非编码RNA课件

1、非编码非编码RNARNA与基因表达及其调节与基因表达及其调节 1非编码RNA 目目 录录 2 一、非编码一、非编码RNARNA概念概念 二、非编码二、非编码RNARNA分类分类 三、非编码三、非编码RNARNA生物学功能生物学功能 四、调节性非编码四、调节性非编码RNARNA的表达的表达 五、本实验室对五、本实验室对microRNAmicroRNA的研究的研究 非编码RNA 3 Proportion of functional elements within genomes 果蝇 线虫 非编码RNA 一、一、 非编码非编码RNARNA概念概念 人类基因组中大约人类基因组中大约50%50%的的D

2、NADNA可以转录为可以转录为RNARNA，其中，其中 只有只有2%2%能够翻译成蛋白质（能够翻译成蛋白质（mRNAmRNA）, ,其余其余98%98%不能翻译成不能翻译成 蛋白质，这些蛋白质，这些不能翻译成蛋白质的不能翻译成蛋白质的RNARNA被称之为非编码被称之为非编码 RNA(non-coding RNA,ncRNA)RNA(non-coding RNA,ncRNA)。 4非编码RNA 二、二、 分分 类类 非编码非编码RNA：组成性非编码：组成性非编码RNA或管家非编码或管家非编码RNA：rRNA、tRNA、scRNA(胞质小胞质小RNA) 调节性非编码调节性非编码RNA：长链非编码：

3、长链非编码RNA(IncRNA) 短链非编码短链非编码RNA（siRNA、miRNA、piRNA） 5 核仁小分子核仁小分子RNA 端粒酶端粒酶 非编码RNA 6 参与蛋白质合成的组成性非编码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：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，组成 核糖体。核糖体。 tRNA：作为载体运输氨基酸：作为载体运输氨基酸 胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：参与）：参与 形成内质网定位合成信号识别体（形成内质网定位合成信号识别体（signal recognition particle,

4、 SRP），参与分泌性蛋白质转运。），参与分泌性蛋白质转运。 6非编码RNA 7 1. 核内小核内小RNA（small nuclear RNA, snRNA）：）： 参与真核细胞参与真核细胞hnRNA（不均一核不均一核RNA）加工剪接。）加工剪接。 2. 核仁小核仁小RNA（ small nucleoar RNA, snoRNA）：）： 参与参与rRNA加工修饰，参与加工修饰，参与tRNA和和snRNA修饰。修饰。 3. 催化性小催化性小RNA（ribozyme）：）： 催化特定催化特定RNA降解，在降解，在RNA剪接修饰中发挥作用。剪接修饰中发挥作用。 参与参与RNA加工的组成性非编码加工的

5、组成性非编码RNA 7非编码RNA 分分 类类 高等生物体内具有调控作用的非编码高等生物体内具有调控作用的非编码RNARNA分子种类分子种类 繁多，主要包括：繁多，主要包括： 1.1.长度大于长度大于200200个核苷酸的长链非编码个核苷酸的长链非编码RNARNA（IncRNAIncRNA） 和少于和少于200200个核苷酸的短链非编码个核苷酸的短链非编码RNARNA； 2.2.短链非编码短链非编码RNARNA又分为微小又分为微小RNARNA（microRNAmicroRNA）、内源）、内源 性小干扰性小干扰RNARNA（endo-siRNAendo-siRNA）、）、PIWIPIWI相互作用

6、相互作用RNARNA （piRNApiRNA）、核仁小分子）、核仁小分子RNA(snoRNA)RNA(snoRNA)等。等。 8非编码RNA 分分 类类 按按ncRNA的功能可分为：的功能可分为： 催化催化RNA(cRNA)，类似，类似mRNA的的RNA，指导，指导RNA（gRNA），）， tmRNA，端粒酶，端粒酶RNA，信号识别颗粒，信号识别颗粒RNA（SRPRNA），细胞核），细胞核 小分子小分子RNA，核仁小分子，核仁小分子RNA，microRNA，小干扰，小干扰RNA(siRNA) 等等等等。 9非编码RNA 近年来大量研究表明非编码近年来大量研究表明非编码RNARNA在表观遗传学修

7、饰中扮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。达进行调控，决定细胞分化的命运。 非编码非编码RNARNA在表观遗传学中的作用在表观遗传学中的作用 三、三、 生物学功能生物学功能 10非编码RNA 1. 影响染色体的结构影响染色体的结构 2. 调控转录调控转录 3. 参与参与RNA的加工、修饰的加工、修饰 4. 参与参与mRNA的稳定和翻译调控过程的稳定和翻译调控过程 5. 在细胞发育和分化中的调控作用在细胞发育和分化中的调控作用 6. 与肿瘤的发生发展的关系与肿瘤的发生发展的关系

8、 生物学功能生物学功能 11非编码RNA 1 1、影响染色体的结构、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，其中的核蛋白体，其中的RNA是完整端粒酶的一部分，作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为合成染色体端部的模板，通过逆转录作用合成端 粒粒DNA并添加到染色体末端，使端粒的长度保持稳并添加到染色体末端，使端粒的长度保持稳 定。定。 生物学功能生物学功能 12非编码RNA 2 2、调控转录、调控转录 非编码非编码RNA通过与转录因子的相互作用而调通过与转录因子的相互作用而调 控转录。相对

9、而言，非编码控转录。相对而言，非编码RNA的启动子区一般的启动子区一般 比编码蛋白质的比编码蛋白质的mRNA启动子保守，其上有转录启动子保守，其上有转录 因子结合位点。因子结合位点。 生物学功能生物学功能 13非编码RNA 3 3、参与、参与RNARNA的加工、修饰的加工、修饰 核酶主要是通过核酶主要是通过RNA的自我裂解、自我剪接等而的自我裂解、自我剪接等而 实现转录后加工的。非编码实现转录后加工的。非编码RNA是通过与修饰点附近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的序列结合形成碱基对而实现其功能的。 14 生物学功能生物学功能 非编码RNA 4、参与、参与mRNA的稳定和

10、翻译调控过程的稳定和翻译调控过程 通过与它们的靶通过与它们的靶mRNA在不同位置形成互补的碱基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。结构的形成而激活翻译。 15 生物学功能生物学功能 非编码RNA 5 5、在细胞发育和分化中的调控作用、在细胞发育和分化中的调控作用 许多许多miRNA在生物体内有着时序性或组织特在生物体内有着时序性或组织特 异性表达。异性表达。miRNA主要在转录后水平调控蛋白基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因表达。如今已鉴定了系列与

11、细胞分化有关的 miRNA，如，如miRNA-143和和miRNA-145参与调控平参与调控平 滑肌细胞的分化。滑肌细胞的分化。 16 生物学功能生物学功能 非编码RNA 6 6、与肿瘤的发生发展的关系、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发现在乳腺癌、肺癌、子宫癌和子宫颈癌患 者中，位于染色体者中，位于染色体11q24上的上的miRNA的一个亚位点的一个亚位点 缺失，说明缺失，说明miRNA起到了肿瘤阻抑物的作用。起到了肿瘤阻抑物的作用。 17 生物学功能生物学功能 非编码RNA 四、调节性非编码四、调节性非编码RNARNA调控蛋白质编码基因的表达调控蛋白质编码基因

12、的表达 1.IncRNA（Long non-coding RNA） 2.siRNA 3.微微RNA（microRNA） 4.piRNA 18非编码RNA 1. IncRNA（Long non-coding RNA） 19非编码RNA IncRNA（Long non-coding RNA） IncRNA：是一类本身不编码蛋白、转录本长度超：是一类本身不编码蛋白、转录本长度超 过过200nt的长链非编码的长链非编码RNA分子，它可在多层（表观分子，它可在多层（表观 遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因 的表达。的表达。 20非编码RNA 1. I

13、ncRNA起初被认为是基因组转录的起初被认为是基因组转录的“噪音噪音”，是，是 RNA聚合酶聚合酶转录的副产物，不具有生物学功能。转录的副产物，不具有生物学功能。 2. 近年来研究表明，近年来研究表明，IncRNA参与参与X染色体沉默、基因染色体沉默、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，内运输等多种重要的调控过程，IncRNA的这些调控的这些调控 作用也开始引起人们的广泛关注。作用也开始引起人们的广泛关注。 21 IncRNA（Long non-coding RNA） 非编码RNA 22 IncRNA（Lo

14、ng non-coding RNA） lncRNAlncRNA的特点：的特点： 1. 长链非编码长链非编码RNA的分子大小差异巨大的分子大小差异巨大 2. 长链非编码长链非编码RNA分布在胞核和胞质中分布在胞核和胞质中 3. 长链非编码长链非编码RNA没有统一命名规则没有统一命名规则 4. 长链非编码长链非编码RNA可与不同的分子相互作用可与不同的分子相互作用 非编码RNA 23 IncRNA（Long non-coding RNA） 许多许多IncRNA 都具有保守的二级结构，剪切形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式以及亚细胞定位。根据它们在基因组上

15、相对于蛋 白编码基因的位置，可以将其分为白编码基因的位置，可以将其分为5种类型：种类型： 1. 正义（正义（Sense）IncRNA 2. 反义（反义（Antisense）IncRNA 3. 双向（双向（Bidirectional）IncRNA 4. 基因内（基因内（Intronic）IncRNA 5. 基因间（基因间（Intergenic）IncRNA 非编码RNA 24 IncRNA（Long non-coding RNA） 图中图中 编码编码RNARNA和非编码和非编码RNARNA外显子分别用蓝色和红色表示外显子分别用蓝色和红色表示 非编码RNA 1 1、编码蛋白的基因上游启动子区转录，

16、干扰下游基因的表达；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、抑制RNA聚合酶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；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、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；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、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酶的作用下产生内源性siRNA 5、与特定蛋白质结合，、与特定蛋白质结合，IncRNA转录本可调节相应蛋白的活性；转录本可调

17、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；、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；、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、作为小分子RNA（如（如miRNA、piRNA）的前体分子。）的前体分子。 IncRNAs:functional surprises from the RNA world 25非编码RNA 26 IncRNA（Long non-coding RNA） IncRNA与疾病与疾病 大量研究表明，在肿瘤细胞中，某些特定的大量研究表明，在肿瘤细胞中，某些特定的 IncRNA的表达水

18、平会发生改变。这种表达水平的变化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，如前列腺癌中的标志物，如前列腺癌中的DD3）和潜在的药物靶点。）和潜在的药物靶点。 非编码RNA 2. siRNA 27非编码RNA siRNA：是一类外源性的双链小分子：是一类外源性的双链小分子RNA，它的长度，它的长度 一般为一般为21-25nt。它在。它在RNA干扰途径中通过引导目的基因干扰途径中通过引导目的基因 mRNA的降解，以抑制的降解，以抑制mRNA的表达。的表达。 siRNA可经由多种不同转染（可经由多种

19、不同转染（transfection）技术导）技术导 入细胞内，并对特定基因产生专一性的基因敲除入细胞内，并对特定基因产生专一性的基因敲除 （knockdown）效果，这使）效果，这使siRNA成为研究基因功能与药成为研究基因功能与药 物目标的一项重要工具。物目标的一项重要工具。 28 siRNA 非编码RNA 29 siRNA 非编码RNA 3. 微小微小RNA（microRNA） 30非编码RNA 31 微小微小RNA（microRNA） 2001年年10月月science报道了三个实验室从线虫、果报道了三个实验室从线虫、果 蝇和人体克隆的几十个类似蝇和人体克隆的几十个类似C.elegan的

20、的lin-4的小的小RNA基因，基因， 称为称为microRNA。 随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物等多种生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物物种中鉴别出数百个miRNAs。 模式生物模式生物 人人 小鼠小鼠 大鼠大鼠 果蝇果蝇 线虫线虫 拟南芥拟南芥 miRNA 207 214 186 78 116 111 20022002年年 非编码RNA 概念：概念：miRNA是长约是长约21-25nt的单链的单链RNA，其中，其中 50%定位于易发生结构改变的染色体区域。定位于易发生结构改变的染色体区域。 特点：特点：miRNA是内源性的，是生物体基因的表是内

21、源性的，是生物体基因的表 达产物；达产物；miRNA是由不完整的发卡状双链是由不完整的发卡状双链 RNA，经，经Drosha和和Dicer酶加工而成。酶加工而成。 32 微小微小RNA（microRNA） 非编码RNA 33 微微RNA（microRNA） miRNA前体结构前体结构 非编码RNA miRNA最开始的形成是源于内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，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该发卡结构在细胞核内经Drosha- DGCR8复合物加工产生复合物加工产生pre-miRNA。 然后然后pre-miRNA进入细胞质，进一步进入细胞质，进一步

22、 由由Dicer酶切形成酶切形成miRNA-miRNA二聚二聚 体，最后装载至体，最后装载至Argonaute蛋白蛋白1 （AGO1）而发挥作用。）而发挥作用。 34 微微RNA（microRNA） 非编码RNA 35 微微RNA（microRNA） miRNA与靶与靶mRNA的结合具有相对特异性：的结合具有相对特异性： 1. miRNA通过通过部分互补序列部分互补序列与靶与靶mRNA结合。结合。 2. miRNA 5端端7个核苷酸（个核苷酸（2-8位）为位）为miRNA的种子区的种子区 （seed region），是识别靶），是识别靶mRNA关键序列。关键序列。 3. 一个一个miRNA可与

23、不同靶可与不同靶mRNA结合，同一家族结合，同一家族 miRNA可作用相同靶可作用相同靶mRNA。 非编码RNA 36 微微RNA（microRNA） miR-21与几种靶与几种靶mRNA的互补结合的互补结合 非编码RNA 37 Double-stranded RNA (dsRNA) binds to the protein Dicer Cleaves dsRNA into smaller fragments. One of the RNA strands is loaded into a RISC complex Links the complex to the mRNA strand by

24、 basepairing. mRNA is cleaed and destroyed.No protein can be synthesized. miRNA-induced transcriptional inhibition 非编码RNA 38 脂质相关脂质相关miRNA 非编码RNA 39 微微RNA（microRNA） 1. SREBP 是位于内质网的胞内胆固醇敏感器，可作为是位于内质网的胞内胆固醇敏感器，可作为 转录因子增强转录因子增强LDLR在胞膜表面的表达，促进血浆在胞膜表面的表达，促进血浆 LDL 向胞内转运。向胞内转运。 2. miR-33 嵌入嵌入SREBP 内含子区，靶向

25、内含子区，靶向ABCA1调控调控 HDL合成及胆固醇逆转运过程。体外过表达合成及胆固醇逆转运过程。体外过表达miR-33 可抑制细胞可抑制细胞ABCA1表达，使胆固醇逆转运减少。表达，使胆固醇逆转运减少。 miRNA 与胆固醇转运与胆固醇转运 非编码RNA 目前研究表明目前研究表明 1. 哺乳动物细胞内哺乳动物细胞内miRNA的调控机制反映了的调控机制反映了 miRNA的特异装载蛋白的特异装载蛋白AGO以及以及miRNA与与 mRNA之间的互补程度；之间的互补程度； 2. miRNA可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑；可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑； 3. miRNA可通过调控可通过调控D

26、NA甲基化酶的表达而影响甲基化酶的表达而影响 DNA甲基化。甲基化。 40 微微RNA（microRNA） 非编码RNA 4. piRNA 41非编码RNA 1. piRNA是近年来在哺乳动物细胞内发现的长度约为是近年来在哺乳动物细胞内发现的长度约为 24-31nt的的RNA分子，因在生理状态下能与分子，因在生理状态下能与piwi蛋白蛋白 偶联，故命名偶联，故命名piRNA。 2. 由于由于Piwi为一表观遗传学调控因子，能与为一表观遗传学调控因子，能与PcG蛋白共蛋白共 同结合于基因组同结合于基因组PcG应答元件上，协助应答元件上，协助PcG沉默同源沉默同源 异型基因，因此推测与异型基因，因

27、此推测与Piwi相关的相关的piRNA也应具有也应具有 表观遗传学的调控作用。表观遗传学的调控作用。 42 piRNA 非编码RNA 非编码非编码RNA的比较的比较 43非编码RNA 五、本实验室对五、本实验室对microRNA的研究的研究 44非编码RNA -8- 1.1 1.1 生物信息学预测生物信息学预测 Figure 1 Figure 2 Figure 4 Figure 6 Figure 5 miR-19b ABCA1 3UTR 靶向结合 45非编码RNA 3.4 miR-19b对对apoE-/-鼠主动脉组织鼠主动脉组织ABCA1表达的影响表达的影响 -31- Figure 36 an

28、ti-miR-19b 主动脉ABCA1表达 miR-19b 主动脉ABCA1表达 46非编码RNA 3.2 miR-19b对对apoE-/-鼠血脂水平变化的影响鼠血脂水平变化的影响 BW(g)TG(mmol/l)TC(mmol/l)HDL-C(mmol/l)LDL-C(mmol/l) Con31.064.111.030.1521.921.302.020.2519.352.06 Ago29.583.071.070.1023.061.241.340.21*21.532.13* Ant28.733.311.040.1219.031.053.050.27*15.141.98* -26- Table 3. miR-19b对apoE-/-小鼠血浆脂质水平的影响（ S）X anti-miR-19b HDL-c 、LDL-c miR-19b HDL-c 、LDL-c 47非编码RNA 3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变的影响 -27- Figure 32 anti-miR-19b 主动脉AS病变 miR-19b 主动脉AS病变 48非编码RNA Figure 33 anti-miR-19b 主动脉AS病变 miR-19b 主动脉AS病变 3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变