医学分子生物学-8

1、第八部分第八部分非编码非编码RNARNA与基因表达及其调控与基因表达及其调控高高 颖颖大连医科大学基础医学院大连医科大学基础医学院RNA可在不同层次调控可在不同层次调控蛋白质编码基因的表达。蛋白质编码基因的表达。非编码非编码RNA 概念：概念： 在真核基因组中，只有很小部分在真核基因组中，只有很小部分DNA序列编码蛋序列编码蛋白质，能够转录产生白质，能够转录产生mRNA，大部分能够转录出，大部分能够转录出RNA，这些这些RNA不能指导蛋白质的合成，称为非编码不能指导蛋白质的合成，称为非编码RNA（non-coding RNA,ncRNA）。）。 管家管家ncRNA（house-keeping

2、non-coding RNA）：）： 是指是指RNA直接或间接参与蛋白质编码基因的表直接或间接参与蛋白质编码基因的表达，是蛋白质合成是必需的因素。达，是蛋白质合成是必需的因素。 调节性调节性ncRNA（regulatory non-coding RNA）：）： 是指大部分非编码是指大部分非编码RNA，在一定条件下诱导表，在一定条件下诱导表达，其功能是调节蛋白质编码基因的表达。达，其功能是调节蛋白质编码基因的表达。 管家管家ncRNA：tRNA, rRNA, snRNA, snoRNA, SL RNA及及SRP RNA 调节性调节性ncRNA:长链非编码长链非编码RNA ，短链非编码，短链非编码

3、RNA 长链非编码长链非编码RNA（long non-coding RNA, lncRNA） 分子分子200nt。 短链非编码短链非编码RNA（50nt）：）：miRNA, siRNA, 第一节第一节非编码非编码RNA与蛋白质编码与蛋白质编码基因表达的关系基因表达的关系一、一、组成性表达的非编码组成性表达的非编码 RNA RNA 直接或间接直接或间接 参与蛋白质编码基因的表达参与蛋白质编码基因的表达 1. 参与蛋白质合成的非编码参与蛋白质合成的非编码RNA rRNA, tRNA, scRNA 2. 参与参与RNA加工的非编码加工的非编码RNA snRNA, snoRNA, 催化性小催化性小RN

4、A（ribozyme)参与蛋白质合成的非编码参与蛋白质合成的非编码RNA rRNA：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，组成核糖体。组成核糖体。 tRNA：作为载体运输氨基酸作为载体运输氨基酸 胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：参）：参与形成内质网定位合成信号识别体（与形成内质网定位合成信号识别体（signal recognition particle, SRP），参与分泌性蛋白质转），参与分泌性蛋白质转运。运。参与参与RNARNA加工的非编码加工的非编码RNARNA 核内小核内小RNA（small nucle

5、ar RNA, snRNA）：）： 参与参与hnRNA加工剪接加工剪接 核仁小核仁小RNA（ small nucleoar RNA, snoRNA）：）： 参与参与rRNA加工修饰，参与加工修饰，参与tRNA和和snRNA修饰。修饰。 催化性小催化性小RNA（ribozyme）： 催化特定催化特定RNA降解，在降解，在RNA剪接修饰中发挥作用。剪接修饰中发挥作用。二、调节性非编码二、调节性非编码 RNARNA调控蛋白质调控蛋白质编码基因的表达编码基因的表达 长链非编码长链非编码RNA 增强子增强子RNA 启动子相关的非编码启动子相关的非编码RNA 微微RNA 小干扰小干扰RNA长链非编码长链非

6、编码 RNARNA 长链非编码长链非编码 RNA(lncRNARNA(lncRNA）是长度大于）是长度大于200nt200nt的非编码的非编码RNARNA总称。总称。 与其他非编码与其他非编码 RNA RNA 相比，长链非编码相比，长链非编码 RNA RNA 的种类最多，功能更为复杂。的种类最多，功能更为复杂。lncRNA的特点的特点 长链非编码长链非编码 RNA RNA 的分子大小差异巨大的分子大小差异巨大 长链非编码长链非编码 RNA RNA 分布在胞核和胞质中分布在胞核和胞质中 长链非编码长链非编码 RNA RNA 没有统一命名规则没有统一命名规则 长链非编码长链非编码 RNA RNA

7、可与不同的分子相互作可与不同的分子相互作用用微微RNA 微微RNA（microRNA, miRNA）：）： 是长度在是长度在22nt左右（左右（19-25nt）的内源性）的内源性非编码单链非编码单链RNA，在蛋白质翻译水平上抑制，在蛋白质翻译水平上抑制其表达。是调控蛋白质合成的一类重要非其表达。是调控蛋白质合成的一类重要非编码编码RNA。 20012001年年1010月月sciencescience报道了三个实验室从线报道了三个实验室从线虫、果蝇和人体克隆的几十个类似虫、果蝇和人体克隆的几十个类似C.eleganC.elegan的的lin-4lin-4的小的小RNARNA基因，称为基因，称为m

8、icroRNAmicroRNA。 随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物等多种生物物种中鉴别出数百个等多种生物物种中鉴别出数百个miRNAsmiRNAs。 miRNAsmiRNAs参与生命过程中一系列的重要进程，参与生命过程中一系列的重要进程，包括发育进程、造血过程、器官形成、凋亡、细包括发育进程、造血过程、器官形成、凋亡、细胞增殖、甚至是肿瘤发生胞增殖、甚至是肿瘤发生。miRNA的命名与的命名与miRNA家族家族 miRNA命名采用命名采用miR+数字序号数字序号+字母序号，如字母序号，如miR-21,miR-372等。等。 种子序列相同而其他部分序列不

9、同的种子序列相同而其他部分序列不同的miRNA归为归为一个家族，成员以字母顺序表示，如一个家族，成员以字母顺序表示，如miR-29包括包括miR-29a, miR-29b, miR-29c。 也有一些依据其他规则命名。也有一些依据其他规则命名。miRNA与靶与靶mRNA的结合的结合具有相对特异性具有相对特异性 miRNA通过通过部分互补序列部分互补序列与靶与靶mRNA结合。结合。 miRNA 5端端7个核苷酸（个核苷酸（2-8位）为位）为miRNA的种子的种子区区（seed region），是识别靶），是识别靶mRNA关键序列。关键序列。 一个一个miRNA可与不同靶可与不同靶mRNA结合，同

10、一家族结合，同一家族miRNA可作用相同靶可作用相同靶mRNA。miR-21与几种靶与几种靶mRNA的互补结合的互补结合干扰小干扰小RNA 干扰小干扰小RNA（small interference RNA, siRNA）：）： 是具有特定长度（是具有特定长度（21-25nt）和特定序列的双）和特定序列的双链小片段链小片段RNA。通过降解靶。通过降解靶mRNA而导致基因表达而导致基因表达的沉默。的沉默。 外源性外源性siRNA是生物宿主对外源侵入的基因所是生物宿主对外源侵入的基因所表达的双链表达的双链RNA进行切割而产生。进行切割而产生。 siRNA主要与主要与AGO2结合形成复合体，称结合形成

11、复合体，称RNA诱导诱导的沉默复合体（的沉默复合体（RNA-induced silencing complex,RISC），），通过降解靶通过降解靶mRNA而导致基因表而导致基因表达的沉默。达的沉默。 与与miRNA 不同不同， siRNA与靶与靶mRNA完全互补，在抑完全互补，在抑制基因表达时具有更高的特异性制基因表达时具有更高的特异性。内源性干扰小内源性干扰小RNA 参与蛋白质编码基因表达的非编码参与蛋白质编码基因表达的非编码RNA都是组成性表达，其表达量在细胞内相都是组成性表达，其表达量在细胞内相对较稳定。对较稳定。 调节性非编码调节性非编码RNA是依据基因表达调控是依据基因表达调控的需

12、要、根据内外环境的变化而产生。的需要、根据内外环境的变化而产生。第二节第二节调节性非编码调节性非编码RNARNA的表达的表达一、一、eRNA和和pncRNA从相应的从相应的DNA序列转录序列转录 启动子启动子、增强子属于顺式作用元件。在蛋白质编增强子属于顺式作用元件。在蛋白质编码基因表达的过程中，这些序列本身并不被转录。码基因表达的过程中，这些序列本身并不被转录。 许多启动子和增强子序列在特定情况下可作为编许多启动子和增强子序列在特定情况下可作为编码码RNA的序列，由的序列，由RNA聚合酶转录产生非编码聚合酶转录产生非编码RNA。二、长链非编码二、长链非编码RNARNA可从不同的可从不同的DN

13、ADNA序列转录序列转录 少数少数lncRNA由由RNA聚合酶聚合酶转录产生，大部分转录产生，大部分lncRNA由由RNA聚合酶聚合酶转录产生。转录产生。 lncRNA转录后转录后可不可不进进行行加工，也加工，也可可有类似有类似mRNA加工过程，通过剪接形成较短加工过程，通过剪接形成较短lncRNA，可在，可在5 端端加上帽子，加上帽子，3 端形成端形成polvA尾。尾。 lncRNA可与核糖体结合，但并不翻译出有功能的可与核糖体结合，但并不翻译出有功能的蛋白质。蛋白质。长链非编码长链非编码RNARNA的表达也受到调控的表达也受到调控1.lncRNA在转录水平受到调控在转录水平受到调控 lnc

14、RNA表达表达被被严格调控。已经鉴定严格调控。已经鉴定lncRNA中，大中，大部分转录调控机制不清楚。部分转录调控机制不清楚。 lncRNA基因启动子受蛋白质编码基因转录因子调基因启动子受蛋白质编码基因转录因子调节，一些节，一些lncRNA转录受其他因素影响，如离子辐转录受其他因素影响，如离子辐射或射或DNA损伤可诱导损伤可诱导cyclin D1pncRNA的表达。的表达。2. lncRNA的稳定性受到不同因素影响的稳定性受到不同因素影响 一些一些lncRNAlncRNA的的33末端可形成三螺旋结构，保护末端可形成三螺旋结构，保护lncRNAlncRNA末端免受末端免受3535外切核酸酶破坏，

15、使转外切核酸酶破坏，使转录产物更稳定。录产物更稳定。 有些有些lncRNAlncRNA稳定性与特定稳定性与特定RNARNA结合蛋白有关，并受结合蛋白有关，并受miRNAmiRNA的调控。的调控。 大部分大部分lncRNAlncRNA降解机制目前仍不清楚。但也存在降解机制目前仍不清楚。但也存在一些规律一些规律。 蛋白质编码蛋白质编码基因间基因间DNADNA序列转录产生序列转录产生lncRNAlncRNA和反义和反义lncRNAlncRNA比蛋白质编码基因内转录的比蛋白质编码基因内转录的lncRNAlncRNA稳定稳定。 经过剪接加工的经过剪接加工的lncRNAlncRNA比未剪接的比未剪接的ln

16、cRNAlncRNA稳定稳定。 胞质比核内胞质比核内lncRNAlncRNA稳定。稳定。三、三、真核生物真核生物miRNA主要来源主要来源 自身基因所表达，由自身基因所表达，由RNA聚合酶转录，经过加工聚合酶转录，经过加工产生产生miRNA。 不是由特定基因编码，其序列储存于其他不是由特定基因编码，其序列储存于其他RNA分分子中，在相应子中，在相应RNA转录后，经一定加工方式产生转录后，经一定加工方式产生miRNA。 四、内源性四、内源性siRNA是从不同的双链是从不同的双链RNA加工产生加工产生 与与miRNA不同，真核细胞没有特定基因编码内源不同，真核细胞没有特定基因编码内源性性siRNA

17、。 RNA可通过分子内或分子间互补序列结合，形成可通过分子内或分子间互补序列结合，形成双链双链RNA或局部或局部RNA双链，这些来源不同双链双链，这些来源不同双链RNA结构为内源性结构为内源性siRNA产生奠定了分子基础。产生奠定了分子基础。 当双链中存在可被当双链中存在可被Dicer酶识别的序列时，就可被酶识别的序列时，就可被Dicer酶识别、加工，产生内源性酶识别、加工，产生内源性siRNA。第三节第三节非编码非编码RNARNA调控调控mRNAmRNA合成合成 转录水平调控转录水平调控是是基因表达调基因表达调节重要的环节。节重要的环节。涉涉及染色质区域结构重塑、组蛋白和及染色质区域结构重塑

18、、组蛋白和DNA修饰、转修饰、转录因子和录因子和RNA聚合酶功能的增强或抑制等。聚合酶功能的增强或抑制等。 这些调控作用除了许多蛋白质参与，也有非编这些调控作用除了许多蛋白质参与，也有非编码码RNA参与参与。调控机制主要涉及非编码调控机制主要涉及非编码RNA与与DNA及蛋白质的相互作用及蛋白质的相互作用。一、非编码一、非编码RNARNA参与调控染色质结构参与调控染色质结构 染色质结构变化包括区域结构重塑、组蛋白修饰、染色质结构变化包括区域结构重塑、组蛋白修饰、DNA修饰等修饰等。这些变化可决定基因表达的开放和这些变化可决定基因表达的开放和关闭关闭，其，其调控涉及许多蛋白质的作用，而非编码调控涉

19、及许多蛋白质的作用，而非编码RNA,特别是特别是lncRNA具有重要作用。具有重要作用。（一）（一）lncRNA促进形成致密染色质结构促进形成致密染色质结构（二）（二）lncRNA通过募集染色质重塑复合体调通过募集染色质重塑复合体调 控组蛋白修饰控组蛋白修饰（三）（三）miRNA可间接影响组蛋白修饰可间接影响组蛋白修饰（四）非编码（四）非编码RNA调控调控DNA甲基甲基二、非编码非编码RNARNA调控转录因子的作用调控转录因子的作用 转录因子和转录调控蛋白的激活和功能调控是转录因子和转录调控蛋白的激活和功能调控是基因表达的重要调控方式。基因表达的重要调控方式。 一些一些lncRNA与转录调控蛋

20、白相互作用，调控其与转录调控蛋白相互作用，调控其功能活性，从而影响基因的转录。功能活性，从而影响基因的转录。 lncRNA可作为转录的共激活因子可作为转录的共激活因子(coactivator)或共阻遏因子或共阻遏因子(corepressor)而发挥作用。而发挥作用。三、三、非编码非编码RNARNA影响影响RNARNA聚合酶聚合酶的转录功能的转录功能 lncRNA能直接与蛋白质相互作用，使得某些能直接与蛋白质相互作用，使得某些lncRNA可直接与可直接与RNA聚合酶相互作用，对转录产聚合酶相互作用，对转录产生影响。生影响。四、四、 lncRNA影响影响mRNA转录后加工和运输转录后加工和运输 m

21、RNA转录后加工和运输涉及许多蛋白质作用。转录后加工和运输涉及许多蛋白质作用。 lncRNA能够直接与蛋白质相互作用，也可通过互能够直接与蛋白质相互作用，也可通过互补序列与补序列与mRNA结合。结合。 不同不同lncRNA可能通过不同机制影响蛋白质的功能，可能通过不同机制影响蛋白质的功能，从而对从而对mRNA转录后加工和运输产生影响。转录后加工和运输产生影响。第四节第四节非编码非编码RNARNA调控蛋白质合成调控蛋白质合成一、一、 miRISC结合靶结合靶mRNA而抑制翻译而抑制翻译 miRNA的主要功能是调控翻译，而且以的主要功能是调控翻译，而且以负负调控作调控作用为主。用为主。 但但miR

22、NA并不是与并不是与mRNA简单互补结合而抑制翻译，简单互补结合而抑制翻译，而是通过与蛋白而是通过与蛋白质质结合形成复合物，即结合形成复合物，即miRNA诱诱导沉默复合导沉默复合物物(miRISC) 对翻译过程对翻译过程产产生抑制作用。生抑制作用。二、二、 lncRNA干扰干扰mRNA的翻译的翻译 lncRNA也可通过特定机制对翻译产生抑制作用，也可通过特定机制对翻译产生抑制作用，包括抑制翻译所需的蛋白质和募集翻译的阻遏蛋包括抑制翻译所需的蛋白质和募集翻译的阻遏蛋白。白。三、三、 非编码非编码RNARNA促进促进mRNAmRNA降解降解而抑制翻译而抑制翻译 lncRNA可通过影响可通过影响RN

23、A结合蛋白结合蛋白(RBP)与与mRNA的的结合而影响结合而影响mRNA的稳定性。的稳定性。 miRNA和和siRNA则可通过引导则可通过引导RISC与靶与靶mRNA的结的结合而促进其降解。合而促进其降解。 四、四、 lncRNA结合结合mRNA而促进翻译而促进翻译 lncRNA对翻译影响并不只是抑制作用。对翻译影响并不只是抑制作用。有些有些lncRNA对翻译具有促进作用，可通对翻译具有促进作用，可通过影过影响响核糖体与核糖体与mRNA相互作用或阻止相互作用或阻止miRNA抑制抑制作用而促进翻译。作用而促进翻译。五、五、 miRNA前体可竞争结合阻遏蛋白前体可竞争结合阻遏蛋白而促进翻译起始而促

24、进翻译起始 虽然绝大部分虽然绝大部分miRNA作用是对翻译产生负调控作作用是对翻译产生负调控作用，有少数用，有少数miRNA却可以通过独特的机制促进翻却可以通过独特的机制促进翻译。译。 其中一种机制是其中一种机制是pre-miRNA通过结合翻译阻遏蛋通过结合翻译阻遏蛋白而解除阻遏蛋白对相应白而解除阻遏蛋白对相应mRNA翻译的抑制作用。翻译的抑制作用。六、六、 lncRNARNA吸收吸收miRNAmiRNA而促进翻译而促进翻译 一些一些lncRNA也存在与也存在与miRNA互补的序列，互补的序列，lncRNA能够竞争性结合能够竞争性结合miRNA，与，与miRISC结合，使结合，使miRISC不能抑制相应靶不能抑制相应靶mRNA。 lncRNA与与miRNA的结合也可加速的结合也可加速miRNA的降解