非編碼RNA的分類及其功能總結(jié)

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 概念：snRNA：核內(nèi)小分子RNA(s

2、mall 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(dǎo)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(biāo)mRNA的3 端非翻譯區(qū)(3-untranslated region，3-UTR)特異性結(jié)合，從而引起靶標(biāo)mRNA分子的降解或翻譯抑制，在動植物中參與

3、轉(zhuǎn)錄后基因表達調(diào)控。piRNAs（Piwi-interactingRNA）：piRNA基因是一類長度為2432 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(biāo)mRNA的沉默。lncRNA：長鏈非編碼R

4、NA（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(yīng)、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(xué)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）miRNA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1.3 si

5、RNA、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(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 長的pri-miRNA，該發(fā)卡結(jié)構(gòu)在細胞核內(nèi)經(jīng)Drosha-DGCR8復(fù)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(dǎo)鏈，miRNA* 為信息鏈），裝載至Argonaute 蛋白

6、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(fù)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。圖：于紅，表觀遺傳學(xué):生物細胞非編碼RNA調(diào)控的研究進展2、MicroRNA的功能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

7、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，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。圖：陳月琴等，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

8、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

9、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因LATS2的表達來解除的p53介導(dǎo)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

10、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。2.4 參與糖代謝的調(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)P

11、FKM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)， 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)控腫瘤細胞的糖代謝。3. siRNA參與表觀遺傳調(diào)控3siRNA 能在哺乳動物細胞中介導(dǎo) DNA 甲基化和組蛋白修飾，從而導(dǎo)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℉istone de

12、acetylase-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(dǎo)的 TGS。AGO 在 TGS 中的作用早于靶標(biāo)啟動子的組蛋白甲基化，當(dāng)靶標(biāo)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. p

13、iRNA 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(fù)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(fù)片段。4.1 piRNA 相關(guān)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

14、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(fù)合體能介導(dǎo)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。4.2 piRNA 參與染色體組裝5 piRNA基因在調(diào)節(jié)染色質(zhì)組裝的過程中發(fā)揮了引導(dǎo)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(jié)構(gòu)中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA；（

15、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(fù)制過程中的反移位產(chǎn)生；（4）由局部的串聯(lián)復(fù)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)生有功能的非編碼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(xué)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 RNA 通過結(jié)合目標(biāo)蛋白或 miRNA 從而稀釋了目標(biāo)分子在細胞內(nèi)的水平，進而影響其功能。導(dǎo)向作用：通過與目標(biāo)

16、分子的結(jié)合，長非編碼 RNA 能指引核糖核蛋白復(fù)合體定位至特異的目標(biāo)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(biāo) DNA 分子結(jié)合形成 RNADNA 異源雙鏈核酸分子，或者 RNADNADNA 異源三鏈核酸分子，或者RNA識別特異染色質(zhì)的復(fù)合物表面特征，引導(dǎo)目標(biāo)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(jié)合不同的蛋白質(zhì)復(fù)合體，從而提供類似分子支架的功能，以引導(dǎo)相關(guān)的不同類型的大分子復(fù)合體在目標(biāo)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

17、作用方式：圖：陳曉敏等，長非編碼RNA研究進展(a) miRNA 介導(dǎo)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的參與細胞調(diào)控的方式：通過與單一蛋白質(zhì)或蛋白復(fù)合體結(jié)合，同時識別DNA/RNA序列，從而幫助蛋白復(fù)合體進行特異性位點的調(diào)控；或是充當(dāng)

18、分子支架，在蛋白復(fù)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 endogenous RNAs, 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，F(xiàn)LJ11812（位于基因TGFB2的3UTR區(qū)的lncRNA）介導(dǎo)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)，F(xiàn)LJ11812可以通過ceRNA的途徑與ATG13競爭性的結(jié)合miR-4459，從而達成其

19、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( Genomic imprinting) 和X染色體失活( X chromosome inactive)控制表觀性狀，參與的這兩個過程分別與H19和Xist RNA密切相關(guān)。近來有學(xué)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。X

20、ist 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(dǎo)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(fù)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

21、更為復(fù)雜的、交互的網(wǎng)絡(luò)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(fù)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，將兩個功能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

22、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(fù)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(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

23、腺癌中特異表達的非編碼RNA，可以作為有效的生物標(biāo)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：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(gòu)成腫瘤抑制網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控細胞重要生物學(xué)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(dǎo)抑癌基因失調(diào)4

24、。5.4 參與糖代謝的調(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(biāo)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)