非編碼RNA與表達(dá)調(diào)控作用

9豚碼RNA與表達(dá)調(diào)控作用張雅慧;劉昕;鐘建銘;周興濤【摘要】真核生物轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生了大量的非編碼RNA(ncRNA),種類繁多、表達(dá)及調(diào)節(jié)模式復(fù)雜多樣，且對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)是必須的，并非是轉(zhuǎn)錄的”垃圾".根據(jù)功能ncRNA可以大致分成”持家RNA"與”調(diào)控RNA".ncRNA在遺傳信息的載體(DNA和染色質(zhì))與表達(dá)產(chǎn)物(蛋白質(zhì))的相關(guān)生物過(guò)程中都有著極其重要的作用.【期刊名稱】《江西科學(xué)》【年(卷)，期】2010(028)002【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P199-202)【關(guān)鍵詞】非編碼RNA(ncRNA);反式RNA;長(zhǎng)非編碼RNA;調(diào)控【作者】張雅慧;劉昕;鐘建銘;周興濤【作者單位】南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基因表達(dá)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，江西，南昌,330031浦昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基因表達(dá)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，江西，南昌,330031;南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基因表達(dá)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，江西，南昌,330031;南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院基因表達(dá)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室,江西,南昌,330031【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】Q786多年來(lái)，研究人員對(duì)人類基因組的關(guān)注主要集中在編碼蛋白質(zhì)的基因和蛋白質(zhì)本身。隨著人類基因組計(jì)劃的完成和哺乳類轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的不斷積累，揭示出人類和其他高等真核生物的遺傳物質(zhì)只有極小一部分編碼蛋白質(zhì)[1],而超過(guò)97%的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是功能多樣的RNA分子，即非編碼RNA(non-codingRNA,ncRNA)［2］,是指不編碼蛋白質(zhì)的RNA。近年來(lái)，隨著新ncRNA分子的相繼涌現(xiàn),特別是siRNA和miRNA的發(fā)現(xiàn)，使得研究人員洞察到了ncRNA作為細(xì)胞活動(dòng)的調(diào)控因子的巨大潛力［3］,大大擴(kuò)展了人們對(duì)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，回答了人們對(duì)基因組中非編碼序列存在意義的部分困惑。對(duì)ncRNA的研究將日益成為功能基因組研究的熱點(diǎn)。ncRNA的共同特點(diǎn)是都能從基因組上轉(zhuǎn)錄而來(lái)，但是不翻譯成蛋白，在RNA水平上就能行使各自的生物學(xué)功能。ncRNA中研究得較深入的2種：反義RNA(antisenseRNA)和長(zhǎng)非編碼RNA(longnon-codingRNA,lncRNA),本文將對(duì)這兩類ncRNA做一綜述。真核生物基因表達(dá)調(diào)控與原核生物有很大的差異。真核生物基因的結(jié)構(gòu)主要包括編碼區(qū)、非編碼區(qū)和一些調(diào)控元件。ncRNA可以通過(guò)DNA水平、轉(zhuǎn)錄前水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯和翻譯后水平等途徑來(lái)調(diào)控基因的表達(dá)。反義RNA是指與mRNA互補(bǔ)的RNA分子,也包括與其它RNA互補(bǔ)的RNA分子。細(xì)胞中反義RNA的來(lái)源有2種途徑：第1種是反向轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物，在多數(shù)情況下，反義RNA是特定靶基因互補(bǔ)鏈反向轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，即產(chǎn)生mRNA和反義RNA的DNA是同一區(qū)段的互補(bǔ)鏈。第2種來(lái)源是不同基因產(chǎn)物加OMPF基因［4］是大腸桿菌的膜蛋白基因，與透性有關(guān)，其反義基因MICFZE則為另一基因。反義RNA最早是在E.coli的產(chǎn)腸桿菌素的ColEl質(zhì)粒［5］中發(fā)現(xiàn)的，此后在原核生物、真核生物中發(fā)現(xiàn)了一系列的反義RNA。反義RNA可以與正義RNA形成dsRNA來(lái)調(diào)節(jié)正義基因的表達(dá)。這種調(diào)節(jié)作用,從目前的研究來(lái)看,大多是負(fù)調(diào)控，但正調(diào)控作用也是很有可能存在的［6］。通過(guò)反義RNA控制mRNA的翻譯是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一種方式。在原核生物中反義RNA具有多種功能,例如調(diào)控質(zhì)粒的復(fù)制及其接合轉(zhuǎn)移,抑制某些轉(zhuǎn)位因子的轉(zhuǎn)位，對(duì)某些噬菌體溶菌-溶源狀態(tài)的控制等。近幾年來(lái)通過(guò)人工合成反義RNA的基因，并將其導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄成反義RNA,即能抑制某特定基因的表達(dá)，阻斷該基因的功能，有助于了解該基因?qū)?xì)胞生長(zhǎng)和分化的作用。反義RNA是如何調(diào)控基因表達(dá)的呢?因?yàn)榛虻谋磉_(dá)調(diào)控會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響而且重要的是它還會(huì)受各種順式作用元件和反式作用因子的調(diào)控，為此科學(xué)家們建立了相應(yīng)的調(diào)控模型進(jìn)行研究。在細(xì)菌中，反義RNA作為主要的調(diào)控元件來(lái)控制質(zhì)粒的數(shù)量及復(fù)制頻率，如在ColE1[7]質(zhì)粒中,ColE1質(zhì)粒的復(fù)制由RNAII啟始,RNAII會(huì)與質(zhì)粒的DNA鏈結(jié)合在RNAH酶的作用下,DNA鏈斷裂，復(fù)制開(kāi)始。反義RNAI與RNAII在5’端有70%的互補(bǔ)序列，兩者結(jié)合后，阻礙了RNAII與質(zhì)粒DNA的結(jié)合，進(jìn)而抑制了質(zhì)粒的復(fù)制。膠原蛋白a1[8]是皮膚、骨骼的重要組成部分，在雞的軟骨細(xì)胞中，正常情況下，正義的膠原蛋白almRNA的量很少而反義RNA的量很多,但當(dāng)有BrdU誘導(dǎo)時(shí)，正義的膠原蛋白almRNA的量增加,而反義RNA的量減少,說(shuō)明在不同的環(huán)境下，膠原蛋白al正義RNA和反義RNA序列的啟動(dòng)子強(qiáng)弱不同,進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)，反義RNA可能會(huì)抑制正義RNA的轉(zhuǎn)錄，使得轉(zhuǎn)錄提前終止或抑制轉(zhuǎn)錄的延伸。翻譯起始因子eIF-2a[9]中也有類似的情況。各種基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA,必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄后的加工才能成為有活性的分子。反義RNA的作用方式與衰減子的作用方式相似，以反式作用對(duì)轉(zhuǎn)錄過(guò)程本身進(jìn)行調(diào)控。研究得較深入的反義RNA調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后水平的例子是c-erbAa[10]編碼的3個(gè)相關(guān)蛋白，在c-erbAa的正義鏈上由于可變剪切可以得到U2種c-erbAamRNA:cerbAa1和c-erbAa2。在正常組織中表達(dá)或誘導(dǎo)反義rev-erbAamRNA（其3’端與c-erbAa2的最后一個(gè)外顯子互補(bǔ)）會(huì)降低c-erbAa2mRNA的量,而增加c-erbAa1mRNA的量。但c-erbApremRNA的轉(zhuǎn)錄效率及穩(wěn)定性都沒(méi)有改變，說(shuō)明rev-erbAamRNA的表達(dá)可能影響了c-erbApremRNA的加工成熟。bFGF［11］是細(xì)胞中胚層形成過(guò)程中非常重要的分裂素,其反義RNAgfg與其第3個(gè)外顯子完全互補(bǔ)，在細(xì)胞中正義和反義的RNA都組成型表達(dá)，但在受精時(shí)，反義RNA的量不變,而正義bFGFRNA降解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在正義和反義RNA互補(bǔ)區(qū)腺苷轉(zhuǎn)換成肌苷，增強(qiáng)了核酶對(duì)其雙鏈RNA的作用，使RNA降解。反義RNA在翻譯水平的調(diào)控主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)直接作用于其靶mRNA的SD序列或編碼區(qū)，直接抑制翻譯或與靶mRNA結(jié)合后導(dǎo)致該雙鏈RNA分子對(duì)RNA酶B的敏感性增加，使其降解;(2)與mRNA的SD序列上游非編碼區(qū)結(jié)合，引起mRNA構(gòu)象變化,抑制翻譯。推測(cè)可能是由于反義RNA與靶mRNA的上游序列結(jié)合后引起核糖體結(jié)合位點(diǎn)區(qū)域的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，阻止了核糖體的結(jié)合；(3)與mRNA5’端編碼區(qū),主要是與起始密碼子結(jié)合抑制翻譯起始。Lin-14蛋白［12］是—個(gè)控制線蟲(chóng)早期生長(zhǎng)的蛋白，在線蟲(chóng)生長(zhǎng)過(guò)程中歸n-14mRNA的量保持不變Lin-14蛋白的量卻顯著減少，說(shuō)明在翻譯水平上有某種調(diào)控機(jī)制在Lin-14mRNA的3’UTR存在另一基因，它和Lin-14mRNA的3’UTR中七個(gè)保守的互補(bǔ)元件LCE互補(bǔ)，反義RNA通過(guò)與正義Lin-14mRNA的3’UTR形成雙鏈進(jìn)而阻礙翻譯的進(jìn)行?？茖W(xué)家們已在人類、果蠅、小鼠、大豆、玉米［13,14］中發(fā)現(xiàn)了反義RNA,多年來(lái)，人們以為反義RNA只是細(xì)胞產(chǎn)生的垃圾RNA,隨著人們研究的深入，表明反義RNA在調(diào)節(jié)正義基因的表達(dá)中有重要的作用。許多ncRNAs非常長(zhǎng)，大概50至幾百個(gè)kb,在大多數(shù)情況下,ncRNAs的啟動(dòng)子位于各種甲基化印跡控制區(qū)域內(nèi)，此區(qū)域位于蛋白質(zhì)編碼基因的序列內(nèi)［15］。雖然許多長(zhǎng)非編碼RNA被檢測(cè)到但只有Air［16］和Kcnq1ot1［17］這兩者的功能研究得比較透徹,Air的啟動(dòng)子位于lgf2r基因的第2個(gè)內(nèi)含子中,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物與lgf2r方向相反,長(zhǎng)約108kb。有報(bào)道顯示它能影響跨度有400kb區(qū)域的重疊基因的表達(dá)。Kcnq1ot1的啟動(dòng)子位于Kcnq1基因的第10個(gè)內(nèi)含子中,其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物與Kcnq1方向相反，其長(zhǎng)約91kb。Kcnqlotl的啟動(dòng)子在母本染色體上被甲基化而在父本染色體上非甲基化，在父本中Kcnq1ot1RNA產(chǎn)物與8~10個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因的沉默相關(guān)聯(lián)。與Xist-介導(dǎo)的XCI一樣,Kcnq1ot1產(chǎn)物與異染色體組蛋白修飾(H3K9me3和H3K27me3)的富集相關(guān)聯(lián)。有數(shù)據(jù)顯示長(zhǎng)的ncRNAs能起到指導(dǎo)和連接的作用。首先，長(zhǎng)的ncRNAs能一直連接在轉(zhuǎn)錄的位點(diǎn)上并特異的調(diào)節(jié)等位基因的表達(dá)，而蛋白質(zhì)和小的RNAs卻不能。其次，長(zhǎng)ncRNAs能對(duì)跨度很長(zhǎng)的大片段進(jìn)行調(diào)控作用并能對(duì)細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行精確的時(shí)空調(diào)控，蛋白質(zhì)仍然沒(méi)有這種能力。這些功能暗示了長(zhǎng)的ncRNAs比小的RNAs和蛋白質(zhì)能更好的作為表觀遺傳的調(diào)節(jié)因子，尤其是對(duì)同座及等位基因特異性的控制。在后基因組時(shí)代，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注于細(xì)胞為什么會(huì)消耗如此多的能量產(chǎn)生大量的ncRNA。這些ncRNAs僅僅是基因組活動(dòng)產(chǎn)生的無(wú)用的二級(jí)產(chǎn)物嗎?還是它們編碼了有用的信息并對(duì)表觀基因組具有重要的作用?值得深入研究。ncRNA在真核生物基因組中使基因之間能直接的相互作用并行使多重功能，是細(xì)胞內(nèi)一種內(nèi)源的控制因子。通過(guò)一系列復(fù)雜的遺傳表型分析發(fā)現(xiàn)這些RNA參與了共抑制,轉(zhuǎn)基因的沉默,RNA干擾，印跡作用和甲基化作用。在高等真核生物中存在基于RNA信號(hào)控制的更高級(jí)有序的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們參與調(diào)節(jié)RNA-DNA、RNA-RNA、RNA-蛋白質(zhì)之間的相互作用以及染色體重塑。自然界中存在著眾多的ncRNA,如何鑒定所有的ncRNA及其功能是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多已解釋或未能解釋的現(xiàn)象中都可能潛伏著ncRNA的作用。因此，在生物學(xué)研究中，應(yīng)該將ncRNA納入考慮的范圍。"noise”.Broadlyspeaking,accordingtotheirfunctions,noncodingRNAscanbedividedintotwoclasses:“housekeepingRNAs"and"regulatorynoncodingRNAs”.ThencRNAsareinvolvedintheregulationofexpressionfrommediatingchromatinmodificationstotranslation.【相關(guān)文獻(xiàn)】ShabalinaSA,SpiridonovNA.Themammaliantranscriptomeandthefunctionofnon2codingDNAsequences[J].GenomeBiol,2004,5:105.SevignaniC,CalinGA,SiracusaLD,etal.MammalianmicroRNAs:asmallworldforfine2tuninggeneexpression[J].MammGenome,2006,17:189-202.MattickJS,LoweTM,Eddy,etal.Challengingthedogma:thehiddenlayerofnonprotein-codingRNAsincomplexorganism[J].Bioessays,2003,25(10):930-938.BegicS,WorobecEA.RegulationofSerratiamarcescensompFandompCporingenesinresponsetoosmoticstress,salicylate,temperatureandpH[J].Microbiology1,2006,52:485-91.LacatenaRM,CesareniG.BasepairingofRNA1withitscomplementarysequenceintheprimerprecursorinhibitsColE1replication[J].Nature,1981,294:623-26.TerrynN,RouzeP.ThesenseofnaturallytranscribedantisenseRNAsinplants[J].TrendsPlantSci.,2000,5:394-396.EGHWagnerRW.SimonsAntisenseRNAcontrolinbacteria,phagesandplasmids[J].AnnuRevMicrobiol,1994,48:713-742.FarrellCM,LukensLN.Naturallyoccurringantisensetranscriptsarepresetinchickembryochondrocytessimultaneouslywiththedown-regulationofthealpha1Collagegene[J].J.BiolChem,1995,270:3400-3408.SilvermanTA,NoguchiM,SaferB.Roleofsequenceswithinthefirstintronintheregulationofexpressionofeukaryoticinitiationfactor2a[J].J,Biol.Chem,1992,267:9738-9742.LazarMA,HodinRA,DarlingDS,etal.Anovelmemberofthethyroid/steroidhomonereceptorfamilyisencodedbytheoppositestrandoftheratc-erbAatranscriptionunit[J].Mol,Cell.Biol.,1989,9:1128-1136.KimelmanD,KirschnerMW.AnantisensemRNAdirectsthecovalentmodificationofthetranscriptencodingfibroblastgrowthfactorinXenopusoocytes[J].Cell,1989,59:687-696.WightmanBHaI,RuvkunG.Posttranscriptionalregulationoftheheterochronicgenelin-14bylin-4mediatestemporalpatternformationinC[J].elegans,Cell.,1993,75:855-862.LehnerB,WilliamG,CampbellRD