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。厂包括相对分子量较小的9以及相对分子量较大的1.2 概念：( 核内小分子 RNA(small nuclear RNA, snRNA) 、核仁小分子 RNA(small nucleolar RNAs, snoRNA) 、微 RNA(microRNA, rrdRNA) 、kpiwi-interacting RNA(piRNA)干扰小 RNA (Small interfering RNA, siRNA)长非编码 RNA(long non-coding RNA? In

2、cRNA) 等。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 个核昔酸的非编 码单链RNA 分子，通过与靶标 mRNA 的 3端非翻译区 (3-untranslat

3、ed region, 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 51 端第一个核昔酸有尿喀咙倾向性， 31 端被 2-O-fP 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 Piwl 蛋R 作 ulatory nvRNA白或 AGO3 蛋白质结合而发挥作用。siRNA : 干扰小 RNA (Small int

4、erfering RNA), 是一种小 RNA 分子，由 Dicer 酶加工而成。 双链 RNA经酚切后会形成很多小片段， siRNA 是RISC 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 个核昔酸 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 的区別主要有两点： (1) miRNA 是内源性的，是生物体基因的表达产 物：siRNA 是外

5、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 酶加工而成； siRNA 是由完全互补的长双链 RNA, 经 Dicer 酶剪切而成。1 ahk 1 CliisMfiaition of non-coding RAs hacd nn their functionsCatrgpryHousekeeping ncRNAMrmlwrsrHNAIRNAsnoRNAsnRNAtrnRNAMilin lb net ion*Serve as mRN/ scaffoldCarry and transfer amino aci

6、UModifj other RNAsJ rtulale cell rCarry anl transfer amino a-ils / carry grnctic infomiationgKNA teIonicra? ? KNAmiKNApi KN A“ RNAIncRNArRNA, ribnftomal RNA ； tRNA r transfer BN.XI snoRNA, small nucleolar RNAliticiiKite in RNA editingStable chnjiiMJsome structureNitive ngiilatr mRNA anl “ her molcvu

7、lrsInhibit tniriMiMtinn arwl l)N A rnrtliyhitiofiSilrncr complrnwntiiry target mRNARtuhtc gene expression in epi genet ics f traiis*nptional amipiiM-transc riptionid levels； snRNA, small nuclear RNA ； tn) RNA, transfrr- messrngpr BNA ； gRNA,pnde KN A ； ncRNA. non- miRNA 及 piRNA 的生物合成a： （人类） siRNA 来源

8、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 o 在细胞浆内， pre-miRNA 进一步经 Dicer酶剪切为 miRNA-miRNA* 二聚体（苴中 miRNA 为引导链 , miRNA* 为信息链），装载至 Argonaute 蛋白

9、 1 （AGO1） 而发挥作用。 c： （鼠类） piRNA 的生物合成 尚不淸楚。 piRNA 来源于单链 RNA 前体，而且不依赖于 Dicer酶。产生的初级正义和 MIWI2 均参与复制周期，在次级反义 piRNA接裂解转座子 mRNA.dsRNApiRNA 倾向于与 MILI 结合，在出生前的眾丸、 MILI中 MIWI2 比 MILI 更为丰富，次级反义 piRNA 可能直Pri-miRNA Transposon transcriptssiRNA duplexRISC loadingcomplexAG02 pre-RISCAG02RISCTGSTGS图：于红，表观遗传学 : 生物细胞

10、非编码 RNAi 周控的研究进展2、 MicroRNA 的功能2.1 miRNA 参与细胞自噬调控。在自噬的启动 (induction)x 囊泡成核 (vesicle nucleation) 、囊泡延伸 (vesicle elongation)x 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

11、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：hnRNPA1, EGFR 等。SMAD4, FOXO3, ATM, RUNX3, p53 ： EZH2, PI3K/AKT 通路 ,自噬启动期 戒泡成核期miR-290-295miR-376at )mlR-101衣泡延伸朋 自噬回收 &囊泡融合朗图：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 TGSo 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

12、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） 家族的成员试 Rb2/ pl30 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悄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-

13、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 （CDK） 的抑制，进而促进细胞增2.3.2 对抑癌基因的调节。LATS2 的表达来解除的 p53 介导的对细胞周期依赖性蛋白激酶 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。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-

14、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 表现岀抑癌作用。此外，在白血病患者、垂 体腺瘤患者中 miR-15 和miR-1 均表现岀表达的抑制。2.4 参与糖代谢的调控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/ 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

15、 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 糖激爾来调控肿瘤细胞的糖代谢。2.4.3 miRNA 通过调控丙闱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 的宜接作用靶点，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) o 目前研究表明： Argonautes 蛋白家族 (AGO1 及 AGO2),

16、 DNMT3a, 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 ofzeste homolog 2) 参与 TsiRNA 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

17、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: 主要岀现于减数分裂前的生殖细胞，虽然具有粗线期片段。piRNA 簇的分子特征，但来源于一个 完全不同的簇，具有重复4.1 piRNA 相关的 DNA 甲基化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

18、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 甲基化的特异性决立子。4.2 piRNA 参与染色体组装piRNA 基因在凋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，HPla, 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 聚合斷 II与基因组结合

19、。5. LncRNA 的功能IncRNA 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 IncRNA：(2)染色质重组的结果，即两个未转录的基因与期一个独立的基因并列而产生含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RNA： (5) 基因中插入一个转座成分而产生有功能的非编码 RNA 。多个外显子的制子产生邻近的非编码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、发冇、配子形成等过程。分子机制：图：陈晓敏等，长非编

20、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。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 辅助转录的方式或者作为一些小的调 YJ 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而特征，引导目标基因附近的染色质改变。分子支架： I

21、ncRNA 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 mlRNA 转录后相互作用方式：niRNA图：陈晓敏等，长非编码 RNA 研究进展 miRNA 介导长非编码 RNA 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 mlRNA 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：中枢神经系统发冇过程调 控、心脏发育、件骼肌发育、皮肤、造血以及脂肪

22、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。IncRNA 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，同时识別 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源 RNA(competing endogenous RNAs, ceRNA) 途径，是指ceRNA 可以通过竞争性地结合 miRNA 来调 ij 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 39TR 区的 IncRNA) 介

23、导 mTOR 通路的激活，纽 I 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 IncRNA 被发现在癌症中调肖细胞自噬： 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。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

24、( 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H19RNA 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 29 基因簇有关，还有 Qqlotl、 Air 及 A/espas 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 尤刃并不输送至胞浆， 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 失活染色体表而形成 外套 并以顺式方式介导

25、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。期有研 究报道： X 染色体失活尚存在另一机制，即 A7 刃和曲 复性形成 RNA-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 IncRNA 和小 RNA 在染色质重塑方而的作用，同时提示 RNA 调控存在着 一个更为复杂的、交互的网络。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 结合，后者促进组蛋白 H3 第

26、 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 51 末端区域与 PRC2 结合， 31 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殊的作用位点，以调节组蛋 白的修饰过程。部分 IncRNA 参与基因分子的选择性剪接，特里帕蒂等发现细胞核内的 IncRNA-MALATl 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巧基因的选择性剪接。IncRNA 在翻译后水平也有调节作用。 它可以折叠成高级结构与特沱的蛋白质结合

27、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， 的组成成分， IncRNA-Men 1/B 和相关 paraspeckle 蛋白质结合后能定位，从而在细胞核组装和解聚过程中起重要作用。IncRNA-Men 1/B 是 paraspeckle改变 paraspeckle 在细胞核内的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，是髙度在前列腺 癌中特异表达的非编码 RNA, 可以作为有效的生物标记物。有

28、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。表 1 肝疙相关的长非蝙玛 RA 列表岡(卄编网 RNAHULCTUC338VCA1CUDR HEIHMEG3HTOAIR HOTTIP MALAT-1LINC-ROR染色怡 1： 的位讯 CWChrl2Chrl9Cir5Chrl4Chrl2Chr7ChrllChrlS大小(kb)0.50.5914 271.7-1.82.379&722.8好匹中的可能作川卅超细咆中农达 1 花?間衣达常与纽织学分级及乙IH 峽化组织以及川坨细胞中衣达増加调节紬胆生 K 速战HTift 疗耐艮性与乙卄响穴相关枷它汪屜中 &达卜网 .

29、与肚化相关检側治疗效的潜化分 /标记物抑刘农达引恩细胞侵茨隆力降低化学感应性增加IH 痊细的中左达上训 . 硕测 叶便进燧肝橹細咆中农达 M与轮柱转移奴快相关低札状念卜种箱细胞的“汹 ?川关图：陈晓敏等，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 的亍端可结合 PRC2, 而英彳端可结合 LSDJ 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佝。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

30、常表达和单核昔酸变异可引起肿瘤。此外， IncRNA 和 miRNA 可协同介导抑癌基因失调。5.4 参与糖代谢的调节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，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 IncRNA 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 受腮岛素 / 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

31、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。 IncRNA 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。研究发现，人大肠癌 HT29 细胞的 CRNDE 表达受胰岛素 / IGF 调控抑制作用最明显，且发现 CRNDE 能正向调节 GLUT4 转录本水平。5.4.3 IncRNA 通过调控己糖激酶基因表达影响肿瘤细胞的糖代谢 dncRNA 也可调控肿瘤细 胞的糖代谢关键酶。研究表明，任膀胱癌细胞中，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

32、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，最终调石糖酵解。5.4.4 IncRNA 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 , UncRNA-P21 可以被低氧所诱导，它可以结合缺氧诱导因子 (HIF-1? )和 VHL ( von Hippel-Lindau) 并干扰 HIF-la 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 HncRNA-P21 间存在正反馈循环，最终促进肿瘤细胞的糖酵解。却调控基因表达的非编码 RNA英文全好 箱梅将点 基冈位童 主要作用抑制或黠与组蛋白修饰PLRNA PIW1-interacting RNA 24-32 nt. 5 ?璀第 个檢甘酸有咏哦碇 倾向性 ? T 末 氧紐甲荃化修师右絃敦相缁料 . 周圉的转 座了或右更复序列区域抑制转座了的活性 . 维 细胞和 T 细胞的 功调节合物相维持缆粒长度nuRNAIncRNAmlrroRNAlong nan- ?o ( ilrag RNA19-25 nt. 由 RNAX 仟醪I