（医学课件）非编码RNA

非编码RNA与基因表达及其调节 1 目录 2 一 非编码RNA概念二 非编码RNA分类三 非编码RNA生物学功能四 调节性非编码RNA的表达五 本实验室对microRNA的研究 3 Proportionoffunctionalelementswithingenomes 果蝇 线虫 一 非编码RNA概念 人类基因组中大约50 的DNA可以转录为RNA 其中只有2 能够翻译成蛋白质 mRNA 其余98 不能翻译成蛋白质 这些不能翻译成蛋白质的RNA被称之为非编码RNA non codingRNA ncRNA 4 二 分类 非编码RNA 组成性非编码RNA或管家非编码RNA rRNA tRNA scRNA 胞质小RNA 调节性非编码RNA 长链非编码RNA IncRNA 短链非编码RNA siRNA miRNA piRNA 5 核仁小分子RNA 端粒酶 6 参与蛋白质合成的组成性非编码RNA rRNA 是核糖体组成成分 与核糖体蛋白结合 组成核糖体 tRNA 作为载体运输氨基酸胞质小RNA smallcytoplasmicRNA scRNA 参与形成内质网定位合成信号识别体 signalrecognitionparticle SRP 参与分泌性蛋白质转运 6 7 核内小RNA smallnuclearRNA snRNA 参与真核细胞hnRNA 不均一核RNA 加工剪接 核仁小RNA smallnucleoarRNA snoRNA 参与rRNA加工修饰 参与tRNA和snRNA修饰 3 催化性小RNA ribozyme 催化特定RNA降解 在RNA剪接修饰中发挥作用 参与RNA加工的组成性非编码RNA 7 分类 高等生物体内具有调控作用的非编码RNA分子种类繁多 主要包括 长度大于200个核苷酸的长链非编码RNA IncRNA 和少于200个核苷酸的短链非编码RNA 短链非编码RNA又分为微小RNA microRNA 内源性小干扰RNA endo siRNA PIWI相互作用RNA piRNA 核仁小分子RNA snoRNA 等 8 分类 按ncRNA的功能可分为 催化RNA cRNA 类似mRNA的RNA 指导RNA gRNA tmRNA 端粒酶RNA 信号识别颗粒RNA SRPRNA 细胞核小分子RNA 核仁小分子RNA microRNA 小干扰RNA siRNA 等等 9 近年来大量研究表明非编码RNA在表观遗传学修饰中扮演了重要的角色 能在基因组水平及染色体水平对基因表达进行调控 决定细胞分化的命运 非编码RNA在表观遗传学中的作用 三 生物学功能 10 影响染色体的结构调控转录参与RNA的加工 修饰参与mRNA的稳定和翻译调控过程在细胞发育和分化中的调控作用与肿瘤的发生发展的关系 生物学功能 11 1 影响染色体的结构真核细胞的端粒酶是一种催化延长端粒的核糖核蛋白体 其中的RNA是完整端粒酶的一部分 作为合成染色体端部的模板 通过逆转录作用合成端粒DNA并添加到染色体末端 使端粒的长度保持稳定 生物学功能 12 2 调控转录非编码RNA通过与转录因子的相互作用而调控转录 相对而言 非编码RNA的启动子区一般比编码蛋白质的mRNA启动子保守 其上有转录因子结合位点 生物学功能 13 3 参与RNA的加工 修饰核酶主要是通过RNA的自我裂解 自我剪接等而实现转录后加工的 非编码RNA是通过与修饰点附近的序列结合形成碱基对而实现其功能的 14 生物学功能 4 参与mRNA的稳定和翻译调控过程通过与它们的靶mRNA在不同位置形成互补的碱基对 由阻塞核糖体结合点显示抑制翻译或防止抑制mRNA结构的形成而激活翻译 15 生物学功能 5 在细胞发育和分化中的调控作用许多miRNA在生物体内有着时序性或组织特异性表达 miRNA主要在转录后水平调控蛋白基因表达 如今已鉴定了系列与细胞分化有关的miRNA 如miRNA 143和miRNA 145参与调控平滑肌细胞的分化 16 生物学功能 6 与肿瘤的发生发展的关系发现在乳腺癌 肺癌 子宫癌和子宫颈癌患者中 位于染色体11q24上的miRNA的一个亚位点缺失 说明miRNA起到了肿瘤阻抑物的作用 17 生物学功能 四 调节性非编码RNA调控蛋白质编码基因的表达IncRNA Longnon codingRNA siRNA微RNA microRNA piRNA 18 IncRNA Longnon codingRNA 19 IncRNA Longnon codingRNA IncRNA 是一类本身不编码蛋白 转录本长度超过200nt的长链非编码RNA分子 它可在多层 表观遗传调控 转录调控以及转录后调控等 调控基因的表达 20 IncRNA起初被认为是基因组转录的 噪音 是RNA聚合酶 转录的副产物 不具有生物学功能 近年来研究表明 IncRNA参与X染色体沉默 基因组印记以及染色质修饰 转录激活 转录干扰 核内运输等多种重要的调控过程 IncRNA的这些调控作用也开始引起人们的广泛关注 21 IncRNA Longnon codingRNA 22 IncRNA Longnon codingRNA lncRNA的特点 长链非编码RNA的分子大小差异巨大长链非编码RNA分布在胞核和胞质中长链非编码RNA没有统一命名规则长链非编码RNA可与不同的分子相互作用 23 IncRNA Longnon codingRNA 许多IncRNA都具有保守的二级结构 剪切形式以及亚细胞定位 根据它们在基因组上相对于蛋白编码基因的位置 可以将其分为5种类型 正义 Sense IncRNA反义 Antisense IncRNA双向 Bidirectional IncRNA基因内 Intronic IncRNA基因间 Intergenic IncRNA 24 IncRNA Longnon codingRNA 图中编码RNA和非编码RNA外显子分别用蓝色和红色表示 1 编码蛋白的基因上游启动子区转录 干扰下游基因的表达 2 抑制RNA聚合酶 或影响染色质重构以及组蛋白修饰 影响下游基因的表达 3 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链 干扰mRNA的剪切 形成不同的剪切形式 4 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链 在Dicer酶的作用下产生内源性siRNA5 与特定蛋白质结合 IncRNA转录本可调节相应蛋白的活性 6 作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体 7 结合到特定蛋白质上 改变该蛋白质的细胞定位 8 作为小分子RNA 如miRNA piRNA 的前体分子 IncRNAs functionalsurprisesfromtheRNAworld 25 26 IncRNA Longnon codingRNA IncRNA与疾病大量研究表明 在肿瘤细胞中 某些特定的IncRNA的表达水平会发生改变 这种表达水平的变化能够作为癌症诊断的标志物 有时是非常灵敏的诊断标志物 如前列腺癌中的DD3 和潜在的药物靶点 2 siRNA 27 siRNA 是一类外源性的双链小分子RNA 它的长度一般为21 25nt 它在RNA干扰途径中通过引导目的基因mRNA的降解 以抑制mRNA的表达 siRNA可经由多种不同转染 transfection 技术导入细胞内 并对特定基因产生专一性的基因敲除 knockdown 效果 这使siRNA成为研究基因功能与药物目标的一项重要工具 28 siRNA 29 siRNA 3 微小RNA microRNA 30 31 微小RNA microRNA 2001年10月 science 报道了三个实验室从线虫 果蝇和人体克隆的几十个类似C elegan的lin 4的小RNA基因 称为microRNA 随后多个研究小组在包括人类 果蝇 植物等多种生物物种中鉴别出数百个miRNAs 概念 miRNA是长约21 25nt的单链RNA 其中50 定位于易发生结构改变的染色体区域 特点 miRNA是内源性的 是生物体基因的表达产物 miRNA是由不完整的发卡状双链RNA 经Drosha和Dicer酶加工而成 32 微小RNA microRNA 33 微RNA microRNA miRNA前体结构 miRNA最开始的形成是源于内源性的生物体基因产生的发卡结构 该发卡结构在细胞核内经Drosha DGCR8复合物加工产生pre miRNA 然后pre miRNA进入细胞质 进一步由Dicer酶切形成miRNA miRNA二聚体 最后装载至Argonaute蛋白1 AGO1 而发挥作用 34 微RNA microRNA 35 微RNA microRNA miRNA与靶mRNA的结合具有相对特异性 miRNA通过部分互补序列与靶mRNA结合 miRNA5 端7个核苷酸 2 8位 为miRNA的种子区 seedregion 是识别靶mRNA关键序列 一个miRNA可与不同靶mRNA结合 同一家族miRNA可作用相同靶mRNA 36 微RNA microRNA miR 21与几种靶mRNA的互补结合 37 miRNA inducedtranscriptionalinhibition 38 脂质相关miRNA 39 微RNA microRNA 目前研究表明哺乳动物细胞内miRNA的调控机制反映了miRNA的特异装载蛋白AGO以及miRNA与mRNA之间的互补程度 miRNA可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑 miRNA可通过调控DNA甲基化酶的表达而影响DNA甲基化 40 微RNA microRNA 4 piRNA 41 piRNA是近年来在哺乳动物细胞内发现的长度约为24 31nt的RNA分子 因在生理状态下能与piwi蛋白偶联 故命名piRNA 由于Piwi为一表观遗传学调控因子 能与PcG蛋白共同结合于基因组PcG应答元件上 协助PcG沉默同源异型基因 因此推测与Piwi相关的piRNA也应具有表观遗传学的调控作用 42 piRNA 非编码RNA的比较 43 五 本实验室对microRNA的研究 44 8 1 1生物信息学预测 Figure1 Figure2 Figure4 Figure6 Figure5 miR 19bABCA13 UTR 靶向结合 45 3 4miR 19b对apoE 鼠主动脉组织ABCA1表达的影响 31 Figure36 anti miR 19b主动脉ABCA1表达 miR 19b主动脉ABCA1表达 46 3 2miR 19b对apoE 鼠血脂水平变化的影响 26 Table3 miR 19b对apoE 小鼠血浆脂质水平的影响 S anti miR 19bHDL c LDL c miR 19bHDL c LDL c 47 3 3miR 19b对apoE 鼠动脉粥样硬化病变的影响 27 Figure32 anti miR 19b主动脉AS病变 miR 19b主动脉AS病变 48 Figure33 anti miR 19b主动脉AS病变 miR 19b主动脉AS病变 3 3miR 19b对apoE 鼠动脉粥样硬化病变的影响 28 49 Figure34 3 3miR 19b对apoE 鼠动脉粥样硬化病变的影响 anti miR 19b主动脉脂质沉积 miR 19b主动脉脂质沉积 29 50 Figure35 3 3miR 19b对apoE 鼠动脉粥样硬化病变的影响 anti miR 19bAS病灶内胶原含量 miR 19bAS病灶内胶原含量 30 51 52 Figure1 2 小鼠miRNA 467b的成熟序列 1 1成熟miR 467b的序列和LPL3 UTR基因序列 52 53 1 1成熟miR 467b的序列和LPL3 UTR基因序列 Figure1 3 小鼠LPL的3 UTR序列 53 54 Figure1 4 EMBL EBI预测的miR 467b与LPL3 UTR结合情况 1 2EMBL EBI预测的miR 467b与LPL3 UTR结合情况 Energy 11 51kal mol 54 55 Figure1 5 RNAhybrid预测的miR 467b与LPL3 UTR结合情况 1 3RNAhybrid预测的miR 467b与LPL3 UTR结合情况 Energ