非編碼RNA的分類與功能總結(jié)

...wd......wd......wd...1.非編碼RNA的分類及概念1.1分類非編碼RNA(non-codingRNA)是指轉(zhuǎn)錄組中不翻譯為蛋白質(zhì)的RNA分子。包括相對分子量較小的核內(nèi)小分子RNA(smallnuclearRNA，snRNA)、核仁小分子RNA(smallnucleolarRNAs，snoRNA)、微RNA(microRNA，miRNA)、piwi-interactingRNA(piRNA)干擾小RNA〔SmallinterferingRNA，siRNA〕以及相對分子量較大的長非編碼RNA(longnon-codingRNA，lncRNA)等。1.2概念：snRNA：核內(nèi)小分子RNA(smallnuclearRNA)，它是真核生物轉(zhuǎn)錄后加工過程中RNA剪接體〔spliceosome〕的主要成分，參與mRNA前體的加工過程。snoRNA：核仁小分子RNA〔smallnucleolarRNAs〕，它在核糖體RNA的生物合成中發(fā)揮作用，另外還能夠指導snRNA、tRNA和mRNA的轉(zhuǎn)錄后修飾。miRNAs：微小RNA〔microRNAs〕，是一類由內(nèi)源基因編碼的長度約為22個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，通過與靶標mRNA的3'端非翻譯區(qū)(3'-untranslatedregion，3'-UTR)特異性結(jié)合，從而引起靶標mRNA分子的降解或翻譯抑制，在動植物中參與轉(zhuǎn)錄后基因表達調(diào)控。piRNAs〔Piwi-interactingRNA〕：piRNA基因是一類長度為24?32nt的的單鏈小RNA，有很強的正義鏈和反義鏈專一性，其5'端第一個核苷酸有尿嘧啶傾向性，3'端被2'-O-甲基化修飾，這類末端修飾可防止成熟體piRNA基因降解.piRNA主要與PIWI亞家族成員Piwi蛋白或AGO3蛋白質(zhì)結(jié)合而發(fā)揮作用。siRNA：干擾小RNA〔SmallinterferingRNA〕，是一種小RNA分子，由Dicer酶加工而成。雙鏈RNA經(jīng)酶切后會形成很多小片段，siRNA是siRISC的主要成員，激發(fā)與之互補的目標mRNA的沉默。lncRNA：長鏈非編碼RNA〔Longnon-codingRNA〕，lncRNA是長度大于200個核苷酸的非編碼RNA。研究說明，lncRNA在劑量補償效應、表觀遺傳調(diào)控、細胞周期調(diào)控和細胞分化調(diào)控等眾多生命活動中發(fā)揮重要作用，成為遺傳學研究熱點。miRNA和siRNA的區(qū)別主要有兩點：〔1〕miRNA是內(nèi)源性的，是生物體基因的表達產(chǎn)物；siRNA是外源性的，來源于病毒感染、轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)基因靶點。〔2〕miRNA是由不完整的發(fā)卡狀雙鏈RNA，經(jīng)Drosha和Dicer酶加工而成；siRNA是由完全互補的長雙鏈RNA，經(jīng)Dicer酶剪切而成。圖：莫小燕等，非編碼RNA在腫瘤細胞糖代謝中的調(diào)控作用1.3siRNA、miRNA及piRNA的生物合成[3]a：(人類)siRNA來源于長的雙鏈RNA分子,經(jīng)Dicer酶剪切為21-25nt的雙鏈RNA片段，Dicer酶和dsRNA結(jié)合蛋白將siRNA二聚體裝載至Argonaute蛋白〔AGO2〕而發(fā)揮作用；b：(人類)miRNA由內(nèi)源性的生物體基因產(chǎn)生含有發(fā)卡構(gòu)造的65-70nt長的pri-miRNA，該發(fā)卡構(gòu)造在細胞核內(nèi)經(jīng)Drosha-DGCR8復合物加工產(chǎn)生pre-miRNA。在細胞漿內(nèi)，pre-miRNA進一步經(jīng)Dicer酶剪切為miRNA-miRNA*二聚體〔其中miRNA為引導鏈，miRNA*為信息鏈〕，裝載至Argonaute蛋白1(AGO1)而發(fā)揮作用。c：(鼠類)piRNA的生物合成尚不清楚。piRNA來源于單鏈RNA前體，而且不依賴于Dicer酶。產(chǎn)生的初級正義piRNA傾向于與MILI結(jié)合，在出生前的睪丸、MILI和MIWI2均參與復制周期，在次級反義piRNA中MIWI2比MILI更為豐富，次級反義piRNA可能直接裂解轉(zhuǎn)座子mRNA。圖：于紅，表觀遺傳學:生物細胞非編碼RNA調(diào)控的研究進展2、MicroRNA的功能2.1miRNA參與細胞自噬調(diào)控[1]。在自噬的啟動(induction)、囊泡成核(vesiclenucleation)、囊泡延伸(vesicleelongation)、自噬回收(Retrieval)與囊泡融合(fusion)等幾個階段中均參與調(diào)控。此外，miRNA也可通過其他方式調(diào)節(jié)細胞自噬。直接調(diào)控，直接作用的位點目前發(fā)現(xiàn)有:對STMN1基因〔該基因編碼的Stathmin蛋白被發(fā)現(xiàn)參與自噬調(diào)控〕，DRAM2，IRGM，線粒體自噬受體FUNDC1和NIX等。間接調(diào)控，即通過對細胞分子通路中重要的調(diào)控性蛋白進展調(diào)控，從而間接地調(diào)控自噬的過程。調(diào)控靶點有：SMAD4，F(xiàn)OXO3，ATM，RUNX3，p53；EZH2，PI3K/AKT通路，hnRNPA1，EGFR等。圖：陳月琴等，非編碼RNA與細胞自噬調(diào)控2.2參與表觀遺傳調(diào)控[3]miRNA可通過調(diào)控組蛋白修飾引起染色質(zhì)重塑。即miRNA可通過調(diào)控組蛋白的修飾而參與TGS。miRNA還可通過調(diào)控DNA甲基化酶的表達而影響DNA甲基化參與TGS。2.3在腫瘤中的調(diào)節(jié)機制[4]2.3.1對致癌基因的調(diào)節(jié)。在腫瘤細胞中表達水平升高的miRNA被認為是致癌基因，通過抑制抑癌基因和〔或〕抑制控制細胞分化和凋亡的基因來促進腫瘤進展。首先，miR-17-92群簇被認為在腫瘤細胞調(diào)節(jié)中起重要作用，miR-17-92群簇可能通過調(diào)節(jié)兩個抑癌基因---PTEN和視網(wǎng)膜母細胞瘤基因〔RB〕家族的成員甙Rb2/p130的基因促進腫瘤進展。PTEN通過PI3K-AKT/PKB通路促進凋亡。其次，miR-17-92群簇對細胞周期和增殖的作用局部是通過對E2F轉(zhuǎn)錄因子基因調(diào)節(jié)實現(xiàn)。最后，miR-17-92群簇通過ARF-p53基因通路抑制細胞凋亡，進而促進腫瘤的開展。此外，miR-372和miR-373是另外兩個致癌的miRNA，通過直接抑制抑癌基因LATS2的表達來解除的p53介導的對細胞周期依賴性蛋白激酶〔CDK〕的抑制，進而促進細胞增殖和腫瘤進展。人類睪丸生殖細胞腫瘤的發(fā)生中涉及這一機制。2.3.2對抑癌基因的調(diào)節(jié)。在腫瘤細胞中表達水平降低的miRNA的被認為是抑癌基因，通過抑制致癌基因和〔或〕抑制控制細胞分化和增殖的基因來抑制腫瘤進展。let-7的家族的miRNA的在許多腫瘤中表達下調(diào)，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家族成員通過靶向結(jié)合抗凋亡蛋白基因MCL1和致癌基因TCL1表現(xiàn)出抑癌作用。此外，在白血病患者、垂體腺瘤患者中miR-15和miR-1均表現(xiàn)出表達的抑制。2.4參與糖代謝的調(diào)控[6]2.4.1miRNA通過調(diào)控己糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝。乳腺癌細胞中白介素-6〔IL-6〕和miR-155均可通過上調(diào)hk2基因表達來促進糖酵解。而miR-125a/b和miR-143是hk2的反向調(diào)節(jié)者。2.4.2miRNA通過調(diào)控磷酸果糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝。人肺腺癌中肌型磷酸果糖激酶〔PFKM〕和糖酵解均上調(diào)，而miR-320a可以下調(diào)PFKM表達。研究發(fā)現(xiàn)，另一種miRNA----miR-520s可以下調(diào)PFKP表達。這說明有多種miRNA可以通過調(diào)節(jié)磷酸果糖激酶來調(diào)控腫瘤細胞的糖代謝。2.4.3miRNA通過調(diào)控丙酮酸激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝。研究發(fā)現(xiàn)，PKM2mRNA是miR-122的直接作用靶點，而miR-122通過調(diào)節(jié)PKM2的量來調(diào)控腫瘤細胞的糖代謝。3.siRNA參與表觀遺傳調(diào)控[3]siRNA能在哺乳動物細胞中介導DNA甲基化和組蛋白修飾，從而導致轉(zhuǎn)錄基因沉默〔TGS〕。目前研究說明：Argonautes蛋白家族(AGO1及AGO2)，DNMT3a，組蛋白去乙?；浮睭istonedeacetylase-1,HDAC-1〕和/或Polycomb蛋白家族(Polycombgroup,PcG)的EZH2(Enhancerofzestehomolog2)參與了siRNA誘導的TGS。AGO在TGS中的作用早于靶標啟動子的組蛋白甲基化，當靶標沉默態(tài)組蛋白修飾(H3K9甲基化)增加時，AGO-1明顯減少，證明AGO1及RNAPII對H3K9的雙甲基化是必需的。TGS的建設(shè)與維持需要多種不同的蛋白：通常AGO1、DNMT3a及HDAC-1對于起始的沉默是必需的，而DNMT1對于維持沉默是必需的。4.piRNA參與表觀遺傳調(diào)控哺乳動物細胞piRNA分為兩個亞簇：一是粗線期piRNA簇：主要出現(xiàn)于減數(shù)分裂的粗線期，持續(xù)表達至單倍體精子細胞階段，一般很少有重復片段；二是粗線前期piRNA簇：主要出現(xiàn)于減數(shù)分裂前的生殖細胞，雖然具有粗線期piRNA簇的分子特征，但來源于一個完全不同的簇，具有重復片段。4.1piRNA相關(guān)的DNA甲基化[3]piRNA的生物合成假說有兩個，一是piRNA由長單鏈分子產(chǎn)生；二是piRNA可能為初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。哺乳動物細胞的基因簇并非初級piRNA的主要來源，而是由轉(zhuǎn)座子mRNA產(chǎn)生初級正義piRNA參與擴增循環(huán)。DNA甲基酶家族〔DNMT3a、DNMT3b及DNMT3L〕在轉(zhuǎn)座子甲基化的形成中起主要作用。Piwi/piRNA復合體能介導轉(zhuǎn)座子甲基化的形成，且Piwi途徑位于DNA甲基化調(diào)節(jié)因子的上游，piRNA是生殖細胞內(nèi)DNA甲基化的特異性決定子。4.2piRNA參與染色體組裝[5]piRNA基因在調(diào)節(jié)染色質(zhì)組裝的過程中發(fā)揮了引導作用，即piRNA基因可募集Piwi蛋白，HP1a，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SU〔VAR〕3-9等表觀調(diào)控因子到基因組的特異位點，并阻止RNA聚合酶Ⅱ與基因組結(jié)合。5.lncRNA的功能lncRNA有多種不同的來源，目前認為可能是〔1〕編碼蛋白的基因構(gòu)造中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA；〔2〕染色質(zhì)重組的結(jié)果，即兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一個獨立的基因并列而產(chǎn)生含多個外顯子的lncRNA；〔3〕由非編碼基因復制過程中的反移位產(chǎn)生；〔4〕由局部的串聯(lián)復制子產(chǎn)生鄰近的非編碼RNA；〔5〕基因中插入一個轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼RNA[3]。5.1參與細胞調(diào)控。長非編碼RNA在轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用，因而影響著各種各樣的生物學過程，比方，劑量補償、基因印跡、細胞周期、發(fā)育、配子形成等過程。分子機制：圖：陳曉敏等，長非編碼RNA研究進展誘餌分子：長非編碼RNA通過結(jié)合目標蛋白或miRNA從而稀釋了目標分子在細胞內(nèi)的水平，進而影響其功能。導向作用：通過與目標分子的結(jié)合，長非編碼RNA能指引核糖核蛋白復合體定位至特異的目標區(qū)域，作用方式可以是順式也可以是反式。反式作用：通過與RNA聚合酶作用以輔助轉(zhuǎn)錄的方式或者作為一些小的調(diào)節(jié)RNA分子的互補配對靶分子；順式作用：通過與目標DNA分子結(jié)合形成RNA∶DNA異源雙鏈核酸分子，或者RNA∶DNA∶DNA異源三鏈核酸分子，或者RNA識別特異染色質(zhì)的復合物外表特征，引導目標基因附近的染色質(zhì)改變。分子支架：lncRNA的不同功能域可以結(jié)合不同的蛋白質(zhì)復合體，從而提供類似分子支架的功能，以引導相關(guān)的不同類型的大分子復合體在目標區(qū)域組裝以協(xié)同發(fā)揮調(diào)控作用。lncRNA與miRNA轉(zhuǎn)錄后相互作用方式：圖：陳曉敏等，長非編碼RNA研究進展miRNA介導長非編碼RNA降解；(b)lncRNA通過誘捕或miRNA海綿作用拮抗miRNA；(c)lncRNA-miRNA競爭性結(jié)合mRNA；(d)lncRNA作為miRNA前體。此外，長非編碼RNA還在人體發(fā)育中起到重要的作用，包括：中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程調(diào)控、心臟發(fā)育、骨骼肌發(fā)育、皮膚、造血以及脂肪發(fā)育、細胞重編程等。長非編碼RNA還在表觀遺傳方面起著調(diào)控作用[2]。lncRNA的參與細胞調(diào)控的方式：通過與單一蛋白質(zhì)或蛋白復合體結(jié)合，同時識別DNA/RNA序列，從而幫助蛋白復合體進展特異性位點的調(diào)控；或是充當分子支架，在蛋白復合體的形成過程中起到重要的作用；此外還有一種競爭性內(nèi)源RNA(competingendogenousRNAs,ceRNA)途徑，是指ceRNA可以通過競爭性地結(jié)合miRNA來調(diào)節(jié)基因的表達。lncRNA參與細胞自噬的調(diào)控：在3BDO藥物的存在下，F(xiàn)LJ11812〔位于基因TGFB2的3’UTR區(qū)的lncRNA〕介導mTOR通路的激活，細胞自噬則受到抑制。激活的mTOR增加了RNA結(jié)合蛋白TIA1的磷酸化水平，而TIA1在FLJ11812的加工過程中起到了重要的作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LJ11812可以通過ceRNA的途徑與ATG13競爭性的結(jié)合miR-4459，從而達成其對自噬的調(diào)節(jié)作用。此外，兩個lncRNA被發(fā)現(xiàn)在癌癥中調(diào)節(jié)細胞自噬：MEG3在膀胱癌細胞中抑制自噬；過表達的HULC在胃癌細胞中被發(fā)現(xiàn)能夠促進細胞自噬。[1]5.2參與調(diào)節(jié)表觀遺傳LncRNA通過參與基因組印記(Genomicimprinting)和X染色體失活(Xchromosomeinactive)控制表觀性狀，參與的這兩個過程分別與H19和XistRNA密切相關(guān)。近來有學者在人和鼠細胞中發(fā)現(xiàn)H19RNA是miR-675的前體，提示H19RNA可能通過miRNA發(fā)揮基因調(diào)控作用。基因組印記除了與H19基因簇有關(guān)，還有Kcnq1ot1、Air及Nespas基因的參與。XistRNA(17kb長的非編碼RNA)對于哺乳動物細胞內(nèi)X染色體失活非常重要，但Xist并不輸送至胞漿，而是與即將被它失活的X染色體的某個RNA構(gòu)造域或成分相連，在失活染色體外表形成“外套〞并以順式方式介導基因沉默。近來研究說明X染色體失活和基因組印記可能共享一些基因簇，其基因沉默的機制不僅包括順式作用，還有反式作用。另有研究報道：X染色體失活尚存在另一機制，即Xist和Tsix復性形成RNA二聚體，經(jīng)Dicer酶剪切成為小干擾RNA，其對于失活的X染色體上異染色質(zhì)的修飾是必需的。這兩個不同的途徑或許可以協(xié)調(diào)lncRNA和小RNA在染色質(zhì)重塑方面的作用，同時提示RNA調(diào)控存在著一個更為復雜的、交互的網(wǎng)絡[3]。此外，lncRNA在組蛋白修飾中發(fā)揮作用。lncRNA可以通過自身形成的莖環(huán)構(gòu)造與核心蛋白抑制復合體PRC2結(jié)合，后者促進組蛋白H3第27位賴氨酸殘基甲基化。lncRNA不僅能引發(fā)組蛋白修飾，也能調(diào)節(jié)組蛋白的去修飾，位于HoxC位點的lncRNA-HOTAIR如同分子支架，其5'末端區(qū)域與PRC2結(jié)合，3'末端區(qū)域與組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1〔LSD1〕結(jié)合，將兩個功能截然不同的組蛋白修飾物鏈接到特殊的作用位點，以調(diào)節(jié)組蛋白的修飾過程。局部lncRNA參與基因分子的選擇性剪接，特里帕蒂等發(fā)現(xiàn)細胞核內(nèi)的lncRNA-MALAT1能影響絲氨酸，精氨酸富含性剪接因子在細胞核的分布而調(diào)節(jié)基因的選擇性剪接。lncRNA在翻譯后水平也有調(diào)節(jié)作用。它可以折疊成高級構(gòu)造與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合形成核酸-蛋白質(zhì)復合物，Paraspeckle是哺乳動物細胞核中分散的核質(zhì)蛋白體，lncRNA-Menξ/β是paraspeckle的組成成分，lncRNA-Menξ/β和相關(guān)paraspeckle蛋白質(zhì)結(jié)合后能改變paraspeckle在細胞核內(nèi)的定位，從而在細胞核組裝和解聚過程中起重要作用[5]。5.3參與癌癥的調(diào)控值得注意的是，長非編碼RNA與癌癥等有著密切的關(guān)系，對癌癥的發(fā)生、開展及轉(zhuǎn)移產(chǎn)生重要的影響。有一些長非編碼RNA，比方PCA3、PCGEM1、PCAT1等，是高度在前列腺癌中特異表達的非編碼RNA，可以作為有效的生物標記物。有多種長非編碼RNA在原發(fā)性肝癌中表達水平發(fā)生了顯著變化，并具有重要作用[2]。圖：陳曉敏等，長非編碼RNA研究進展其中，HOTAIR在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性乳腺癌中高表達，且與腫瘤轉(zhuǎn)移和低生存率相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)HOTAIR的5'端可結(jié)合PRC2，而其3'端可結(jié)合LSD1。HOTAIR的雙向功能可能有利于對組蛋白進展修飾，從而促進腫瘤的轉(zhuǎn)移[4]。INK4b-ARFINK4a的表達產(chǎn)物參與構(gòu)成腫瘤抑制網(wǎng)絡，調(diào)控細胞重要生物學過程，如細胞凋亡、干細胞再生等。ANRIL的異常表達和單核苷酸變異可引起腫瘤。此外，lncRNA和miRNA可協(xié)同介導抑癌基因失調(diào)[4]。5.4參與糖代謝的調(diào)節(jié)[6]5.4.1lncRNA通過調(diào)控癌基因表達影響腫瘤細胞的糖代謝。癌基因c-Myc的是Myc蛋白家族的重要成員之一，在細胞周期，血管生成，細胞代謝和細胞凋亡中發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，c-Myc可以直接調(diào)控參與糖代謝的基因，而前列腺癌特異性lncRNA---前列腺癌基因表達標志1〔PCGEM1〕通過激活c-Myc促進前列腺癌細胞有氧糖酵解的糖攝取。5.4.2lncRNA受胰島素/胰島素樣生長因子調(diào)控而影響腫瘤細胞的糖代謝。糖代謝與胰島素信號通路密切相關(guān)，所以調(diào)控該通路的lncRNA也可間接調(diào)控糖代謝，而胰島素信號通路也可反過來調(diào)控lncRNA。lncRNA大腸癌差異表達轉(zhuǎn)錄本〔CRNDE〕受胰島素/胰島素樣生長因子〔I