长片段非编码RNA及其功能

1、长片段非编码RNA及其功能陈龙(河南省周口师范学院生命科学系466000摘要本文主要介绍了长片段非编码RNA的特性、功能以及与一些疾病的关系。关键词长片段非编码RNA转录调控疾病发生长片段非编码RNA(long noncoding RNA,ln2 cRNA一般是指长度超过200个核苷酸的非蛋白质编码RNA,它有别于具有调控作用的小分子非编码RNA (ncRNA,如微小RNA(m i RNA、小干涉RNA(siR2 NA、核仁小RNA(snoRNA等。lncRNA像mRNA一样通常由RNA聚合酶转录生成,但其具有时空表达特异性,缺乏有义开放阅读框(ORF,不编码蛋白质,直接以RNA的形式发挥作用

2、。它们在生命活动中具有调节转录、转录后加工、蛋白质翻译等多种作用,同时与包括癌症在内的多种疾病的发生发展有关1。1长片段非编码RNA的生物学特性最新研究发现,整个人类基因组中只有1/5的基因转录物与蛋白质编码有关,即使编码蛋白质的mR2 NA其末端还含有一些非编码区域,这表明非编码序列的长度至少是蛋白质编码序列的4倍2。大规模互补DNA(cDNA测序项目显示,在老鼠基因组中有3.5万多种非编码转录物,显然lncRNA的丰富度出乎人们的意料。而且,由于很难区分蛋白质编码转录与非编码转录,这还是被保守估计的数字3。研究显示,哺乳动物的lncRNA s位于基因组内长的基因间区,基因组序列往往被分隔为

3、许多不同的编码和非编码部分,以正义或反义方向转录,包含蛋白编码基因在内的正义和反义转录物常形成重叠交织的网状转录复合物2。各种生物的许多小RNA(如m iRNA或snoRNA显示出很强的保守性。与此相反,lncRNA普遍缺乏保守性,这也是经常被作为其无功能的证据4。然而,研究较为清楚的lncRNA一般具有低保守性,如X染色体失活基因(X ist,这表明长片段非编码RNA可能受到不同的选择压力所致。不像mRNA不得不保留密码子的用途、还要防止单个长ORF的移码突变,lncRNA可选择保留的只是与制约结构或特异序列相互作用的小区。尽管lncRNA一般具有低保守性,许多lncRNA仍含有强保守元件。

4、已经证明哺乳动物的lncRNA在一级结构水平上具有低保守性,而二级结构具有保守性5。2长片段非编码RNA的功能2.1对转录的调控在真核生物中,RNA转录是一个严密的调控过程,ncRNA可以针对这一过程的不同方面发挥作用。可以针对转录反应的不同成分,如转录的激活剂或阻遏物、RNA聚合酶II等6。这些ncRNA与转录因子共同组成一个调控网络,精细地调控复杂的真核生物基因的表达。ncRNA通过不同的机制调节转录因子的功能,包括作为辅调节因子或通过与辅调节因子联合发挥作用,来调节转录因子的活性。例如,非编码RNA Evf-2是作为同源异型框转录因子D lx2的一个辅激活子,在前脑和神经发育中发挥重要的

5、作用7。lncRNA还可以调节毗邻的蛋白质编码基因的表达。RNA结合蛋白T LS通过结合并抑制cAMP反应元件结合蛋白(CREB和组蛋白乙酰转移酶P300活性,而抑制靶基因细胞周期蛋白D1(cyclin D1表达。通过使结合于5调控区的lncRNA s的低表达,来指导新的T LS加入到cyclin D1启动子上,以响应DNA损伤信号。此外,lncRNA与配体协同调节T LS的活性8。ncRNA也调节所有基因转录中需要RNA聚合酶II的转录因子6。这些转录因子,包括组装启动子起始复合物或参与转录延伸的成分。来自二氢叶酸还原酶(DHFR基因上游的副启动子,在DHFR主启动子内形成稳定的RNA-DN

6、A的三链结构,以防止转录辅因子TF II D的结合9。非编码RNA U1能通过RNA 聚合酶II C-末端结构域的磷酸化,特异性结合和刺激TF II H,从而诱导转录起始。热休克RNA-1(HSR-1是一个长片段非编码RNA,它以非活性状态存在于所有细胞中,但在胁迫时被激活而诱导热休克基因表达。这种激活作用涉及响应温度升高时HSR-1构象的变化,从而促使其与转录激活剂HSF-1相互作用,随后经三聚作用诱导热休克基因的表达10。2.2转录后的调控除了调节转录外,lncRNA还调控基因转录后mRNA的加工过程。它类似于m iRNA 和snoRNA等小调控RNA,常常通过与靶mRNA互补碱基配对而发

7、挥作用。非编码RNA与mRNA的互补部分形成RNA双链,可以覆盖mRNA内需要结合反式作用因子的关键元件,潜在地影响转录后基因表达的多个步骤,包括前体mRNA加工与剪接、运输、翻译和降解。mRNA的剪接可诱导其编码的蛋白质翻译和功能多样化。锌指E框结合同源异型框2(Zeb2mRNA有特别长的5非翻译区(UTR,需要保留包含核糖体进位有效翻译的5U TR内含子,内含子保留依赖于互补的内含子5剪接位点反转录表达11。因此,在骨髓发育期间,反转录的异常表达抑制剪接和诱导Zeb2mR2 NA翻译。RNA聚合酶III转录的BC1(小鼠脑中表达的ncRNA和BC200(与BC1同源的人脑表达的ncRNA,

8、分别在小鼠和人的中枢神经系统中表达。BC1序列与各种特异神经元mRNA区域间的互补,提示BC1以翻译抑制为目标。最近研究表明,在纹状体中,BC1与树突内控制多巴胺D2受体介导的传输效率的翻译抑制有关,并且删除BC1RNA的小鼠显示出行为改变12。lncRNA在siRNA介导中的基因调控中发挥作用。在单链RNA中除了覆盖关键元件外,在果蝇和小鼠卵母细胞中形成双链RNA,也可以产生内源性的siRNA。互补序列的退火,如转录物间的反义或重复区形成的RNA双链,可能通过D icer-2加工成内源siRNA。另外,这种lncRNA也可以加工成esi-1、esi-2(来自于esi-1和esi-2位点的转录

9、物等si RNA转录物13。来自于转录物产生的内源siRNA在抑制生殖细胞系基因组中移动转座子元件的传播有重要的作用。表观遗传修饰包括组蛋白和DNA的甲基化、组蛋白乙酰化和类泛素化,影响染色体生物学的众多方面,主要通过大区域染色质重塑来调节许多基因的表达。最近,人们开始认识到RNA以一定的方式参与了染色质的修饰途径14。普遍存在的与蛋白编码基因关联的lncRNA,可能有助于发育期间调节基因表达的染色质局部修饰。最近对白血病中p15基因的反向表达谱和一个反义非编码RNA研究发现,该p15反义非编码RNA能够诱导改变异染色质和p15的DNA甲基化状态,从而调节p15的表达15。哺乳动物染色体末端部

10、分形成的端粒,对染色体稳定是必不可少的,并在老化和疾病(如癌症中发挥中心作用。现在认为端粒重复序列为端粒转录的RNA(TelRNA或端粒重复含有的RNA。这些ncRNA 是异源的,由若干亚端粒位点转录而成。在体外TelR2 NA影响端粒酶的活性,因此在染色体内可能调节端粒酶活性16。3长片段非编码RNA与疾病最近注意到许多疾病状态下lncRNA s异常表达,提示lncRNA的多方面的作用潜在地与疾病的发生相关。比较分析肿瘤细胞和正常细胞lncRNA s表达状况,发现其在多种癌症细胞中的表达发生变化。例如,结肠癌超表达非编码RNA(OCC-1在结肠癌细胞中表达量很高;前列腺特异性转录物(PCGE

11、 M1在前列腺肿瘤细胞的增殖以及群体形成相关,表明该转录物参与了调节细胞生长;在原发性肝癌细胞中高保守的与小鼠同源的激活T细胞核因子2(NEAT2高表达。尽管癌症细胞中出现了一些lncRNA s的异常表达,但其功能和潜在的致癌作用仍然不清楚。除了癌症之外,lncRNA s还在其他疾病中出现异常表达,如外膜蛋白(PR I N S基因的超表达与银屑病易感性相关。如果调节相关蛋白编码基因的lncRNA s表达,解除对有临床意义蛋白质编码基因的控制,该lncRNA可能有致病能力。调控阿尔茨海默病的关键酶分泌酶(BACE1基因表达的反义lncRNA,在阿尔茨海默氏病人的大脑中表现出高表达17,18。主要

12、参考文献ti onal sur p rises fr om the RNA world.Genes&Devel opment,23(13:14941504RNA classes and a possible functi on for pervasive transcri p ti on.Sci2 ence,316(5830:14841488of10human chr omos omes at5-nucleotide res oluti on.Science,308 (5725:11491154RNA poly merase II.Nature Structural&Molec

13、ular B i ol ogy,14(2:103105corres ponding human and mouse genom ic regi ons unalignable in p ri2 mary sequence contain common RNA structure.Genome Research, 16(7:885889RNA poly merase II transcri p ti on.Nature Revie ws.Molecular CellB i ol ogy,7(8:612616transcribed fr om the D lx-5/6ultraconserved

14、regi on and functi ons asa D lx-2transcri p ti onal coactivat or.Genes&Devel opment,20(11:14701484cally modify RNA-binding p r oteins in cis t o inhibit transcri p ti on.Nature,454(7200:126130of the human dihydr of olate reductase gene by a non-coding interfer2 ing transcri p t.Nature,445(7128:6

15、66670RNA s.Sciences STKE:Signal Transducti on Knowledge Envir on2 ment,2006(355:40蛋白质组学研究的相关技术进展冯雪王彬(河北省廊坊师范学院生命科学学院065000黄占景沈银柱(河北师范大学生命科学学院石家庄050016摘要蛋白质组学的特点是采用高分辨率的蛋白质分离手段,结合高效率的蛋白质鉴定技术,全景式地研究在各种特定情况下的蛋白质谱。本文就蛋白质组学研究中的双向聚丙烯酰胺凝胶电泳、质谱技术和蛋白质芯片技术的研究进展进行了综述。关键词蛋白质组学双向聚丙烯酰胺凝胶电泳质谱技术基因组中的大多数基因最终都是通过蛋白质的

16、表达、修饰和相互作用来实现其功能的。因此对蛋白质的分析已经成为生命科学研究的重要内容之一,这对解析生命现象的分子机制至关重要。随着多种生物基因组计划的实施和完成、蛋白质研究技术的发展和突破以及生物信息学的发展,人们开展了大规模的蛋白质分析,蛋白质组学随之产生。1蛋白质组学的相关技术1994年,澳大利亚Macquarie大学的W ilkins和W illiam s首先提出了蛋白质组(p roteome的概念,它源于蛋白质(p rotein基因组(genome两个词的结合,意为在一种细胞内存在的全部蛋白质。尽管蛋白质组概念提出至今只不过十多年时间,但它的研究可以追溯到二十多年前OFarrel和Kl

17、 ose各自创建的蛋白质高分辨双向凝胶电泳(t wo-di mensional gel electr ophore2 sis,2-DE。OFarrel将大肠杆菌细胞抽提物进行双向电泳后,分离到1100个蛋白质组分,从此拉开了蛋白质组研究的序幕1。蛋白质组研究中主要应用的技术包括:双向电泳(2-DE、新型质谱(MS技术、数据库设置与检索系统等。为了保证分析过程的精确性和重复性,大规模的样品处理机器人也被应用。整个研究过程包括:样品处理、蛋白质分离、蛋白质丰度分析、蛋白质鉴定等步骤。当前,蛋白质组分析虽然以双向电泳和质谱分析为其技术基础,但离不开各种先进的技术分析和图像分析软件及网络技术的支持。1

18、.1双向聚丙烯酰胺凝胶电泳双向凝胶电泳是基于第一向蛋白质的等电点不同用等电聚焦分离,第二向则按分子量的不同用S DS-PAGE分离,把复杂蛋白质混合物中的蛋白质在二维平面上分开。近年来,经过多方面改进双向凝胶电泳已成为研究蛋白质组的核心方法3,4。利用双向点脉技术来分离某一蛋白质组所有蛋白的两个关键参数是其分辨率和可重复性。在目前情况下,双向凝胶电泳的一块凝胶板(16cm x20cm可分离出30004000个,甚至上万个可检测的蛋白斑点,这与10万个基因可表达的蛋白数目相比还是太少了。20世纪80年代开始采用固定化pH梯度胶,克服了载体两性电解质阴极漂移等许多缺点而得以建立非常稳定且可随意精确

19、设定的pH梯度。据此可建立很窄pH范围的凝胶电泳,对特别感兴趣的蛋白斑点做第二轮分析,从而大大提高了分辨率,这是双向凝胶电泳技术上的一个非常重要的突破。目前双向凝胶电泳技术仍面临着挑战,如低拷贝蛋白的鉴定、极酸或极碱蛋白质的分离、极大(> 200kD或极小(<10kD蛋白的分离和难溶蛋白的检测,这类蛋白涉及一些重要的膜蛋白。基于此,国际上也重视以色谱/电泳-质谱为主的技术。1.2质谱技术质谱(mass s pectr ometry是带电原子、分子或分子碎片按质荷比(或质量的大小顺序排scri p t regulates Zeb2/Si p1gene exp ressi on during Snail1-induced ep ithelial-mesenchy mal transiti on.Genes&a