非編碼RNA的分類及其功能總結(jié)[共14頁]

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 ）以及相對分子量較大的 長非編碼 RNA(long non-coding RNA ,lncRNA) 等。1

2、.2 概念：snRNA ：核內(nèi)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 ）,是一類由內(nèi)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 reg

3、ion,3-UTR) 特異性結(jié)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(jié)合而發(fā)揮作用。siRNA ：干擾小 RNA（Small interfering RNA ）,是一種小 RNA 分子, 由

4、Dicer 酶加工而成。雙鏈 RNA 經(jīng)酶切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 是內(nèi)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）miR

5、NA 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 在腫瘤細胞糖代謝中的調(diào)控作用3 1.3 siRNA 、miRNA 及piRNA 的生物合成a： (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

6、的 pri-miRNA ,該發(fā)卡結(jié)構(gòu)在細胞核內(nèi)經(jīng) Drosha-DGCR8 復合物加工產(chǎn)生 pre-miRNA 。在細胞漿內(nèi),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(jié)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

7、 MILI 更為豐富,次級反義 piRNA 可能直接裂解轉(zhuǎn)座子 mRNA 。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 的效用2.1 miRNA 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

8、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 ,FOXO3 ,ATM ,RUNX3 ,p53；EZH2 ,PI3K/AKT通路, hnRNP A1,EGFR 等。圖：陳月琴等,非編碼 RNA 與細胞自噬調(diào)控32.2 參與表觀遺傳調(diào)控miRNA 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。42.3 在腫瘤中的調(diào)節(jié)機制2.

9、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

10、, 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。2.3.2 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(jié)合抗凋

11、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)出表達的抑制。62.4 參與糖代謝的調(diào)控2.4.1 miRNA 通過調(diào)控己糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝 。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) PFKM 表達。

12、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)控腫瘤細胞的糖代謝。2.4.3 miRNA 通過調(diào)控丙酮酸激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝。 研究發(fā)現(xiàn), PKM2mRNA 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)控腫瘤細胞的糖代謝。33. siRNA 參與表觀遺傳調(diào)控siRNA 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 ,組蛋白去乙酰

13、化酶（Histone deacetylase-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 DNMT

14、1 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,但來源于一個完全不同的簇,具有重復片段。34.1 piRNA 相關(guān)的 DNA 甲基化piRNA 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 pi

15、RNA 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, piRNA 是生殖細胞內(nèi) DNA 甲基化的特異性決定子。54.2 piRNA 參與染色體組裝piRNA 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(jié)合。5. lncRNA 的效用lncRNA 有多種不

16、同的來源,目前認為可能是（ 1）編碼蛋白的基因結(jié)構(gòu)中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA ；（2）染色質(zhì)重組的結(jié)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)生有效用的非編碼 RNA3 。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：陳曉敏等,長非編碼 RNA 研究進展誘餌分子：長非編碼

17、 RNA 通過結(jié)合目標蛋白或 miRNA 從而稀釋了目標分子在細胞內(nèi)的水平,進而影響其效用。導向作用：通過與目標分子的結(jié)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(jié)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 的不同效用域可以結(jié)合不同的蛋白質(zhì)復合體, 從而提供類

18、似分子支架的效用,以引導相關(guān)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：陳曉敏等,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miRNA ；(c) lncRNA-miRNA競爭性結(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

19、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(jié)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內(nèi)源 RNA(competing endogenousRNAs, ceRNA) 途徑,是指 ceRNA 可以通過競爭性地結(jié)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, FLJ11812（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(jié)合蛋白 TIA1 的磷

20、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(jié)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；1過表達的 HULC 在胃癌細胞中被發(fā)現(xiàn)能夠促進細胞自噬。5.2 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 chromosomeinactive)控制表觀性狀,參與的這兩個過程分別與 H19 和 Xist RNA

21、 密切相關(guān)。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 H19 RNA 可能通過 miRNA 發(fā)揮基因調(diào)控作用?；蚪M印記除了與 H19 基因簇有關(guān),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 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,

22、 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, 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)與核心蛋白抑制復合體 PRC2 結(jié)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

23、 HoxC 位點的 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,將兩個效用截然不同的組蛋白修飾物鏈接到特殊的作用位點,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 內(nèi) 的lncRNA-MALAT1 能影響絲氨酸, 精氨酸富含性剪接因子在細胞核的分布而調(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。它可以折疊成高級結(jié)構(gòu)與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合形成核酸- 蛋白質(zhì)復合物, Paraspeckle 是哺乳

24、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(guān) paraspeckle 蛋白質(zhì)結(jié)合后能改變paraspeckle 在細胞核內(nèi)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(guān)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 、PCAT1 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

25、用2 。圖：陳曉敏等,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(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 的雙向效用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)物參與組成腫瘤抑制網(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, lncRNA 和miRNA 可協(xié)同介導抑癌基因失調(diào)4 。65.4 參與糖代謝的調(diào)節(jié)5.4.1 lncRNA 通過調(diào)控癌基因表達影響腫瘤

26、細胞的糖代謝。 癌基因 c-Myc 的是 Myc 蛋白家族的重要成員之一, 在細胞周期,血管生成, 細胞代謝和細胞凋亡中發(fā)揮著重要作用。 研究發(fā)現(xiàn), c-Myc 可以直接調(diào)控參與糖代謝的基因,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謝。 糖代謝與胰島素信號通路密切相關(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。研究發(fā)現(xiàn),人大腸癌 HT29 細胞的 CR