調(diào)控作用rna分子在基因表達(dá)中的作用

調(diào)控作用rna分子在基因表達(dá)中的作用

根據(jù)整個(gè)組的研究順序，人類重組中約93%的dna序列被轉(zhuǎn)換成rn，但只有約2%的dna序列被最終編碼以產(chǎn)生蛋白質(zhì)。人類血漿的含量是線蟲的30倍，但蛋白質(zhì)的含量是線蟲的10倍。這表明非組織的非組織序列對(duì)于產(chǎn)生和調(diào)節(jié)高等真核生物基因的表達(dá)和調(diào)節(jié)非常重要。高等生物體內(nèi)具有調(diào)控作用的非編碼RNA(non-codingRNA,ncRNA)分子種類繁多,主要包括長(zhǎng)度大于200個(gè)核苷酸的長(zhǎng)鏈非編碼RNA(longnon-codingRNA,lncRNA)和少于200個(gè)核苷酸的短鏈非編碼RNA;后者又分為微小RNA(mircoRNA,miRNA)、內(nèi)源性小干擾RNA(endogenoussmallinterferingRNA,endo-siRNA)、PIWI相互作用RNA(PIWI-interactingRNApiRNA)、核仁小分子RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA)等。這些非編碼RNA分子多水平、多途徑地調(diào)節(jié)基因表達(dá),從而影響細(xì)胞、組織乃至個(gè)體的諸多生物學(xué)行為。本文綜述幾種典型的非編碼RNA分子參與基因表達(dá)的調(diào)控作用及其機(jī)制。1遺傳信息被修飾或調(diào)控真核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄前水平調(diào)節(jié)是指DNA序列被轉(zhuǎn)錄生成mRNA之前基因組攜帶的遺傳信息被修飾或調(diào)控的過(guò)程,是基因表達(dá)調(diào)控過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié),主要包括染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化、組蛋白修飾、DNA甲基化及基因丟失、擴(kuò)增和重排等。具有調(diào)控作用的非編碼RNA通常與DNA、異染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾酶以及轉(zhuǎn)錄因子等結(jié)合而參與基因轉(zhuǎn)錄前水平調(diào)節(jié)。1.1nt單鏈小rna的結(jié)構(gòu)真核生物染色質(zhì)根據(jù)形態(tài)可分為異染色質(zhì)和常染色質(zhì),前者轉(zhuǎn)錄活性極低,后者轉(zhuǎn)錄活性相對(duì)較高。相關(guān)研究表明,非編碼RNA參與調(diào)控染色質(zhì)組裝,從而影響基因的表達(dá),如2006年在哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一類能特異性地與PIWI蛋白質(zhì)相互作用的小分子非編碼RNA,被命名為PIWI相互作用RNA,簡(jiǎn)稱為piRNA。piRNA是一類長(zhǎng)度為24~32nt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降解。piRNA主要與PIWI亞家族成員Piwi或AGO3(argonauteRISCcatalyticcomponent3)蛋白質(zhì)結(jié)合而發(fā)揮作用。在細(xì)胞核內(nèi),Piwi與異染色質(zhì)蛋白HP1a(heterochromatinprotein1a)結(jié)合,當(dāng)piRNA與Piwi結(jié)合后,HP1a則從與Piwi結(jié)合的蛋白質(zhì)復(fù)合體中游離出來(lái),從而調(diào)節(jié)異染色質(zhì)的組裝。piRNA在調(diào)節(jié)染色質(zhì)組裝的過(guò)程中還發(fā)揮了引導(dǎo)作用,即piRNA可募集Piwi、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Ⅱ與基因組結(jié)合。異染色質(zhì)特異性區(qū)域的形成也需要非編碼RNA協(xié)助,Keller等研究表明,HP1異染色質(zhì)蛋白Swi6通常與甲基化修飾的組蛋白H3K9結(jié)合,部分非編碼RNA不僅可以阻止H3K9的甲基化修飾,還競(jìng)爭(zhēng)性地與Swi6結(jié)合,從而屏蔽Swi6的作用,避免異染色質(zhì)區(qū)域非特異性延伸。1.2mirna分子組蛋白修飾是指組蛋白的氨基酸殘基被乙?；⒓谆?、磷酸化等修飾的過(guò)程,這些修飾能夠改變?nèi)旧|(zhì)的“松緊”程度,因此組蛋白修飾是調(diào)控基因表達(dá)的一種重要方式,其中miRNA可參與調(diào)節(jié)組蛋白修飾而調(diào)控基因表達(dá)。miRNA指真核生物中一類大小為19~25nt并具有調(diào)控功能的非編碼RNA,miRNA參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生命活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié),特定的miRNA缺少、過(guò)表達(dá)或者變異都可能導(dǎo)致細(xì)胞功能的異常。miRNA的編碼序列通常以單拷貝、多拷貝或基因簇的形式存在于基因間隔區(qū),某些miRNA的編碼序列則存在于基因的外顯子或內(nèi)含子區(qū)域;miRNA由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄生成,成熟體miRNA與AGO1結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體(RNA-inducedsilencingcomplexRISC)而發(fā)揮各種調(diào)節(jié)作用。細(xì)胞質(zhì)中的成熟miRNA分子可通過(guò)一個(gè)特異的六核苷酸序列(AGUGUU)作為核定位信號(hào)重返細(xì)胞核而調(diào)節(jié)其他miRNA分子的轉(zhuǎn)錄和組蛋白修飾。Younger等用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)揭示miR-423-5p模擬體能抑制RNA聚合酶Ⅱ與靶DNA結(jié)合,并促進(jìn)靶基因啟動(dòng)子處組蛋白H3第9位賴氨酸殘基甲基化,表明miRNA可識(shí)別基因的啟動(dòng)子,并引發(fā)組蛋白修飾而調(diào)控靶基因表達(dá)。調(diào)節(jié)組蛋白修飾的RNA分子還包括lncRNA,lncRNA是長(zhǎng)度從200nt到數(shù)百kb的非編碼RNA分子。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有4~9%的基因組序列在RNA聚合酶Ⅱ的作用下轉(zhuǎn)錄生成lncRNA,部分lncRNA具有類似mRNA的5′帽和3′尾結(jié)構(gòu),但缺乏功能性開(kāi)放閱讀框架。lncRNA可以通過(guò)自身形成的莖環(huán)結(jié)構(gòu)與核心蛋白抑制復(fù)合體PRC2(polycombrepressivecomplex2)結(jié)合,后者促進(jìn)組蛋白H3第27位賴氨酸殘基甲基化,lncRNA-Xist即通過(guò)類似機(jī)制在X染色體沉默過(guò)程中發(fā)揮作用。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(lysine-specificdemethylase1,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(guò)程。1.3非編碼rnaDNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA-methyltransferase,DNMT)的作用下,選擇性地在CpG二核苷酸中的胞嘧啶上添加甲基,從而轉(zhuǎn)變成5-甲基胞嘧啶的反應(yīng)過(guò)程。DNA甲基化與基因沉默有關(guān),是基因表達(dá)調(diào)控的重要環(huán)節(jié),非編碼RNA如miRNA和snoRNA的CpG島甲基化異常都可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。參與調(diào)控DNA甲基化的非編碼RNA種類較多,其中啟動(dòng)子RNA(promoterRNA,pRNA)主要通過(guò)調(diào)節(jié)DNA甲基化而發(fā)揮作用,pRNA是由RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄生成的長(zhǎng)度為150~250nt并與rRNA基因啟動(dòng)子互補(bǔ)的非編碼RNA。pRNA可以與rDNA雜交形成DNA-RNA三聚體結(jié)構(gòu),這個(gè)三聚體結(jié)構(gòu)不僅阻止轉(zhuǎn)錄因子(TF-1)與rDNA結(jié)合,還能被DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3B特異識(shí)別,從而使rDNA甲基化。非編碼RNA與DNA形成的這種雜化結(jié)構(gòu)不僅與DNA甲基化有關(guān),也與染色質(zhì)的形成有關(guān),所以DNA-RNA三聚體結(jié)構(gòu)的形成可能是調(diào)控基因表達(dá)的一種普遍機(jī)制。除pRNA外,endo-siRNA在轉(zhuǎn)錄前水平也發(fā)揮重要的調(diào)控作用,endo-siRNA是真核細(xì)胞內(nèi)源性雙鏈RNA,前體經(jīng)內(nèi)切酶Dicer2剪切而生成的長(zhǎng)度為21~23nt的一類小RNA分子。endo-siRNA的5′端和3′端分別被單磷酸和2′-O-甲基化修飾。成熟的單鏈endo-siRNA分子主要與AGO2蛋白質(zhì)結(jié)合而發(fā)揮作用,其中dsRNA主要來(lái)源于mRNA、同源假基因和轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物之間形成的雜化雙鏈。endo-siRNA可以通過(guò)誘導(dǎo)DNA甲基化而抑制逆轉(zhuǎn)座子的活性,正常細(xì)胞中LINE-1逆轉(zhuǎn)座子的活性被抑制,而腫瘤細(xì)胞中LINE-1逆轉(zhuǎn)座子表達(dá)異常,并且相應(yīng)的endo-siRNA表達(dá)量減少;提高腫瘤細(xì)胞中這些endo-siRNA的表達(dá)水平可顯著抑制LINE-1的活性,其機(jī)理即endo-siRNA誘導(dǎo)LINE-1的5′-UTR啟動(dòng)子DNA甲基化而沉默LINE-1的活性。在個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,基因印記通常是lncRNA調(diào)控DNA甲基化沉默的結(jié)果。Mohammad等研究表明,lncRNA-Kcnq1ot1對(duì)維持Kcnq1基因區(qū)內(nèi)印記基因的沉默起重要作用,其能調(diào)節(jié)印記基因兩側(cè)區(qū)域CpG島甲基化,也能識(shí)別Kcnq1基因區(qū)域中具有轉(zhuǎn)錄活性的非印記基因的組蛋白H3K4me1和H3K27ac修飾,從而避免lncRNA-Kcnq1ot1對(duì)Kcnq1活性區(qū)域的影響。2lncrna-evf2轉(zhuǎn)錄激活因子在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中,部分lncRNA具有類似增強(qiáng)子的作用,即激活鄰近基因的表達(dá),?rom等用siRNA技術(shù)靶除幾個(gè)距目標(biāo)基因1kb以上的lncRNA后使這些目標(biāo)基因的表達(dá)下調(diào),說(shuō)明lncRNA能夠增強(qiáng)鄰近基因的表達(dá)。也有研究表明,lncRNA可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶的活性,lncRNA-Evf2是由Dlx-5/6基因遠(yuǎn)端保守的增強(qiáng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄生成,在Dlx-5/6轉(zhuǎn)錄過(guò)程中l(wèi)ncRNA-Evf2與轉(zhuǎn)錄因子Dlx2結(jié)合形成復(fù)合物而特異性地與Dlx-5/6增強(qiáng)子結(jié)合,增強(qiáng)基因的表達(dá);若lncRNA-Evf2發(fā)生突變,轉(zhuǎn)錄因子Dlx則不能識(shí)別Dlx-5/6基因的DNA調(diào)節(jié)元件,導(dǎo)致Dlx5和Dlx6表達(dá)下調(diào)。因此認(rèn)為lncRNA-Evf2可作為轉(zhuǎn)錄激活因子而調(diào)控基因表達(dá)。細(xì)胞內(nèi)部分具有激活作用的lncRNA與一種被稱作Mediator的蛋白復(fù)合物結(jié)合,后者能識(shí)別并結(jié)合靶基因,從而在lncRNA位點(diǎn)和靶基因位點(diǎn)之間形成一個(gè)DNA環(huán),將Mediator蛋白復(fù)合物、遠(yuǎn)端的增強(qiáng)子作用元件以及靶基因的起始位點(diǎn)聚集在一起,從而上調(diào)基因的轉(zhuǎn)錄水平。3轉(zhuǎn)座子的基因表達(dá)真核生物中由DNA轉(zhuǎn)錄生成的初級(jí)RNA需經(jīng)加工后才能翻譯蛋白質(zhì),其中mRNA前體的剪接是轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控的重要事件之一,參與mRNA前體剪接的非編碼RNA有多種,如天然反義轉(zhuǎn)錄本(naturalantisensetranscript,NAT),天然反義轉(zhuǎn)錄本是指體內(nèi)產(chǎn)生的與有功能的正義RNA鏈全部或部分互補(bǔ)的RNA產(chǎn)物,50~70%的編碼基因都有與之匹配的天然反義轉(zhuǎn)錄本,這些RNA分子并不編碼蛋白質(zhì),但對(duì)各自正義鏈的表達(dá)有重要的調(diào)節(jié)作用。在上皮細(xì)胞向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)型過(guò)程中,一個(gè)重要的事件就是E鈣粘蛋白表達(dá)下調(diào),ZEB2(zincfingerE-boxbindinghomeobox2)基因產(chǎn)物是E鈣粘蛋白的抑制因子,在ZEB2基因5′-UTR區(qū)域的一個(gè)內(nèi)含子中含有一個(gè)ZEB2基因表達(dá)所必需的內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)(internalribosomeentrysite,IRES),上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)型后則表達(dá)一種覆蓋ZEB2基因5′-UTR的天然反義轉(zhuǎn)錄本,這個(gè)天然反義轉(zhuǎn)錄本阻礙剪接體與ZEB2的5′端剪接位點(diǎn)結(jié)合,從而保留了含有IRES的內(nèi)含子,使ZEB2基因得以表達(dá),最終抑制E鈣粘蛋白的生成。部分lncRNA也參與mRNA分子的選擇性剪接,Tripathi等在近期研究中發(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細(xì)胞核的分布而調(diào)節(jié)mRNA的選擇性剪接。轉(zhuǎn)座子是一類可移動(dòng)的DNA序列,轉(zhuǎn)座子的活性在轉(zhuǎn)錄后水平受到了細(xì)胞中piRNA和endo-siRNA的調(diào)控,前者主要是在生殖細(xì)胞中維持基因組的穩(wěn)定性和完整性,后者主要是在體細(xì)胞中抑制轉(zhuǎn)座子的活性。piRNA的編碼基因大多數(shù)位于轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列內(nèi),在果蠅基因組中,部分mRNA分子的3′-UTR區(qū)域含有piRNA序列。piRNA的突變會(huì)引起大量轉(zhuǎn)座子過(guò)表達(dá),piRNA-PIWI復(fù)合物通過(guò)多種途徑控制轉(zhuǎn)座子的活性:其一,piRNA與Piwi蛋白結(jié)合,后者存在于細(xì)胞核中并與異染色質(zhì)的形成有關(guān);其二,piRNA-Aub復(fù)合體能夠識(shí)別同源性靶序列,并將其切割從而破壞轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄本;其三,piRNA-Aub復(fù)合體能結(jié)合轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄本而抑制其翻譯。4反義轉(zhuǎn)錄本在mrna框架中的作用mRNA的穩(wěn)定性是真核生物中翻譯調(diào)控的主要事件,miRNA通常和靶基因mRNA的3′UTR完全或者不完全配對(duì)結(jié)合以降解mRNA,miRNA先是阻止mRNA的翻譯,而后才引起mRNA的降解。大多數(shù)mRNA含有多個(gè)miRNA識(shí)別元件(microRNArecognitionelement,MRE),miRNA識(shí)別元件是miRNA與靶mRNA完全或不完全互補(bǔ)的結(jié)合位點(diǎn),每個(gè)miRNA能與多種mRNA結(jié)合,估計(jì)人類有超過(guò)30%的編碼基因的翻譯受miRNA的抑制,但也有研究指出,在處于某些周期的細(xì)胞中miRNA能夠促進(jìn)mRNA的翻譯。在RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中存在一類具有調(diào)節(jié)miRNA作用的RNA分子,這類RNA分子被稱為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(competitiveendogenousRNA,ceRNA),ceRNA是指含有miRNA識(shí)別元件并能夠屏蔽miRNA對(duì)靶mRNA的抑制或者降解作用并迅速上調(diào)靶mRNA表達(dá)的RNA分子。其中miRNA識(shí)別元件處于ceRNA的調(diào)節(jié)作用的中心環(huán)節(jié),是ceRNA調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的“交流語(yǔ)言”,含有miRNA識(shí)別元件結(jié)構(gòu)的RNA分子都能行使ceRNA的調(diào)節(jié)功能,這類RNA分子主要包括mRNA、假基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和lncRNA等。近期發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中還存在一類與ceRNA功能相似的環(huán)狀RNA(circularRNA,circRNA),它類似于“儲(chǔ)存器”而可以結(jié)合多個(gè)miRNA分子,從而調(diào)節(jié)miRNA的作用。miRNA在細(xì)胞中的數(shù)量是恒定的,含有miRNA識(shí)別元件結(jié)構(gòu)的ceRNA、circRNA分子通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性地與miRNA結(jié)合而阻斷這些miRNA對(duì)其他mRNA的調(diào)節(jié)作用。在RNA分子參與的調(diào)控過(guò)程中,不僅非編碼RNA起了重要作用,編碼蛋白質(zhì)的mRNA也能調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá),因此ceRNA、circRNA的發(fā)現(xiàn)使我們對(duì)RNA調(diào)控作用的了解更為深入,同時(shí)也需要我們用開(kāi)闊的思維重新思考基因表達(dá)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。天然反義轉(zhuǎn)錄本也具有重要的翻譯調(diào)控作用。β-分泌酶-1(β-secretase-1,BACE1)在老年癡呆疾病組的表達(dá)量顯著增高,同時(shí)BACE1基因的天然反義轉(zhuǎn)錄本表達(dá)量也升高,該天然反義轉(zhuǎn)錄本能夠與BACE1基因的正義鏈mRNA結(jié)合形成RNA雙鏈結(jié)構(gòu),這個(gè)雙鏈結(jié)構(gòu)不僅穩(wěn)定了mRNA分子,而且屏蔽了miR-485-5p與mRNA的結(jié)合位點(diǎn),阻止miR-485-5p對(duì)mRNA的沉默作用,從而使BACE1蛋白質(zhì)的表達(dá)量升高。5mirna分子在翻譯后階段,從核糖體上釋放出的多肽鏈需要被進(jìn)一步加工修飾才能成為具有生物學(xué)活性的蛋白質(zhì),lncRNA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,Paraspeckl是哺乳動(dòng)物細(xì)胞核中分散的核質(zhì)蛋白體,lncRNAMenξ/β是paraspeckle的組成成分,lncRNA-Menξ/β和相關(guān)paraspeckle蛋白質(zhì)結(jié)合后能改變paraspeckl在細(xì)胞核內(nèi)的定位,從而在細(xì)胞核組裝和解聚過(guò)程中起重要作用。在細(xì)胞內(nèi)吞的部分囊泡中還包含有miRNA和mRNA分子,這些囊泡將miRNA和mRNA分子轉(zhuǎn)運(yùn)到其他細(xì)胞中發(fā)揮作用,