miRNA$lncRNA(mirna 和lncrna 的簡介)講述

1、MicroRNA簡介 MicroRNA（miRNA）是一類內生的、長度約20-24nt的小RNA，其在細胞內具有多種重要的調節(jié)作用。 第一個被確認的miRNA在線蟲中首次發(fā)現(xiàn)的lin-4和let-7。 miRNAs參與生命過程中一系列的重要進程，包括早期發(fā)育(Reinhart 2000)，細胞增殖，細胞凋亡，細胞死亡(Brennecke 2003），脂肪代謝（Xu 2003)和細胞分化(Kawasaki 2003)。特點 廣泛存在于真核生物中的一組短小的、不編碼蛋白質的RNA家族。 表達具有組織特異性和階段特異性。 與靶mRNA 3-UTR結合，在轉錄后調控基因的翻譯表達 。 miRNA具有高

2、度保守性，即各種miRNA都能在其他種系中找到同源體。 miRNA獨有的特征：其5端第一個堿基對U有強烈的傾向性，而對G卻有抗性，第二到第四個堿基缺乏U，一般來講，除第四個堿基外，其他位置堿基通常都缺乏C 。 一個miRNA可以調控多個基因的表達，也可以幾個miRNAs共同精細調控某個基因的表達。加工成熟由長的內源性轉錄本（pri-miRNA)經(jīng)Drosha酶作用生成70nt左右的miRNA前體(pre-miRNA)，該過程發(fā)生在細胞核將pre-miRNA經(jīng)Dicer酶作用加工為成熟miRNA，該過程發(fā)生在細胞質中。miRNA與細胞質中的某些特定蛋白結合形成RISC，對靶mRNA進行調節(jié)。Dr

3、osha-DGCR8復合體 Drosha 是RNAase 家族中的一員，必須與DGCR8蛋白結合成復合體才具有切割pri-miRNA的功能。 存在于細胞核內 主要切割多個莖環(huán)結構的pri-miRNA 成為pre-miRNA。Dicer酶 是RNAase 家族中的一員，它可與雙鏈RNA結合，并將其剪切成3端突出的小分子RNA片段。 主要切割dsRNA或者莖環(huán)結構的RNA前體成為小RNAs分子。 Dicer有著較多的結構域，最先在果蠅中發(fā)現(xiàn)，并且在不同的生物體上表現(xiàn)出很高的保守性。Argonaute 蛋白 (AGO）AGO蛋白：為一類龐大的蛋白質家族，是組成RISCs復合物的主要成員。 AGO蛋白

4、質主要包含域兩個結構域：PAZ和PIWI兩個結構域，但具體功能現(xiàn)在尚不清楚。PAZ和PIWI兩個結構域，對于miRNA和目標mRNA相互作用，從而致目標mRNA的切割或者翻譯抑制過程。同時，不同的AGO蛋白質有著不同的生物學功能。在人類，AGO2參與了RISCs對于目標mRNA的切割過程；而AGO1 和AGO3則不具備這個功能。作用原理作用結果 miRNA與靶mRNA匹配完全，則該復合體降解mRNA 若兩者序列部分匹配，尤其是miRNA的5端2-8個被稱為種子序列（seed sequence）的核苷酸與靶mRNA匹配完好，則通過抑制靶mRNA的翻譯來沉默特定基因。 某些miRNA，如miRNA

5、16能夠特異結合于某些基因3UTR的富含AU元件（AU rich element,ARE）,指導Ago等組成RISC區(qū)的蛋白與TTP(三磷酸胸苷）結合，從而改變相應mRNA的半衰期，加速靶mRNA的降解。MiRNA 功能 只有一小部分miRNAs生物學功能得到闡明。 miR-273和lys-6編碼的miRNA，參與線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程；miR-375調節(jié)哺乳動物胰島細胞發(fā)育和胰島素分泌；miR-143在脂肪細胞分化起作用。 Karres, J. S., V. Hilgers, et al. (2007). The Conserved microRNA MiR-8 Tunes Atrophin

6、 Levels to Prevent Neurodegeneration in Drosophila. Cell 131(1): 136-45. 利用一種果蠅miRNA突變研究分析，認為miRNAs將靶基因的水平調整到了最佳水平，并由于這種小RNA的保守性，因此提出在人類也存在這種關聯(lián)。相關數(shù)據(jù)庫 miRBase The miRBase database is a searchable database of published miRNA sequences and annotation. Each entry in the miRBase Sequence database represe

7、nts a predicted hairpin portion of a miRNA transcript (termed mir in the database), with information on the location and sequence of the mature miRNA sequence (termed miR). Both hairpin and mature sequences are available for searching and browsing, and entries can also be retrieved by name, keyword,

8、 references and annotation. All sequence and annotation data are also available for download. TargetScan 基于靶mRNA序列的進化保守等特征搜尋動物的microRNA靶基因。是預測microRNA靶標假陽性率較低的軟件。 Starbase starBase is designed for decoding Interaction Networks of lncRNAs, miRNAs and mRNAs from large-scale CLIP-Seq (HITS-CLIP, PAR-CL

9、IP, iCLIP, CLASH) data and tumor samples (14 cancer types, 6000 samples). starBase is also developed for deciphering miRNA-target interactions, such as miRNA-lncRNA, miRNA-mRNA, miRNA-circRNA, miRNA-pseudogene, miRNA-sncRNA interactions from 108 CLIP-Seq datasets. starBase provides miRFunction web t

10、ools to predict the function of ncRNAsTarbase：一個收集已被實驗驗證的microRNA靶標數(shù)據(jù)庫。 miRecords：一個整合的microRNA靶標數(shù)據(jù)庫。整合多個靶標預測軟件的調控關系。 PicTar：基于microRNA或microRNA靶標聯(lián)合作用等特征開發(fā)的搜尋動物的microRNA靶基因的軟件，假陽性率也較低。是microRNA領域大牛Rajewsky實驗室開發(fā)的。該文章位列miRNA相關文章引用Top5。 PITA：基于靶位點的可接性（target-site accessibility）和自由能預測microRNA的靶標。是著名的生物信

11、息學家Segal實驗室開發(fā)的。網(wǎng)址： RNA22：基于序列特征預測microRNA的結合位點。是幾個流行的microRNA靶標預測軟件的其中一個。IBM公司的研究團隊開發(fā)的。 miRanda和microRNA.org：是著名的Memorial Sloan-Kettering 癌癥研究中心的研究人員開發(fā)的軟件和數(shù)據(jù)庫。整合實驗室觀察mirna表達模式和預測mirna靶點。MicroCosm：EMBL-EBI的Enright 實驗室開發(fā)的microRNA靶標數(shù)據(jù)庫。 miRTarBase：整合實驗證實的microRNA靶標的數(shù)據(jù)庫。 miRGator v2.0：整合microRNA表達、靶標和疾病

12、相關信息的數(shù)據(jù)庫。 MiRNAMap:動物的microRNA基因及其靶標的數(shù)據(jù)庫。 miRDB: 動物miclncRNA簡介 長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是一類轉錄本長度超過200nt、不編碼蛋白的RNA。 近年來的研究表明lncRNA能在表觀遺傳、轉錄及轉錄后水平上調控基因表達，參與了X染色體沉默、基因組印記以及染色質修飾、轉錄激活、轉錄干擾、核內運輸?shù)榷喾N重要的調控過程，與人類疾病的發(fā)生、發(fā)展和防治都有著密切聯(lián)系。特性 lncRNA通常較長，具有mRNA樣結構，有些具有poly(A)尾巴，有些沒有，分化過程中有動態(tài)的表達與不同的剪接方式，與編碼基

13、因相比，lncRNA表達量更低。 時空組織特異性：同一組織或器官的不同生長階段，其中的lncRNA表達量也會變化。不同組織之間的lncRNA表達量不同。 lncRNA啟動子同樣可以結合轉錄因子，如Oct3/4，Nanog，CREB，Sp1，c-myc，Sox2與p53，局部染色質組蛋白同樣具有特征性的修飾方式與結構特征。 lncRNA的亞細胞位置上也呈多樣化，在細胞核、細胞質和細胞器均有分布，甚至某些lncRNA具有獨特的亞細胞位置，有可能是全新的亞細胞構成。分類 Antisense lncRNA (反義長非編碼RNA) Intronic transcript (內含子非編碼RNA) Larg

14、e intergenic noncoding RNA (lincRNA) Promoter-associated lncRNA(啟動子相關lncRNA) UTR associated lncRNA (非翻譯區(qū)lncRNA)作用機制生物學功能生物學功能1.參與X染色體沉默、基因組印記、染色質修飾、 轉錄激活、轉錄干擾、核內運輸?shù)榷喾N重要調控過程。2. 以多種模式保護蛋白編碼基因:如受到嚴格的功能限制以保護編碼基因的開放式可讀框(ORF);或表現(xiàn)為基因序列的較短延伸,以保護功能域和結構。3.Lnc RNA含有高效的關鍵序列, 類似于啟動子等調控因素, 具有比蛋白質更敏感的結構功能限制。4. 一些進

15、化后的人類基因保守區(qū)域可被轉錄成lncRNA,如HAR1,在大腦皮質發(fā)育階段早期神經(jīng)元內表達。5.研究顯示,哺乳動物基因組序列中1%產(chǎn)生的轉錄本是可編碼蛋白,而有4%9%產(chǎn)生的轉錄本是lnc RNA,其中許多 lnc RNA僅在特定的發(fā)育階段出現(xiàn),或具有組織或細胞特異性,還有很多l(xiāng)nc RNA具有保守的二級結構、剪切形式以及精確的亞細胞定位。 6.Lnc RNA既有順式調控作用，又有反式調控作用。 目前發(fā)現(xiàn)的參與哺乳動物基因活動的lnc RNA已有上千個,其調控基因表達的機制存在共性。 一般來說,lnc RNA主要從3個層面實現(xiàn)對基因表達的調控。LncLnc RNA RNA對基因表達的調控對基

16、因表達的調控調控基因表達調控基因表達其他其他轉錄調控轉錄調控表觀遺傳學表觀遺傳學轉錄后調控轉錄后調控一、表觀遺傳調控一、表觀遺傳調控 哺乳動物lncRNA介導的表觀遺傳改變的研究最早源于基因組印記(genomic printing)和X染色體失活 (X chromosome inactive)兩個方面,分別與H19和XistRNA密切相關。 近十年研究證實lncRNA與表觀遺傳調控密切相關，并且發(fā)現(xiàn)了許多新的與基因調控有關lncRNA。1.基因組印記 2.X染色體失活 1 . 基因組印記 基因組印記, 通常為共價標記的DNA甲基化 (也可以是非共價標記, 如DNA -蛋白質和DNA -RNA交

17、互作用, 核基因組定位等) , 還包括組蛋白乙?；?、甲基化等修飾。 雖然印記基因只占人類基因組的不到5% , 但在胚胎、 胎兒的生長和出生后的發(fā)育中卻起著至關重要的調節(jié)作用, 對行為和大腦的功能也有很大的影響。 DNA 甲基化參與基因印記的建立和維持, 它發(fā)生在生殖細胞的印記控制區(qū) (ICR ) 。 目前對這一領域的研究基本上是針對兩個基因印記區(qū): 17號染色體近端的IGF2受體(Igf2r)區(qū)和7號染色體遠端的Kcnq1區(qū), lncRNA 在這些印記位點發(fā)揮重要作用。LncRNA 在印記區(qū)介導等位基因沉默。 目前已知的是,高達半數(shù)的哺乳動物基因都能轉錄,而其中大部分轉錄產(chǎn)物是非編碼RNA(包

18、括lncRNA),已有個別lncRNA被證明參與調控印記基因表達。 小鼠17號染色體的Igf2r區(qū)是第一個被證實的可轉錄為lncRNA的位點。1. X 染色體失活。 X染色體失活的選擇和起始發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期這一過程被X失活中(X-inactivation center,XIC) 所控制,是一種反義鏈轉錄調控模式。 X 染 色 體 失 活 是 由 標 志 性 的 約 1 7 k b 大 小 的lncRNAXist介導,它在哺乳動物的X染色體失活中非常重要。 Xist(X inactive specific transcript)介導的X染色體失活的特征總結來說就是喪失激活性的組蛋白修飾(如乙

19、酰化)而獲得抑制性的組蛋白修飾(如H3K27的三甲基化),導致失活染色體上的許多CpG島啟動子甲基化,失活的染色體依舊持續(xù)合成Xist,以維持本身的失活狀態(tài)。 但有活性的X染色體如何阻止XistRNA的結合機制還不明確。 另有研究報道:X染色體失活尚存在另一機制,即與一種調控性小非編碼RNA有關。Xist和反義鏈轉錄本Tsix退火復性后可形成一RNA二聚體, 在Dicer酶作用下,被加工剪切成約24-42nt大小的調控性siRNA,這一機制對于失活的X染色體上的抑制性異染色質的修飾是必需的,因為X染色體失活過程中組蛋白、賴氨酸和三甲基色氨酸等都需要這些siRNA,并且X染色體激活時X ist啟

20、動子區(qū)的CpG島甲基化也需要它們。 以上機制或許可以推測lncRNA和RNA在染色質重塑方面的作用與聯(lián)系,同時提示RNA調控存在著一個更為復雜的、交互的網(wǎng)絡。二、轉錄調控二、轉錄調控 LncRNA 能夠通過多種機制在轉錄水平進行調控, 表現(xiàn)在如下兩個方面： 1.LncRNA的轉錄可以干擾鄰近基因的表達。 2.LncRNA 可作為共因子調節(jié)轉錄因子的活性。 1.LncRNA 的轉錄可以干擾鄰近基因的表達的轉錄可以干擾鄰近基因的表達2021-7-30 人類細胞中的細胞周期蛋白D1(CCND1)的表達, DNA損傷信號誘導該基因啟動子上游一段lncRNA的表達,它可調節(jié)RNA結合蛋白-TLS的活性,

21、接著TLS抑制CREB結合蛋白和p300的活動,進而使CCND1基因的表達沉默2.LncRNA2.LncRNA可作為共因子調節(jié)轉錄因子的活性可作為共因子調節(jié)轉錄因子的活性 例如,小鼠的一段lncRNA-Evf2轉錄自一段超保守的遠端增強子,它可與轉錄因子DLX2形成轉錄復合體, 并結合至一個增強子上,從而誘導鄰近蛋白編碼基因DLX6的表達。 通過與影響啟動子選擇的抑制性復合物相互作用,封鎖啟動子區(qū)域來調控RNA聚合酶(RNA P)的活動從而干擾基因表達,這可能是存在于真核細胞染色體上的上千種三倍體復合物結構控制啟動子作用的普遍機制。2021-7-30 另外,lncRNA的復性(退火)具有靶向作用,使蛋白受體復合物能夠識別正義鏈mRNA轉錄本,這一作用類似于RNA誘導的沉默復合物(RISC)通過siRNA靶向作用于mRNA 。 與編碼蛋白基因的轉錄本形成互補雙鏈，在Dicer酶作用下產(chǎn)生內源性的siRNA，以使基因表達沉默。人類疾病相關人類疾病相關lncRNA相關數(shù)據(jù)庫 lcnRNA db Annotated lncRNAs include those shown to have, or to be associated with, biol