非編碼RNA的分類及其功能總結

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

2、念：snRNA ：核小分子RNA(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snRNA 、 tRNA和 mRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾。miRNAs ：微小 RNA（ microRNAs ），是一類由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mRNA 的 3 端非翻譯區(qū) (3-untranslated region ，3-UTR)特異性結

3、合， 從而引起靶標mRNA 分子的降解或翻譯抑制，在動植物中參與轉(zhuǎn)錄后基因表達調(diào)控。piRNAs （ Piwi-interactingRNA）：piRNA 基因是一類長度為24? 32 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

4、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mRNA 的沉默。lncRNA ：長鏈非編碼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、表觀遺傳調(diào)控、細胞周期調(diào)控和細胞分化調(diào)控等眾多生命活動中發(fā)揮重要作用，成為遺傳學研究熱點。miRNA和 siRNA的區(qū)別主要有兩點： （1） miRNA是源性的，是生物體基因的表達產(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.c.的發(fā)卡狀雙鏈RNA ，經(jīng) Drosh

5、a 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 在腫瘤細胞糖代中的調(diào)控作用1.3 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由源性的生物體基因產(chǎn)生含有發(fā)卡結構的65-70nt長的 pri-miRNA ，該發(fā)卡結構在細胞核經(jīng)Drosha

6、-DGCR8 復合物加工產(chǎn)生 pre-miRNA 。在細胞漿，pre-miRNA 進一步經(jīng) Dicer 酶剪切為 miRNA-miRNA* 二聚體（其中 miRNA 為引導鏈，miRNA*為信息鏈），裝載至 Argonaute 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結合，在出生前的睪丸、 MILI和 MIWI2 均參與復制周期，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 。.c.

7、圖：于紅，表觀遺傳學:生物細胞非編碼RNA 調(diào)控的研究進展2、 MicroRNA的功能2.1miRNA參與細胞自噬調(diào)控1 。在自噬的啟動(induction) 、囊泡成核 (vesicle nucleation) 、囊泡延伸 (vesicle elongation) 、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，

8、即通過對細胞分子通路中重要的調(diào)控性蛋白進行調(diào)控，從而間接地調(diào)控自噬的過程。調(diào)控靶點有： SMAD4 ，F(xiàn)OXO3 ，ATM ，RUNX3 ，p53；EZH2 ，PI3K/AKT通路， hnRNP A1 ， EGFR 等。.c.圖：月琴等，非編碼RNA 與細胞自噬調(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)。在腫瘤細胞中表達水平升高的miRNA 被認為是致癌基因，通過抑制抑癌基因

9、和（或）抑制控制細胞分化和凋亡的基因來促進腫瘤進展。首先，miR-17-92 群簇被認為在腫瘤細胞調(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)膜母細胞瘤基因（ RB）家族的成員甙Rb2/ p130 的基因促進腫瘤進展。PTEN 通過 PI3K-AKT / PKB 通路促進凋亡。 其次， miR-17-92 群簇對細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基因通路抑制細胞凋亡，進而促進腫瘤的發(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

10、因 LATS2的表達來解除的 p53介導的對細胞周期依賴性蛋白激酶（CDK ）的抑制，進而促進細胞增.c.殖和腫瘤進展。人類睪丸生殖細胞腫瘤的發(fā)生中涉及這一機制。對抑癌基因的調(diào)節(jié)。在腫瘤細胞中表達水平降低的miRNA 的被認為是抑癌基因，通過抑制致癌基因和 （或）抑制控制細胞分化和增殖的基因來抑制腫瘤進展。let-7的家族的miRNA 的在許多腫瘤中表達下調(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)出表達的抑

11、制。2.4 參與糖代的調(diào)控 62.4.1 miRNA 通過調(diào)控己糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代。乳腺癌細胞中白介素 -6（IL-6 ）和 miR-155 均可通過上調(diào) hk2 基因表達來促進糖酵解。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影響腫瘤細胞的糖代。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) PFKM表達。研究發(fā)現(xiàn)，另一種miRNA-miR-520s 可以下調(diào) PFKP 表達。這說明有多種miRNA可以通過調(diào)節(jié)磷酸果糖激酶來調(diào)控腫瘤細胞的糖代。2.4.3 mi

12、RNA 通過調(diào)控丙酮酸激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代。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)控腫瘤細胞的糖代。3. siRNA 參與表觀遺傳調(diào)控3siRNA 能在哺乳動物細胞中介導 DNA 甲基化和組蛋白修飾， 從而導致轉(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?Histone deacetylase-1, HDAC-1 ）和/或 Polycomb 蛋白家族 ( Polycomb group, PcG )的 EZH2 (

13、Enhancer of zeste homolog 2 )參與了 siRNA誘導的TGS。AGO在 TGS 中的作用早于靶標啟動子的組蛋白甲基化，當靶標沉默態(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)表達至單倍體精子細胞階段，一般很少有重復片段；二是粗

14、線前期piRNA簇：主要出現(xiàn)于減數(shù)分裂前的生殖細胞，雖然具有粗線期piRNA簇的分子特征，但來源于.c.一個完全不同的簇，具有重復片段。4.1 piRNA相關的 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piRNA參與擴增循環(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 復合體能介導轉(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，p

15、iRNA 是生殖細胞 DNA 甲基化的特異性決定子。4.2 piRNA 參與染色體組裝 5piRNA 基因在調(diào)節(jié)染色質(zhì)組裝的過程中發(fā)揮了引導作用，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 聚合酶與基因組結合。5. lncRNA的功能lncRNA有多種不同的來源，目前認為可能是（1）編碼蛋白的基因結構中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA ；（ 2）染色質(zhì)重組的結果，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）由非編碼基因復制過程中的反移位產(chǎn)生；（ 4）由局部的串聯(lián)復制

16、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 3 。5.1 參與細胞調(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過程，比如，劑量補償、 基因印跡、 細胞周期、 發(fā)育、配子形成等過程。分子機制：圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展誘餌分子：長非編碼RNA 通過結合目標蛋白或miRNA從而稀釋了目標分子在細胞.c.的水平，進而影響其功能。導向作用：通過與目標分子的結合，長非編碼RNA能指引核糖核蛋白復合體定位至特異的目標區(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

17、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DNA分子結合形成RNA DNA異源雙鏈核酸分子，或者RNA DNA DNA異源三鏈核酸分子，或者RNA 識別特異染色質(zhì)的復合物表面特征，引導目標基因附近的染色質(zhì)改變。分子支架： lncRNA的不同功能域可以結合不同的蛋白質(zhì)復合體，從而提供類似分子支架的功能，以引導相關的不同類型的大分子復合體在目標區(qū)域組裝以協(xié)同發(fā)揮調(diào)控作用。lncRNA與 miRNA轉(zhuǎn)錄后相互作用方式：圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展(a) miRNA 介導長非編碼 RNA 降解； (b) lncRNA 通過誘捕或 miRNA 海綿作用拮抗miRN

18、A ；(c)lncRNA-miRNA競爭性結合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的參與細胞調(diào)控的方式：通過與單一蛋白質(zhì)或蛋白復合體結合，同時識別DNA/RNA序列，從而幫助蛋白復合體進行特異性位點的調(diào)控；或是充當分子支架，在蛋白.c.復合體的形成過程中起到重要的作用；此外還有一種競爭性源RNA(competingendogenousRNAs, ceRNA) 途徑，是指ceRN

19、A 可以通過競爭性地結合miRNA 來調(diào)節(jié)基因的表達。lncRNA 參與細胞自噬的調(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 mTOR 通路的激活，細胞自噬則受到抑制。激活的mTOR 增加了 RNA 結合蛋白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。進一步研究發(fā)現(xiàn)， FLJ11812 可以通過 ceRNA 的途徑與 ATG13 競爭性的結合 miR-4459 ，從而達成其對自噬的調(diào)節(jié)作用。此外，兩個 lncRNA 被發(fā)現(xiàn)在癌癥中調(diào)節(jié)細胞自噬：MEG3 在膀胱癌細胞中抑制自噬；過表達的

20、HULC 在胃癌細胞中被發(fā)現(xiàn)能夠促進細胞自噬。15.2 參與調(diào)節(jié)表觀遺傳LncRNA 通過參與基因組印記( Genomicimprinting)和 X染色體失活 ( X chromosomeinactive) 控制表觀性狀，參與的這兩個過程分別與H19 和 XistRNA密切相關。近來有學者在人和鼠細胞中發(fā)現(xiàn)H19 RNA 是 miR-675 的前體 ， 提示 H19RNA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，還有Kcnq1ot1、 Air 及 Nespas 基因的參與。 Xist RNA(17 kb 長的非編碼 RNA) 對于哺乳動物細胞X 染色體失活非常重

21、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 結構域或成分相連， 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雜的、交互的網(wǎng)絡3 。此外，

22、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)結構與核心蛋白抑制復合體PRC2 結合，后者促進組蛋白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 結合， 3 末端區(qū)域與組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1（ LSD1 ）結合，將兩個功能截然不同的組蛋白修飾物到特殊的作用位點，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)細胞核的 lncRNA-MALAT1.c.能影響絲氨酸，精氨酸富含性剪接因子在細胞核

23、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。它可以折疊成高級結構與特定的蛋白質(zhì)結合形成核酸 - 蛋白質(zhì)復合物，Paraspeckle 是哺乳動物細胞核中分散的核質(zhì)蛋白體，lncRNA-Men /是 paraspeckle 的組成成分，lncRNA-Men /和相關paraspeckle 蛋白質(zhì)結合后能改變paraspeckle 在細胞核的定位，從而在細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 ，比如 PCA3 、 PCGEM1 、 PCA

24、T1等，是高度在前列腺癌中特異表達的非編碼RNA ，可以作為有效的生物標記物。有多種長非編碼RNA在原發(fā)性肝癌中表達水平發(fā)生了顯著變化，并具有重要作用2 。圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展其中， HOTAIR 在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性乳腺癌中高表達，且與腫瘤轉(zhuǎn)移和低生存率相關，研究發(fā)現(xiàn) HOTAIR 的 5 端可結合 PRC2，而其 3 端可結合 LSD1 。 HOTAIR 的雙向功能可能有利于對組蛋白進行修飾，從而促進腫瘤的轉(zhuǎn)移4 。INK4b-ARFINK4a的表達產(chǎn)物參與構成腫瘤抑制網(wǎng)絡，調(diào)控細胞重要生物學過程， 如細胞凋亡、干細胞再生等。ANRIL 的異常表達和單核苷酸變異可引起腫瘤。此外

25、，lncRNA和miRNA 可協(xié)同介導抑癌基因失調(diào)4 。5.4 參與糖代的調(diào)節(jié) 65.4.1 lncRNA 通過調(diào)控癌基因表達影響腫瘤細胞的糖代。癌基因 c-Myc 的是 Myc 蛋白家族的重要成員之一， 在細胞周期， 血管生成， 細胞代和細胞凋亡中發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，c-Myc 可以直接調(diào)控參與糖代的基因，而前列腺癌特異性lncRNA- 前列腺癌基因表達標志1（ PCGEM1 ）通過激活 c-Myc 促進前列腺癌細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)控而影響腫瘤細胞的糖代。糖代與胰島素信號.c.通路密切相關， 所以調(diào)控該通路的lncRNA 也可間接調(diào)控糖代，而胰島素信號通路也可反過來調(diào)控lncRNA 。 lncRNA大腸癌差異表達轉(zhuǎn)錄本（CRNDE ）受胰島素 /胰島素樣生長因子（ IGF ）調(diào)控。