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 核内小分子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 概念：snRNA：核内小分子RNA(s

2、mall 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，从而引起靶标mRNA分子的降解或翻译抑制，在动植物中参与

3、转录后基因表达调控。piRNAs（Piwi-interactingRNA）：piRNA基因是一类长度为2432 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R

4、NA（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。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 si

5、RNA、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

6、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。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2.1 miRNA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

7、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

8、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

9、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

10、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P

11、FKM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 (AGO1 及 AGO2 )，DNMT 3a，组蛋白去乙酰化酶（Histone de

12、acetylase-1, HDAC-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. p

13、iRNA 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

14、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甲基化的特异性决定子。4.2 piRNA 参与染色体组装5 piRNA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；（

15、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

16、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 RNADNA 异源双链核酸分子，或者 RNADNADNA 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

17、作用方式：图：陈晓敏等，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miRNA；(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

18、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

19、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 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 Nespas基因的参与。X

20、ist 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RNA调控存在着一个

21、更为复杂的、交互的网络3。此外，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能影响丝氨酸，精氨酸富含性剪接因子在

22、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-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，比如PCA3、PCGEM1、PCAT1 等，是高度在前列

23、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：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，lncRNA和miRNA可协同介导抑癌基因失调4

24、。5.4 参与糖代谢的调节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。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谢。糖代谢与胰岛素信号通路密切相关，所以调控该通路的lncRNA也可间接调控糖代谢，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。研究发现