非编码RNA的分类和功能总结

1、1. 非编码RNA的分类及概念1.1分类RNA分 子。非编码RNA(non-coding RNA)是指转录组中不翻译为蛋白质的-包括相对分子量较小的核内小分子 RNA(small nuclear RNA ， snRNA)、，snoRNA)、，siRNA)核仁小分子 RNA(small nucleolar RNAs微 RNA(microRNA miRNA)、 piwi-i nteracti ng RNA(piRNA)干扰小 RNA( Small interfering RNA以及相对分子量较大的长非编码 RNA(long non-coding RNA ，lncRNA)等。1.2概念：snRNA核

2、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'-UTR)特异性结合，从而引

3、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-i nteracti ngRNA)： 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AGO31白质结合而发挥作用。siRNA :干扰小 RNA(Small interferingRNA，是一种小 RNA分子，由 Dicer 酶加工而成。双链RNA经酶切后会形成很多小

4、片段，siRNA是siRISC的主要成员，激发与之互补的目标mRNA勺沉默。lncRNA: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，lncRNA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3状双链RNA经Drosha和Dicer酶加工而成；siRNA是由完

5、全互补的长双链 RNA经Dicer酶剪切而成。Itfbk 1( 1；佻乂氐朗血on rhcir 恂nrtlnn*；Ca It 押 iry11 严 rulirr*Milin firniiiiomHnurkcrpinifr n<tKNAJfvf ri* rnli N dILirn iindl Iri'LH'tirr於vhb-Hi 11( X AMdiliK til Illi- KM %： Frijljl.ulr Crl| 山哂 hfjiHNAIFth”焙 mETKpn-rirSi>TtmRSASLirr illld/mirm Ncwk ；ns tit prnrfiiir

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7、i i5- lbpl.HiPliJ 卜rRNA. nbrmiMj RNA： rRN imnsifT RX ? snrJRM A.負砂II 叫i甘Imlflcr RX K < riRIS rRIV 7 tmlRtHinsfpT-RNA. J gRMl. paid.-RY： IK TENncm廿 TVmiRNA,TiiKrnfl?i ；r riwi 忙时tinf , * ；，IRXnwJIintrrfcriTV U hrRK t hmji ninn-rnrliiiif RNA图：莫小燕等，非编码 RNA在肿瘤细胞糖代谢中的调控作用1.3 siRNA、miRNApiRNA的生物合成 a：（人类

8、）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65-70nt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

9、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 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 mRNARISC loading complfx.AGO2 pre-RISCAGO2 RISCsiRNA duplexDroshaPrl-miRWAAAAAA ,DicerPremlRNAAG01 RISCmiRNA-miRNA" duplexAG01 pre-RlSCDRCR8 一RISC loadin com

10、plex图：于红，表观遗传学：生物细胞非编码TRBPTransposon transcripts加ILIWv伦3-3,Antisense transcriptsAntisense secondarysense pIRNATransposon mRNA 5*5JsenseprimaryRNA调控的研究进展2、MicroRNA 的功能2.1 miRNA参与细胞自噬调控1。在自噬的启动(in ductio n)、囊泡成核 (vesicle nucleatio n)、囊泡延伸 (vesicleelongation)、自噬回收(Retrieval)与囊泡融合(fusion)等几个阶段中均参与调控。此外，

11、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FUNDC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，非编码 RNA与细胞自噬调控2.2参与表观遗传调控3miRNA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

12、通过调控DNA甲基化酶的表达而影响 DNA甲基化参与TGS2.3 在肿瘤中的调节机制 42.3.1 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，m

13、iR-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

14、靶向结合抗凋亡蛋白基因 MCL俐致癌基因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 62.4.1 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/ 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 m

15、iRNA-miR-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. siRNA 参与表观遗传调控 3siRNA 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, HD

16、AC-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。AGO 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

17、 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，具有重复片段。4.1 piRNA 相关的 DNA 甲基化 3piRNA 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 DNMT3及D

18、NMT3L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 5piRNA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 RN骤合酶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

19、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IncRNA; (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RNA3 。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：图：陈晓敏等，长非编码 RN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。导向作用：通过与目标分子的结合，长非编码R

20、NA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RNA聚合酶作用以辅助转录的方式或者作为一些小的调节RNA分子的互补配对靶分子；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：IncRNA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) miRNA

21、介导长非编码 RNA 降解； (b) lncRNA 通过诱捕或 miRNA 海绵作用拮抗 miRNA； (c) lncRNA-miRNA 竞争性结合 mRNA； (d) lncRNA 作为 miRNA 前体。图：陈晓敏等，长非编码 RNAff究进展此外，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 。lncRNA 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

22、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源RNA(competing endogenousRNAs, 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3BD0药物的存在下，FLJ11812 (位于基因 TGFB2的3' UTR区的lncRNA)介导mTORf路的激活，细胞自噬则受到抑制。激活的mTOR曽加了 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-4

23、459，从而达成 其对自噬的调节作用。此外，两个lncRNA被发现在癌症中调节细胞自噬：MEG3在膀胱癌细胞中抑制自噬；过表达的HULC在胃癌细胞中被发现能够促进细胞自噬。15.2 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 chromosomein active)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、Air及Nesp

24、as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R

25、NA调控存在着一个更为复杂的、交互的网络3此外，IncRNA在组蛋白修饰中发挥作用。IncRNA可以通过自身形成的茎环结构与核心蛋白抑制复合体 PRC2吉合，后者促进组蛋白 H3第27位赖氨酸残基甲基化。IncRNA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IncRNA-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 ( LSDD结合，将两个功能截然不同的组蛋白修饰物链接到特殊的作用位点，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

26、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，lncRNA-MenE / B是paraspeckle 的组成成分，IncRNA-Men E / B和相关 paraspeckle 蛋白质结合后能 改变paraspeckle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。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

27、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。轰1肝疼柑关的帙非城码RSA割裏E1节詬14RX扎'1- ： iWR卅密中的灿能悄用HUU'05日览塔独中氏达丨4冷上疋常与呼M吗叫垃射沟有WKCh/12附址比绘址以丛刖煖细輕中农达朗厘生长迫虫LtAlftTiR如g14 2T具7T化疔剧至性HFHw七£計荊研用瓷MEChil4l.ft耕握劭理申应述下，与甲矗忧相接枪疇泊疗败的潘&处f标id*HTO.VRCkr：223抑幼上达-J

28、 1站迴泾裘业力降此化学梯|“性増mHOTTIP7.9肝柱刑卿中丧诂I-UI刃倒叶燥世已MAIAT-1Qu JIB.?叶出圈勺，屮上达i/h场無柱转管复戻hi捷LINC-RORChrlS22.SM灶卜F*二自相的它需*11底图：陈晓敏等，长非编码 RNAff究进展其中，HOTAIR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4。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miRNA可协

29、同介导抑癌基因失调45.4 参与糖代谢的调节541 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， 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。542 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IncRNA也可间接调控糖代谢，而胰岛素信号通路也可反过来调控IncRNA。I

30、ncRNA大肠癌差异表达转录本(CRND)受胰岛素/胰岛素样生长因 子(IGF)调控。研究发现，人大肠癌HT29细胞的CRND表达受胰岛素/ IGF调控抑制作用最明显，且发现 CRNDEE正向调节GLUT4转录本水平。543 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-STAT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。544 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-Li ndau )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。£1谓控基因察注的非编码RMA華PW覽j京仟可pLKNAPIM-uateTaciing RM A24-32 rii, 帛 十柠甘議临珏世咤