圍。"noise”.Broadlyspeaking,accordingtotheirfunctions,noncodingRNAscanbedividedintotwoclasses:“housekeepingRNAs"and"regulatorynoncodingRNAs”.ThencRNAsareinvolvedintheregulationofexpressionfrommediatingchromatinmodificationstotranslation.【相關文獻】ShabalinaSA,SpiridonovNA.Themammaliantranscriptomeandthefunctionofnon2codingDNAsequences[J].GenomeBiol,2004,5:105.SevignaniC,CalinGA,SiracusaLD,etal.MammalianmicroRNAs:asmallworldforfine2tuninggeneexpression[J].MammGenome,2006,17:189-202.MattickJS,LoweTM,Eddy,etal.Challengingthedogma:thehiddenlayerofnonprotein-codingRNAsincomplexorganism[J].Bioessays,2003,25(10):930-938.BegicS,WorobecEA.RegulationofSerratiamarcescensompFandompCporingenesinresponsetoosmoticstress,salicylate,temperatureandpH[J].Microbiology1,2006,52:485-91.LacatenaRM,CesareniG.BasepairingofRNA1withitscomplementarysequenceintheprimerprecurso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