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。包括相对分子量较小的核小分子RNA(small nuclear RNA ， snRNA) 、核仁小分子RNA(small nucleolar RNAs ， snoRNA) 、微 RNA(microRNA ， miRNA) 、piwi-interacting RNA(piRNA)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， lncRNA) 等。1.2 概

2、念：snRNA ：核小分子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

3、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 经酶切

4、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。lncRNA ：长链非编码RNA （ Long non-coding RNA ）， lncRNA 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.c.的发卡状双链RNA ，经 Drosh

5、a 和 Dicer 酶加工而成； siRNA 是由完全互补的长双链RNA ，经 Dicer 酶剪切而成。图： 莫小燕等，非编码RNA 在肿瘤细胞糖代中的调控作用1.3 siRNA 、 miRNA 及 piRNA 的生物合成 3a： (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经Drosha

6、-DGCR8 复合物加工产生 pre-miRNA 。在细胞浆，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mRNA 。.c.

7、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2.1miRNA参与细胞自噬调控1 。在自噬的启动(induction) 、囊泡成核 (vesicle nucleation) 、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，

8、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。.c.图：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

9、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， 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

10、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.c.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。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

11、制。2.4 参与糖代的调控 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。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。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miRNA-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。2.4.3 mi

12、RNA 通过调控丙酮酸激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代。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。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 (AGO1 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 (

13、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

14、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.c.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 、 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，p

15、iRNA 是生殖细胞 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 RNA 聚合酶与基因组结合。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

16、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RNA 3 。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：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.c.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RNA聚合酶作用以辅助转录

17、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： lncRNA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。lncRNA与 miRNA转录后相互作用方式：图：晓敏等，长非编码RNA 研究进展(a) miRNA 介导长非编码 RNA 降解； (b) lncRNA 通过诱捕或 miRNA 海绵作用拮抗miRN

18、A ；(c)lncRNA-miRNA竞争性结合mRNA ； (d)lncRNA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 。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，在蛋白.c.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源RNA(competingendogenousRNAs, ceRNA) 途径，是指ceRN

19、A 可以通过竞争性地结合miRNA 来调节基因的表达。lncRNA 参与细胞自噬的调控：在3BDO 药物的存在下，FLJ11812（位于基因TGFB2的 3UTR区的 lncRNA ）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。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

20、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( Genomicimprinting)和 X染色体失活 ( X chromosomeinactive) 控制表观性状，参与的这两个过程分别与H19 和 XistRNA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 H19RNA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 Nespas 基因的参与。 Xist RNA(17 kb 长的非编码 RNA) 对于哺乳动物细胞X 染色体失活非常重

21、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RNA 调控存在着一个更为复杂的、交互的网络3 。此外，

22、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的 lncRNA-MALAT1.c.能影响丝氨酸，精氨酸富含性剪接因子在细胞核

23、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-Men /是 paraspeckle 的组成成分，lncRNA-Men /和相关paraspeckle 蛋白质结合后能改变paraspeckle 在细胞核的定位，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 ，比如 PCA3 、 PCGEM1 、 PCA

24、T1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 。图：晓敏等，长非编码RNA 研究进展其中， 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

25、，lncRNA和miRNA 可协同介导抑癌基因失调4 。5.4 参与糖代的调节 65.4.1 lncRNA 通过调控癌基因表达影响肿瘤细胞的糖代。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 lncRNA 受胰岛素 /胰岛素样生长因子调控而影响肿瘤细胞的糖代。糖代与胰岛素信号.c.通路密切相关， 所以调控该通路的lncRNA 也可间接调控糖代，而胰岛素信号通路也可反过来调控lncRNA 。 lncRNA大肠癌差异表达转录本（CRNDE ）受胰岛素 /胰岛素样生长因子（ IGF ）调控。