非编码RNA的分类及其功能总结

1、1.非编码RNA的分类及概念 1.1分类 非编码RNA(non-coding RNA)是指转录组中不翻译为蛋白质的RNA分子。 广包括相对分子量较小的(核内小分子 RNA(small nuclear RNA ，snRNA)、 核仁小分子 RNA(small nucleolar RNAs ， snoRNA)、 微 RNA(microRNA ，miRNA)、 piwi-i nteracti ng RNA(piRNA) k 干扰小 RNA ( Small interfering RNA ，siRNA) 以及相对分子量较大的长非编码 RNA(long non-coding RNA , IncRNA)等

2、。 1.2概念： snRNA :核内小分子 RNA(small nuclear RNA)，它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接 体(spliceosome)的主要成分，参与 mRNA前体的加工过程。 snoRNA :核仁小分子 RNA (small nucleolar RNAs )，它在核糖体 RNA 的生物合成中发挥 作用，另外还能够指导 snRNA、tRNA和mRNA的转录后修饰。 miRNAs :微小RNA( microRNAs)，是一类由内源基因编码的长度约为22个核苷酸的非编 码单链 RNA 分子，通过与靶标mRNA 的3端非翻译区(3-untranslated region， 3

3、-UTR)特异性结合，从而引起靶标mRNA分子的降解或翻译抑制，在动植物中参 与转录后基因表达调控。 piRNAs ( Piwi-interactingRNA): piRNA 基因是一类长度为 24? 32 nt 的的单链小 RNA，有 很强的正义链和反义链专一性， 其5端第一个核苷酸有尿嘧啶倾向性， 3端被2-O- 甲基化修饰，这类末端修饰可防止成熟体 piRNA基因降解.piRNA主要与PIWI亚家 族成员Piwi蛋白或AGO3蛋白质结合而发挥作用。 siRNA :干扰小 RNA( Small interfering RNA)，是一种小 RNA分子，由Dicer酶加工而成。 双链RNA经酶

4、切后会形成很多小片段，siRNA是siRISC的主要成员，激发与之互 补的目标mRNA的沉默。 IncRNA :长链非编码 RNA （ Long non-coding RNA ）, IncRNA 是长度大于 200个核苷酸的 非编码RNA。研究表明，IncRNA在剂量补偿效应、表观遗传调控、细胞周期调控 和细胞分化调控等众多生命活动中发挥重要作用，成为遗传学研究热点。 miRNA和siRNA的区别主要有两点：（1）miRNA是内源性的，是生物体基因的表达 产物；siRNA是外源性的，来源于病毒感染、转座子或转基因靶点。（2）miRNA是由不完 整的发卡状双链 RNA，经Drosha和Dicer

5、酶加工而成；siRNA是由完全互补的长双链 RNA， 经Dicer酶剪切而成。 lable I. ( lassifitdilioii imHi-ceding RNAs based on tlwir iunclioiis Ca护即ry Membem Milin 恤叮厲応阳 Housekeeping ncRNA rltNA Serve as mKNA 咖fikJdl iKNA Giirxy and血山恤 siiaoRNA MthJIiIyRNAhr RgLilah!- er】detiili hiiRNA Pructi-HH MiRNA pttrursjr tmltXA (lam- ：mr Inir

6、iAlrr 胡叮linn afids 1 rarrv fsnnriir information 1 加ni旷i詁itR in H N A editing thuiiprasf1 RIN A Slab 1 chmninnni strurturFi RepuilatcKF) ix-BNA mild Negirtive veuliite ml?NA ond rrther mJeculea twRNA Inhibiftand DNA methylalijon siiRNA Silerricr ram卩Irnnrnlarv taq;K mUN A Inf RNA |rgijlal：fccxprfssic

7、sn in rpi羽rrirtir： Itmnscnjticmal jjndHrarisfriptitrmail IfYclh rHNAfRNA ； tHNAf trarisfrr RNA r snoRNAa snidI nurlrcjliir KNj 悴huklIJ nurlrar UNA: tmHNAj transfrr mrsMTiprT HNA： gpMA, piid(? RNAr npRNA iwn-rodin RNA； miRNA, micnoRNAt piRN.V, Plft 1 ijitrrartinp RNA； riRNA., wmall intrifeTinf HNA； J

8、nfRNAR Inn nnn-rodinp RNA 图：莫小燕等，非编码 RNA在肿瘤细胞糖代谢中的调控作用 3 1.3 siRNA、miRNA 及 piRNA 的生物合成 a：（人类）siRNA来源于长的双链 RNA分子,经Dicer酶剪切为21-25nt的双链RNA片段， Dicer酶和dsRNA结合蛋白将siRNA二聚体装载至 Argonaute蛋白（AGO2 ）而发挥作用； b：（人类）miRNA由内源性的生物体基因产生含有发卡结构的65-7Ont长的pri-miRNA，该 发卡结构在细胞核内经Drosha-DGCR8复合物加工产生pre-miRNA。在细胞浆内， pre-miRNA

9、进一步经 Dicer酶剪切为 miRNA-miRNA* 二聚体（其中 miRNA 为引导链， miRNA*为信息链），装载至Argonaute蛋白1（AGO1）而发挥作用。c：（鼠类）piRNA的生 物合成尚不清楚。piRNA来源于单链RNA前体，而且不依赖于 Dicer酶。产生的初级正义 10 / 13 piRNA倾向于与 MILI结合，在出生前的睾丸、MILI和MIWI2均参与复制周期，在次级 反义 piRNA 中 MIWI2 比 MILI 更为丰富，次级反义 piRNA可能直接裂解转座子 mRNA。 siRNA duplex AG02 RISC AG02 RISC leading AGD

10、2 pre-lRISC TRBP TGS AAAAA Drosha AAAJsA Transposon transcripts MIWI2Jmili Antisense secondary RISC complex Pre-mlRNA miRNA-rniRNA AG01 pn-RISC AG01 RISC duplex TGS Transposon mRNA sense primary 图：于红，表观遗传学：生物细胞非编码 RNA调控的研究进展 2、MicroRNA 的功能 2.1 miRNA 参与细胞自噬调控 。 在自噬的启动(induction)、囊泡成核(vesicle nueleati

11、on)、囊泡延伸(vesicle elongation)、 自噬回收(Retrieval)与囊泡融合(fusion)等几个阶段中均参与调控。 此外，miRNA也可通过其 他方式调节细胞自噬。直接调控，直接作用的位点目前发现有：对STMN1基因(该基因编 码的Stathmin蛋白被发现参与自噬调控)，DRAM2 ，IRGM，线粒体自噬受体 FUNDC1 和NIX等。间接调控，即通过对细胞分子通路中重要的调控性蛋白进行调控，从而间接地 调控自噬的过程。调控靶点有：SMAD4，FOXO3，ATM，RUNX3，p53; EZH2，PI3K/AKT 通路，hnRNP A1，EGFR 等。 图：陈月琴等，

12、非编码 RNA与细胞自噬调控 2.2参与表观遗传调控 miRNA可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑。即miRNA可通过调控组蛋白的修饰 而参与TGS。 miRNA还可通过调控 DNA甲基化酶的表达而影响 DNA甲基化参与TGS。 2.3在肿瘤中的调节机制 2.3.1对致癌基因的调节。 在肿瘤细胞中表达水平升高的miRNA被认为是致癌基因，通过抑制抑癌基因和（或） 抑制控制细胞分化和凋亡的基因来促进肿瘤进展。首先，miR-17-92群簇被认为在肿瘤细胞 调节中起重要作用，miR-17-92群簇可能通过调节两个抑癌基因-PTEN和视网膜母细胞瘤 基因（RB）家族的成员甙 Rb2/ p130的基因促

13、进肿瘤进展。PTEN通过PI3K-AKT / PKB 通 路促进凋亡。其次，miR-17-92群簇对细胞周期和增殖的作用部分是通过对E2F转录因子基 因调节实现。最后，miR-17-92群簇通过ARF-p53基因通路抑制细胞凋亡，进而促进肿瘤的 发展。此外， miR-372 和 miR-373 是另外两个致癌的 miRNA ，通过直接抑制抑癌基因 LATS2 的表达来解除的 p53 介导的对细胞周期依赖性蛋白激酶( CDK )的抑制，进而促进细胞增 殖和肿瘤进展。人类睾丸生殖细胞肿瘤的发生中涉及这一机制。 2.3.2 对抑癌基因的调节。 在肿瘤细胞中表达水平降低的 miRNA 的被认为是抑癌基

14、因， 通过抑制致癌基因和 (或) 抑制控制细胞分化和增殖的基因来抑制肿瘤进展。 let-7 的家族的 miRNA 的在许多肿瘤中表 达下调，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家族成员通过靶 向结合抗凋亡蛋白基因 MCL1 和致癌基因 TCL1 表现出抑癌作用。此外，在白血病患者、 垂体腺瘤患者中 miR-15 和 miR-1 均表现出表达的抑制。 2.4 参与糖代谢的调控 6 2.4.1 miRNA 通过调控己糖激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢 。乳腺癌细胞中白介素 -6 (IL-6 )和miR-155均可通过上调 hk2基因表达来促进糖酵解。而miR-125a

15、/ b和miR-143 是 hk2 的反向调节者。 2.4.2 miRNA 通过调控磷酸果糖激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢。人肺腺癌中肌型磷酸 果糖激酶( PFKM )和糖酵解均上调，而 miR-320a 可以下调 PFKM 表达。研究发现，另一 种 miRNAmiR-520s 可以下调 PFKP 表达。这说明有多种 miRNA 可以通过调节磷酸果糖 激酶来调控肿瘤细胞的糖代谢。 2.4.3 miRNA 通过调控丙酮酸激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢。研究发现， PKM2 mRNA 是 miR-122 的直接作用靶点，而 miR-122 通过调节 PKM2 的量来调控肿瘤细胞的糖 代谢。 3

16、. siRNA 参与表观遗传调控 3 siRNA 能在哺乳动物细胞中介导 DNA 甲基化和组蛋白修饰， 从而导致转录基因沉默 (TGS)。目前研究表明：Argonautes蛋白家族(AG01及AGO2 )，DNMT 3a，组蛋白去 乙酰化酶(Histone deacetylase-1, HDAC-1 )和/或 Polycomb 蛋白家族 (Polycomb group, PcG ) 的 EZH2 ( Enhancer of zeste homolog 2 ) 参与了 siRNA 诱导的 TGS。 AG0 在 TGS 中的作 用早于靶标启动子的组蛋白甲基化，当靶标沉默态组蛋白修饰( H3K9 甲

17、基化 ) 增加时， AGO-1 明显减少， 证明 AGO1 及 RNAPII 对 H3K9 的双甲基化是必需的。 TGS 的建立 与维持需要多种不同的蛋白：通常AGO1 、DNMT3a 及 HDAC-1 对于起始的沉默是必需 的，而 DNMT1 对于维持沉默是必需的。 4. piRNA 参与表观遗传调控 哺乳动物细胞 piRNA 分为两个亚簇：一是粗线期 piRNA 簇：主要出现于减数分裂 的粗线期，持续表达至单倍体精子细胞阶段， 一般很少有重复片段； 二是粗线前期 piRNA 簇： 主要出现于减数分裂前的生殖细胞， 虽然具有粗线期 piRNA 簇的分子特征， 但来源于一个 完全不同的簇，具有

18、重复片段。 4.1 piRNA 相关的 DNA 甲基化 3 piRNA 的生物合成假说有两个，一是 piRNA 由长单链分子产生；二是 piRNA 可能 为初级转录产物。哺乳动物细胞的基因簇并非初级 piRNA 的主要来源，而是由转座子 mRNA 产生初级正义 piRNA 参与扩增循环。 DNA 甲基酶家族（ DNMT3a 、 DNMT3b 及 DNMT3L ）在转座子甲基化的形成中起主要作用。 Piwi/piRNA 复合体能介导转座子甲基化 的形成，且Piwi途径位于DNA甲基化调节因子的上游，piRNA是生殖细胞内DNA甲基化的 特异性决定子。 4.2 piRNA 参与染色体组装 5 pi

19、RNA 基因在调节染色质组装的过程中发挥了引导作用，即piRNA 基因可募集 Piwi 蛋白，HP1a，组蛋白甲基转移酶 SU（VAR）3-9等表观调控因子到基因组的特异位点，并 阻止RNA聚合酶H与基因组结合。 5. lncRNA 的功能 lncRNA 有多种不同的来源，目前认为可能是（ 1）编码蛋白的基因结构中断而转变为 lncRNA ；（ 2）染色质重组的结果，即两个未转录的基因与另一个独立的基因并列而产生含 多个外显子的 lncRNA ；（ 3）由非编码基因复制过程中的反移位产生；（ 4）由局部的串联复 制子产生邻近的非编码 RNA ;（5）基因中插入一个转座成分而产生有功能的非编码R

20、NA。 5.1 参与细胞调控。 长非编码RNA在转录起始的调控、转录及转录后的调控中发挥着重要作用，因而影响 着各种各样的生物学过程，比如，剂量补偿、基因印迹、细胞周期、发育、配子形成等过程。 分子机制: III月向作川 ii 一廊饵分r 图：陈晓敏等，长非编码 RNA研究进展 诱饵分子：长非编码 RNA通过结合目标蛋白或 miRNA从而稀释了目标分子在细胞 内的水平，进而影响其功能。 RNA聚合酶作 导向作用：通过与目标分子的结合，长非编码RNA能指引核糖核蛋白复合体定位至 特异的目标区域，作用方式可以是顺式也可以是反式。反式作用：通过与 用以辅助转录的方式或者作为一些小的调节RNA分子的互

21、补配对靶分子；顺式作用：通过 与目标 DNA分子结合形成 RNA : DNA异源双链核酸分子， 或者RNA : DNA : DNA 异 源三链核酸分子，或者 RNA识别特异染色质的复合物表面特征，引导目标基因附近的染色 质改变。 分子支架：In cRNA的不同功能域可以结合不同的蛋白质复合体，从而提供类似分子支 架的功能，以引导相关的不同类型的大分子复合体在目标区域组装以协同发挥调控作用。 IncRNA与miRNA转录后相互作用方式： a) (b) miRXA JncRNA /z iiiKNTA (c) /z/ 1 图：陈晓敏等，长非编码 RNA研究进展 (a) miRNA介导长非编码 RNA

22、降解；(b) IncRNA通过诱捕或 miRNA海绵作用拮抗 miRNA ； (c) IncRNA-miRNA 竞争性结合 mRNA ； (d) IncRNA 作为 miRNA 前体。 此外，长非编码RNA还在人体发育中起到重要的作用，包括：中枢神经系统发育过程 调控、心脏发育、骨骼肌发育、皮肤、造血以及脂肪发育、细胞重编程等。长非编码RNA 还在表观遗传方面起着调控作用2。 In cRNA的参与细胞调控的方式：通过与单一蛋白质或蛋白复合体结合，同时识别 DNA/RNA序列，从而帮助蛋白复合体进行特异性位点的调控；或是充当分子支架，在蛋白 复合体的形成过程中起到重要的作用；此外还有一种竞争性内

23、源 RNA(competi ng en doge nous RNAs, ceRNA)途径，是指ceRNA可以通过竞争性地结合 miRNA来调节基因的表达。 IncRNA 参与细胞自噬的调控：在3BDO药物的存在下，FLJ11812 (位于基因 TGFB2 的3 UTR区的IncRNA )介导mTOR通路的激活，细胞自噬则受到抑制。激活的 mTOR增 加了 RNA结合蛋白TIA1的磷酸化水平，而 TIA1在FLJ11812的加工过程中起到了重要的 作用。进一步研究发现，FLJ11812可以通过ceRNA的途径与ATG13竞争性的结合 miR-4459， 从而达成其对自噬的调节作用。 MEG3在膀

24、胱癌细胞中抑制自噬; 此外，两个IncRNA被发现在癌症中调节细胞自噬: 过表达的 HULC 在胃癌细胞中被发现能够促进细胞自噬。 1 5.2 参与调节表观遗传 LncRNA 通过参与基因组印记 ( Genomic imprinting) 和 X 染色体失活 ( X chromosome inactive) 控制表观性状，参与的这两个过程分别与H19 和 Xist RNA 密切相关。近来有学者 在人和鼠细胞中发现 H19 RNA 是 miR-675 的前体 ， 提示 H19 RNA 可能通过 miRNA 发挥 基因调控作用。基因组印记除了与 H19 基因簇有关，还有 Kcnq1ot1 、 Ai

25、r 及 Nespas 基因的 参与。Xist RNA(17 kb长的非编码 RNA)对于哺乳动物细胞内 X染色体失活非常重要，但Xist 并不输送至胞浆， 而是与即将被它失活的 X 染色体的某个 RNA 结构域或成分相连， 在失活 染色体表面形成 “外套 ”并以顺式方式介导基因沉默。近来研究表明X 染色体失活和基因组 印记可能共享一些基因簇， 其基因沉默的机制不仅包括顺式作用， 还有反式作用。 另有研究 报道： X 染色体失活尚存在另一机制，即 Xist 和 Tsix 复性形成 RNA 二聚体，经 Dicer 酶剪 切成为小干扰 RNA， 其对于失活的 X 染色体上异染色质的修饰是必需的。这两

26、个不同的 途径或许可以协调 lncRNA 和小 RNA 在染色质重塑方面的作用，同时提示 RNA 调控存在 着一个更为复杂的、交互的网络 3。 此外， lncRNA 在组蛋白修饰中发挥作用。 lncRNA 可以通过自身形成的茎环结构与核 心蛋白抑制复合体 PRC2 结合，后者促进组蛋白 H3 第 27 位赖氨酸残基甲基化。 lncRNA 不 仅能引发组蛋白修饰，也能调节组蛋白的去修饰，位于 HoxC 位点的 lncRNA-HOTAIR 如同 分子支架，其 5 末端区域与 PRC2 结合， 3 末端区域与组蛋白赖氨酸特异性脱甲基酶 1 (LSD1 )结合，将两个功能截然不同的组蛋白修饰物链接到特

27、殊的作用位点，以调节组蛋 白的修饰过程。 部 分 lncRNA 参 与 基 因 分 子 的 选 择 性 剪 接 ， 特 里 帕 蒂 等 发 现 细 胞 核 内 的 lncRNA-MALAT1 能影响丝氨酸， 精氨酸富含性剪接因子在细胞核的分布而调节基因的选择 性剪接。 lncRNA 在翻译后水平也有调节作用。它可以折叠成高级结构与特定的蛋白质结合形成 核酸-蛋白质复合物，Paraspeckle是哺乳动物细胞核中分散的核质蛋白体，IncRNA-Men E 5 / B是paraspeckle的组成成分，IncRNA-Men E / 3和相关paraspeckle蛋白质结合后能改变 paraspec

28、kle在细胞核内的定位，从而在细胞核组装和解聚过程中起重要作用 5.3参与癌症的调控 值得注意的是，长非编码 RNA与癌症等有着密切的关系，对癌症的发生、发展及转移 产生重要的影响。有一些长非编码RNA，比如PCA3、PCGEM1、PCAT1等，是高度在前 列腺癌中特异表达的非编码 RNA，可以作为有效的生物标记物。有多种长非编码RNA在原 发性肝癌中表达水平发生了显著变化，并具有重要作用2。 表1肝癌相关的快非掃码虾九列畚冋 拴芥编科RNA 丸啊kb） 曲痊中的可腌作用 HULC chi6 0.5 M趣細咆中畏达匕调*岛盘迭常与纽纠学仆级星&艸竊世卅关 TVC53S Chrli 0.59 .

29、1卜闹ft給细以仪IH柠细咆中农达增帕谢节细胞忙艮迪惟 UCA1XWR CkP 1.4 27 Hfift疗耐晓11 HEM ChfS 1.7 与兀IH-擒带梱斤 MEG3 Chrl4 1虑 JW脸蝴胞中衣达下闊.与1卩堀化相光检和治疗效的滞在發r标记物 HTOjUR Chill 2.3 HP制农达引起细咆丘護寵力降低化学烛砲性憎加 HOTTIP CW7 7.9 叶好瀏啦中杞达1.時感测叶蛊进展 KlALAT-1 Chrtl S.7 川磴细咆中农达1：淌，与恿症具機址发掏吴 UNC-ROR Ctir)8 22.8 恆试狀态下肿瘤厠咆的止活相臭 图：陈晓敏等，长非编码 RNA研究进展 其中，HOT

30、AIR在原发性和转移性乳腺癌中高表达，且与肿瘤转移和低生存率相关，研 究发现HOTAIR的5端可结合 PRC2，而其3端可结合LSD1。HOTAIR的双向功能可能 有利于对组蛋白进行修饰，从而促进肿瘤的转移。 INK4b-ARFINK4a的表达产物参与构成肿瘤抑制网络， 调控细胞重要生物学过程，如细 胞凋亡、干细胞再生等。 ANRIL的异常表达和单核苷酸变异可引起肿瘤。此外，IncRNA和 miRNA可协同介导抑癌基因失调 口。 5.4参与糖代谢的调节 6 5.4.1 IncRNA通过调控癌基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢。癌基因c-Myc的是Myc蛋白家 族的重要成员之一，在细胞周期，血管生成，

31、细胞代谢和细胞凋亡中发挥着重要作用。研究 发现，c-Myc可以直接调控参与糖代谢的基因，而前列腺癌特异性lncRNA-前列腺癌基因 表达标志1（ PCGEM1 ）通过激活c-Myc促进前列腺癌细胞有氧糖酵解的糖摄取。 5.4.2 IncRNA受胰岛素/胰岛素样生长因子调控而影响肿瘤细胞的糖代谢。糖代谢与胰岛素 信号通路密切相关，所以调控该通路的lncRNA也可间接调控糖代谢，而胰岛素信号通路也 可反过来调控lncRNA。IncRNA大肠癌差异表达转录本（CRNDE ）受胰岛素/胰岛素样生长 10 / 13 因子(IGF)调控。研究发现，人大肠癌HT29细胞的CRNDE表达受胰岛素/IGF调控抑

32、制 作用最明显，且发现 CRNDE 能正向调节 GLUT4 转录本水平。 5.4.3 lncRNA 通过调控己糖激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢。 lncRNA 也可调控肿瘤细 胞的糖代谢关键酶。研究表明，在膀胱癌细胞中，尿路上皮癌相关1转录本(UCA1 )可以 通过诱导肾小管上皮表达增强糖酵解。机制研究发现，UCA1 通过 mTOR-STAT3 通路诱导 HK2 基因表达，抑制 miR-143 可提高 HK2 蛋白水平，最终调节糖酵解。 5.4.4 lncRNA 通过调控缺氧诱导因子表达影响肿瘤细胞的糖代谢。 研究发现， lincRNA-P21 可以被低氧所诱导，它可以结合缺氧诱导因子 -1 (HIF-1 a )和VHL ( von Hippel-Lindau ) 并干扰 HIF-1 a与VHL间的相互作用来稳定 HIF-1 a，且在低氧条件下，HIF-1 a和 lincRNA-P21 间存在正反馈循环，最终促进肿瘤细胞的糖酵解。 表】潤控基因表达的非ifiiRNA 英文全席 工妾作甲 plKNA PIWl-lnterKtla RNA 24-32皿5耳第 有尿曜吨 札帔甲墓化惟能 暑甘料和增脱冏掛的转 谨了或K里灵序