RNA的生物學(xué)論文

RNA的生物學(xué)論文1ceRNA的分類及其生物學(xué)功能1.1假基因轉(zhuǎn)錄物作為ceRNA假基因是一類具有與其功能基因序列類似，通常情況下不具有蛋白質(zhì)翻譯功能的基因，翻譯經(jīng)過(guò)因提早終止密碼子、移碼突變、插入或缺失而中斷。假基因在基因組中一直被以為是垃圾基因，但隨著研究的深化，發(fā)現(xiàn)假基因能通太多個(gè)機(jī)制促進(jìn)或抑制其同源基因的表達(dá)，加強(qiáng)或抑制其生物功能，其中包括假基因的轉(zhuǎn)錄物能作為ceRNA吸附miRNA。假基因的轉(zhuǎn)錄物能夠作為理想的ceRNA，是由于它們具有很多與其同源基因一樣的MRE。例如，很多在PTEN3′UTR上的保守MRE，也出如今PTEN的假基因PTENP1的轉(zhuǎn)錄物中，并且過(guò)表達(dá)PTENP1的3′UTR，并以Dicer依靠的方式上調(diào)PTEN的表達(dá)水平，這暗示PTENP1轉(zhuǎn)錄物通過(guò)與PTENmRNA競(jìng)爭(zhēng)共同的miRNA，進(jìn)而調(diào)節(jié)PTEN的表達(dá)。假基因的轉(zhuǎn)錄物在ceRNA調(diào)控中作為miRNA分子海綿(Sponge)，其作用可被功能化。由于假基因的同源基因可能是關(guān)鍵致病基因〔如腫瘤抑制基因或癌基因〕，通過(guò)ceRNA調(diào)節(jié)，假基因也能在病理經(jīng)過(guò)中發(fā)揮一定作用。如PTEN的假基因PTENP1，與PTEN一樣具有抑制腫瘤的特性，并在一些人類腫瘤中選擇性缺失。對(duì)其他假基因的研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)KRAS的假基因KRAS1P的3′UTR，能增加KRAS轉(zhuǎn)錄物的表達(dá)，并加速細(xì)胞的增殖速度，影響腫瘤的發(fā)生。對(duì)干細(xì)胞多效轉(zhuǎn)錄因子OCT4的研究發(fā)現(xiàn)，其假基因OCT4-pg4在肝癌中被異常激活，且其表達(dá)水平與OCT4呈正相關(guān)。由于OCT4和OCT4-pg4都能被miR-145作用，因而OCT4-pg4作為天然的miR-145海綿保護(hù)OCT4免受miR-145的作用，使OCT4的蛋白表達(dá)水平升高，進(jìn)而促進(jìn)肝癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和腫瘤的發(fā)生。此外，整合子復(fù)合物亞基6〔Integratorcomplexsubunit6,INTS6〕相關(guān)假基因INTS6P1能與INTS6競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合miR-17-5p，發(fā)揮抑癌作用。以上研究表示清楚，假基因在基因組中并非無(wú)關(guān)緊要，其通過(guò)ceRNA的作用方式調(diào)節(jié)其同源編碼基因的表達(dá)，進(jìn)而在癌癥相關(guān)的病理經(jīng)過(guò)中發(fā)揮著重要的作用。1.2lncRNA作為ceRNAlncRNA是一類長(zhǎng)度大于200nt、由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ轉(zhuǎn)錄、保守性較低的非編碼RNA，并且其轉(zhuǎn)錄物可通太多種調(diào)節(jié)機(jī)制介入生物學(xué)經(jīng)過(guò)。目前已發(fā)現(xiàn)超過(guò)10000種lncRNA可能具有潛在的ceRNA特性，很多研究已經(jīng)證明lncRNA作為miRNA和mRNA的競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)，在病理和生理相關(guān)經(jīng)過(guò)中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，一些異常表達(dá)的疾病特異性的lncRNA通過(guò)ceRNA介導(dǎo)的相互作用在癌癥的進(jìn)程中產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在對(duì)lncRNA-BGL3的研究中發(fā)現(xiàn)，其與PTEN競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合miR-17、miR-93、miR-20a、miR-20b、miR-106a和miR-106b，并影響PTEN的表達(dá)水平及其下游PI3K/AKT信號(hào)通路，進(jìn)而影響B(tài)cr-Abl的轉(zhuǎn)化經(jīng)過(guò)和腫瘤的生成。同樣，lncRNA-HLUC在肝癌樣本和細(xì)胞系中表達(dá)顯著上調(diào)。對(duì)HLUC上調(diào)的多個(gè)機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，其ceRNA特性是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)環(huán)路的一部分：HLUC作為分子海綿抑制miR-372的表達(dá)和活性，進(jìn)而減少miR-372對(duì)cAMP依靠性蛋白激酶A催化亞基β〔cAMP-dependentproteinkinaseAcatalyticsubunitβ,PRKACB〕的抑制作用，而PRKACB能誘導(dǎo)cAMP反響結(jié)合蛋白〔cAMPresponseelementbindingprotein,CREB〕的磷酸化，在肝癌中提高CREB依靠的HULC表達(dá)上調(diào)。這些研究表示清楚，lncRNA作為ceRNA在相關(guān)信號(hào)通路和環(huán)路中發(fā)揮作用，影響癌癥的進(jìn)程。除了在癌癥進(jìn)程中的作用，lncRNA亦可作為ceRNA在一些生理經(jīng)過(guò)中發(fā)揮重要作用。如內(nèi)源性lncRNALinc-MD1以ceRNA的方式調(diào)控肌肉分化的經(jīng)過(guò)。Linc-MD1能分別結(jié)合miR-133和miR-135，進(jìn)而與它們的靶基因——決定因子樣蛋白-1〔Mastermind-likeprotein1,MAML1〕和肌細(xì)胞特異性加強(qiáng)因子2C〔Myocyte-specificenhancerfactor2C,MEF2C〕產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性效應(yīng)。在對(duì)另一個(gè)lncRNA——H19的研究中發(fā)現(xiàn)，其不僅作為let-7的分子海綿調(diào)節(jié)let-7的表達(dá)，而且使let-7的靶基因HGMA2和Dicer在蛋白水平表達(dá)上調(diào)。由于let-7的表達(dá)通常與細(xì)胞的分化狀態(tài)相關(guān)[，在小鼠肌源性細(xì)胞C2H2中的研究中發(fā)現(xiàn)H19的缺失與過(guò)表達(dá)let-7產(chǎn)生的效果一致，均可顯著增加肌球蛋白重鏈(Myosinheavychain,MHC)和肌細(xì)胞生成素〔Myogenin,MyoG〕的表達(dá)，進(jìn)而加速肌肉分化。以上lncRNA作為ceRNA在肌肉分化中的作用講明lncRNA以ceRNA角色介入生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)，可以能在其他生物學(xué)經(jīng)過(guò)中發(fā)揮作用。1.3CircRNA作為ceRNACircRNA是一類由特殊的選擇性剪切產(chǎn)生的非編碼RNA，與線性RNA不同的是：circRNA呈封閉環(huán)狀構(gòu)造，不受RNA外切酶的影響，表達(dá)更穩(wěn)定。研究表示清楚，某些特殊的circRNA分子富含miRNA結(jié)合位點(diǎn)，在細(xì)胞中起到miRNA海綿的作用，進(jìn)而解除miRNA對(duì)其靶基因的抑制作用，升高靶基因的表達(dá)水平，是一類高效率的ceRNA[34]。如小腦變性相關(guān)蛋白1反義鏈〔Cerebellardegeneration-relatedprotein1antisense,CDR1as〕包含63個(gè)保守的miR-7結(jié)合位點(diǎn)，該circRNA在細(xì)胞中和miRNA效應(yīng)物密集地結(jié)合，能有效地解除miR-7對(duì)其靶基因的抑制作用，升高靶基因的表達(dá)水平。在斑馬魚(Daniorerio)模型中〔本身不表達(dá)CDR1as〕，表達(dá)CDR1as與敲除miR-7有類似的效果，都能損傷斑馬魚中腦的發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，miR-7作為關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子廣泛介入癌癥途徑，如抑制在乳腺癌、膠質(zhì)瘤等癌癥中表達(dá)顯著上調(diào)的信號(hào)激酶P21激活激酶1〔P21-activatedkinase1,Pak1〕的表達(dá)；miR-7也能通過(guò)作用α-突觸核蛋白〔α-synuclein〕編碼的mRNA3′UTR，抑制其表達(dá)。這些研究暗示CDR1as因其ceRNA特性能有效地吸附miR-7，可能是神經(jīng)元功能的調(diào)節(jié)因子，可以能是神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥治療的潛在靶點(diǎn)。Capel等對(duì)另一個(gè)已經(jīng)知道環(huán)狀RNA性別決定區(qū)域Y(Sex-determiningregionY,Sry)的RNA研究發(fā)現(xiàn)，該RNA含有16個(gè)miR-138的結(jié)合位點(diǎn)，利用靶點(diǎn)分析實(shí)驗(yàn)和免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)證明該環(huán)狀RNA能作為miR-138的分子海綿，抑制miR-138的表達(dá)。同時(shí)，Granados-Riveron等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Sry的正義鏈轉(zhuǎn)錄物和其反義鏈轉(zhuǎn)錄物類似，也能發(fā)生環(huán)化并作為miR-138的分子海綿起作用。目前結(jié)合最新生物信息學(xué)工具和相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在基因組中發(fā)現(xiàn)成千上萬(wàn)種circRNA在特定組織或特定發(fā)育階段穩(wěn)定表達(dá)，這暗示circRNA在基因組中的含量很豐富，并非RNA選擇性剪接產(chǎn)生的隨機(jī)物，它在一定程度上可能介入基因的表達(dá)調(diào)控。如利用RNA轉(zhuǎn)錄組測(cè)序〔RNAsequence,RNA-seq〕數(shù)據(jù)分析果蠅circRNA的生物合成和功能，發(fā)現(xiàn)其circRNA上含有大量保守的miRNA結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)果顯示circRNA作為潛在的高效ceRNA分子，對(duì)其進(jìn)一步的生物學(xué)功能研究具有重要意義。以上非編碼RNA作為ceRNA及其生物學(xué)功能見表2。2ceRNA的調(diào)節(jié)目前，很多研究已表示清楚ceRNA之間的相互作用，但對(duì)于哪些因素可能會(huì)影響某個(gè)RNA分子發(fā)揮其ceRNA功能仍不清楚。我們揣測(cè)構(gòu)成ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)組分的數(shù)量級(jí)、RNA3′UTR的變化以及RNA結(jié)合蛋白〔RNAbindingprotein,RBP〕的作用都有可能對(duì)ceRNA構(gòu)成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生重要的影響。2.1ceRNA、miRNA和MRE的數(shù)量ceRNA和miRNA的表達(dá)水平會(huì)影響ceRNA網(wǎng)絡(luò)的交互作用。當(dāng)總的轉(zhuǎn)錄物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)miRNA數(shù)量時(shí)，整體的ceRNA關(guān)系很弱，由于只要數(shù)量有限的miRNA起抑制作用。相反，當(dāng)miRNA的數(shù)量遠(yuǎn)大于ceRNA分子數(shù)量時(shí)，交互作用不太可能發(fā)生，由于轉(zhuǎn)錄物都處于被抑制的狀態(tài)。因而，交互調(diào)節(jié)可能發(fā)生在一個(gè)所有ceRNA和miRNA數(shù)量在近似數(shù)量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)中。Kumar等利用RNA-seq分析得到HMGA2和TGFBR3的轉(zhuǎn)錄物表達(dá)水平類似，并且共同結(jié)合的let-7家族成員的總表達(dá)水平與HMGA2和TGFBR3的表達(dá)水平在一個(gè)數(shù)量級(jí)，這進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)證實(shí)最佳的ceRNA對(duì)話可能發(fā)生在miRNA與ceRNA轉(zhuǎn)錄物豐度一致的情況下。此外ceRNA間共同的MRE數(shù)量也會(huì)影響ceRNA調(diào)節(jié)。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，Ala等[44]構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停涸撃Ｐ陀?0個(gè)ceRNA和10個(gè)miRNA共同組成，但并不是所有的ceRNA都能被這10個(gè)miRNA作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加其中某一個(gè)特定ceRNA表達(dá)時(shí)，含有更多MRE的RNA表達(dá)會(huì)顯著上升，而對(duì)于不含有共同MRE的其他RNA則幾乎沒(méi)有作用。由此講明單個(gè)RNA所含MRE的數(shù)量可以能決定其在ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用。2.23′UTR的變化目前對(duì)于ceRNA的研究主要是基于miRNA作用于RNA的3′UTR而引發(fā)的分子間競(jìng)爭(zhēng)所導(dǎo)致的相互調(diào)控。因而，RNA分子3′UTR的變化會(huì)影響ceRNA調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，RNA剪接和聚腺苷酸化這兩個(gè)經(jīng)過(guò)會(huì)影響RNA的3′UTR。RNA的剪接會(huì)影響分子的穩(wěn)定性也會(huì)減少或增加3′UTR上miRNA的結(jié)合位點(diǎn)，聚腺苷酸化常使編碼基因轉(zhuǎn)錄出更短的3′UTR。對(duì)于3′UTR變短的轉(zhuǎn)錄物，一方面，直接靶向它的miRNA會(huì)減少；另一方面，它作為ceRNA調(diào)節(jié)其他轉(zhuǎn)錄物的能力也將減弱。Mayr等在研究中發(fā)現(xiàn)，3′UTR變短的轉(zhuǎn)錄物上一些miRNA的結(jié)合位點(diǎn)消失。miRNA既能夠使mRNA降解，可以以抑制mRNA的翻譯。在不同組織和基因間的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3′UTR變短的轉(zhuǎn)錄物的穩(wěn)定性更強(qiáng)，并且編碼更多的蛋白質(zhì)。因而，無(wú)論是3′UTR上序列的變化還是長(zhǎng)度的變化，都可能影響ceRNA發(fā)揮其功能。2.3RBP與miRNA間的相互影響RBP在很多轉(zhuǎn)錄后經(jīng)過(guò)中起著重要作用，包括影響RNA剪接、穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)運(yùn)和翻譯。RNA間除了相互競(jìng)爭(zhēng)共同的miRNA，可以能競(jìng)爭(zhēng)共同的RBP。這兩個(gè)調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)可能不是分開的，它們之間也存在著內(nèi)在的聯(lián)絡(luò)[17]。RBP不僅與miRNA通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)或合作結(jié)合特異性位點(diǎn)影響它們靶向的mRNA表達(dá)，還可能由于RBP的結(jié)合導(dǎo)致RNA二級(jí)構(gòu)造的改變，進(jìn)而改變了miRNA的結(jié)合位點(diǎn)。由于RBPHuR發(fā)現(xiàn)得較早，在這方面的研究較多。研究發(fā)現(xiàn)RBPHuR和miRNA之間的競(jìng)爭(zhēng)通常能加強(qiáng)基因的表達(dá)，如HuR分別與miR-122、miR-548c、miR-494、miR-16和miR-331-3p競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合陽(yáng)離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱα(TopoisomeraseIIalpha,TOP2A)、核仁素〔Nucleolin,NCL〕、環(huán)氧合酶-2〔Cyclooxygenase-2,COX2〕和ERBB2的mRNA，抑制相應(yīng)miRNA作用于這些mRNA，進(jìn)而促進(jìn)mRNA合成；而HuR和miRNA間的結(jié)合通常降低它們靶向mRNA的表達(dá)，如HuR能作用C-MYCmRNA3′UTR，上調(diào)其表達(dá)，但當(dāng)HuR與let-7的RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體〔RNA-inducedsilencingcomplex,RISC〕作用時(shí)，會(huì)抑制C-MYC的表達(dá)[56]。上述研究講明，RBP可能通過(guò)與miRNA相互影響，進(jìn)而在ceRNA網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。3結(jié)語(yǔ)目前ceRNA的研究仍然處于起步階段，每種ceRNA的類型如假基因轉(zhuǎn)錄物、lncRNA、circRNA等的研究例子都較少。一方面需要發(fā)現(xiàn)更多類型的ceRNA，另一方面需要探尋求索ceRNA穿插對(duì)話能否是一個(gè)普遍的、大型的RNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[17]。ceRNA/