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非编码RNA及其功用

2022-03-02 来源:小侦探旅游网
维普资讯 http://www.cqvip.com d- 生物学教学2007年(第32卷)第7期 非编码RNA及其功用 陈 龙 李俐俐 (河南省周口师范学院生命科学系46600O) 摘要非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA分子,在细胞生命活动中发挥重要而广泛的作用。本文简要介绍了非编码 基因表达调控 RNA的种类、在基因表达过程中的调控作用以及与细胞发育和肿瘤的关系。 关键词 非编码RNA种类非编码RNA(noncoding RNA,ncRNA)是指没有 多的非编码RNA的观点。 1非编码RNA的种类 编码蛋白质功能的所有RNA,缺乏开放阅读框,常由 编码蛋白质的基因反义转录而来,一般用同义词小 RNA(small RNA,sRNA)表示。转录非编码RNA的 DNA序列叫RNA基因或非编码RNA基因。tRNA是 在细胞中除tRNA和rRNA外,还存在着种类繁多 的其他非编码RNA,许多非编码RNA是mRNA上的 非翻译区结构元件。目前对非编码RNA尚无统一的 我们熟悉的非编码RNA,它涉及基因表达的翻译过 程。然而,随着20世纪90年代以来许多新的非编码 RNA的发现,它们的种类、数量和所发挥的多方面重 要作用是我们以前难以想象的。 命名规则,主要是根据其位置、大小、功能和特征等方 面来描述。核小RNA(small nuclear RNA,snRNA)在 真核细胞中涉及RNA拼接、转录因子(7S RNA)调控 和维持端粒等多项重要过程;核仁小RNA(smM1 nllcle- 脊椎动物基因组序列的研究证据表明,在演化上 保留下来的非编码区域远远超过编码区域,这些基因 组序列区域多数与基因调控有关。小鼠基因组序列的 62%可被转录,在已经发现的181000个独立的RNA 转录物中,约有一半为非编码RNA[ 。非编码RNA 的转录程度之广,很可能人类基因组中被称为“杂物” DNA的大部分是通过RNA起作用的。有人预测线虫 (Caenorhabditis elegans)约有270o个非编码RNA基 因。在高等生物中非编码RNA可能对稀疏的编码蛋 olar RNA,snoRNA)是一类指导rRNA和其他RNA特异 位点的化学修饰(甲基化或假尿苷化)的小RNA,为核 仁小核蛋白体(snoRNP)的重要组分;微RNA(microR- NA,miRNA)长度约22nt,参与基因表达、细胞周期等 过程的调控;指导RNA(guide RNA,gRNA)是有编辑功 能的小分子RNA,指导在mRNA中插入或缺失u, guide RNA”一词有时也常有指导RNA/蛋白质复合 物杂交到匹配序列的任何RNA的含义;信号识别体 RNA(signal recognition particle RNA,SRP RNA),SRP 白基因之间产生的调控间隙进行填补。从单细胞的酵 母、上千个细胞的线虫到上万亿个细胞的哺乳动物,它 们之间的编码蛋白基因数目差别并不大,分别仅为 6000、19000到25000。因此,有人认为非编码RNA的 是一种RNA一蛋白质复合物,SRP RNA是其重要成 分,参与细胞中的分泌性蛋白质的转运;转移一信使 RNA(transfer—messenger RNA,tmRNA)的功能既像 tRNA可以转运氨基酸,又像mRNA作为编码多肽链的 模板;核糖核酸酶P—RNA(RNaseP RNA,pRNA)在 tRNA前体和rRNA前体加工中发挥催化作用;端粒酶 [4]汪[5]陈明,宋江椭,白泉.2000.干扰素诱导跨膜蛋白1协同干 调节作用可以解释这种矛盾的现象,也解释了高等动 物发展的高度复杂性 2 J。还有人提出越少的基因、越 被克隆、测序和表达。例如构建了新型双顺反子表达 载体PEC34和人干扰素一 植物双元表达载体;克隆 扰素抑制癌细胞增殖.农业生物技术学报,4o(8):377 炬,卫引茂,苏晓东.1990.干扰素抗肿瘤抑制的应用.中 和测序了猪干扰素一B基因和肉鸡干扰素一 基因并 将后者在大肠杆菌中进行了表达;克隆和鉴定了鸡干 国科学(B辑),19(3):253 [6]夏春,马广智,张为民.2000.干扰素 加强肿瘤坏死因子相 扰素一 基因,为进一步研究该基因的功能及其在控 制家禽传染病方面的应用打下了一定基础。 主要参考文献 关凋亡诱导配体抑制神经母细胞瘤细胞的作用.中国兽医杂志, 26(6):6 [7]柴玉波,孙海峰,李春源.1997.干扰素治疗慢性乙型肝炎的疗 效分析.生物工程学报,13(4):406 1 J张义兵,薛海燕,杨芳.2000.干扰索调节因子家族和免疫调 [8]程坚,王立俊,杨波.2000.d干扰素治疗肿瘤机制的研究 控.洋湖沼通报,17(3)1~5 进展.农业生物技术学报,8(3):236. [9]Campbell L,Shin,EC,Shin WC et al 1999.Effect ofinterferon— gamma on the susceptibility to Fas(CD95/APO一1)一mediated cell death in human hepatoma cells.Brain Research,835(1):46—61◇ {.21张奉学,张云波,王跃军.1999 干扰索在肿瘤治疗中应用的研 究进展 广州巾医药大学学报,16(3):194 [3]项黎新,陈慧英,邓秋云。2000 干扰索B对肝星状细胞活化凋 控机制的影响.浙江大学学报,27(6):646—650 维普资讯 http://www.cqvip.com 生物学教学2007年( 32鲞j箜!塑 RNA(telomerase RNA)作为真核细胞染色体端粒复制 5· tRNA前体和一些rRNA前体5 一端的加工。在真核 细胞中,snRNA与特殊蛋白结合形成的复合物被称为 小核糖核蛋白体(snRNP),有时也称snurps,主要是剪 切mRNA前体(从hnRNA中移去内含子)。snoRNA直 接进行rRNA和tRNA中的2 一O一核糖的甲基化(C/ 的模板,参与染色体复制和维持其结构的完整性;干扰 小RNA(small interfering RNA,siRNA)是一类外源性 的双链小分子RNA,它在RNA干扰途径中通过引导目 的基因mRNA的降解,以抑制mRNA的表达;mRNA样 RNA(mRNA—like RNA)是一类没有典型阅读框、3 一 端有多聚腺苷酸尾、不编码蛋白质的RNA分子,是细 胞生长分化和胚胎发育的调节子;最近科学家从老鼠 和人的睾丸中发现了piRNA(Piwi—interacting RNA), D盒型)和假尿苷化(H/ACA盒型)的修饰,它常被核 糖体蛋白内含子编码,由RNA聚合酶Ⅱ合成,也可能 被独立转录单位转录。snoRNA指导snoRNP复合物与 靶位点附近的序列形成碱基对,催化RNA修饰。动质 它是长度为21~23nt单链RNA。piRNA出现在小鼠 的精细胞中,在减数分裂开始时大量积聚,在成熟的精 子产物中消失,可能在精细胞发育过程中起重要作用 J此外,细胞内的一些生物催化剂也是非编码 RNA,如核酶、转肽酶等。 2非编码RNA的作用 现已发现非编码RNA在细胞中参与了多项重要 的生命活动,其中包括转录调控、RNA的剪切和修饰、 mRNA的稳定和翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的 形成和结构稳定、细胞的发育等方面。 2.1 影响染色体的结构 在昆虫和哺乳动物细胞中 发现的序列很长的非编码RNA,参与了基因沉默和染 色体结构的改变。人的x染色体失活要求Xist(X in— active speciifc transcript)RNA,而小鼠常染色体的基因 印记要求Air RNA。Xist RNA由失活的x染色体上x 失活中心区的xist基因转录产生的。与染色体相连的 RNA通过聚集影响染色质结构的蛋白质而改变染色 体结构和活性l 。另外,真核细胞的端粒酶是一种催 化延长端粒的核糖核蛋白体,其中的RNA是完整端粒 酶的一部分,作为合成染色体端部的模版,通过逆转录 作用合成端粒DNA并添加到染色体末端,使端粒的长 度保持稳定。 2.2调控转录非编码RNA通过与转录因子的相互 作用而调控转录。相对而言,非编码RNA的启动子区 般比编码蛋白质的mRNA启动子保守,其上有转录 因子结合位点。在功能上,特殊位置的转录作用是重 要的,该转录可以通过一些特殊序列与DNA的序列结 合而发挥功能。在神经元分化中起重要作用的smR— NA(smal相互作用,l modul启动神经.atory 元RNA),与转录因子 NRSF/REST特异基因表达 J。在Escherich— ia coli中长度为184nt的6S RNA结合到细菌o-70全酶 上,用以调节启动子。人的7S RNA有331nt组成,与 延长因子P—TEFb结合后而抑制转录 J。 2.3参与RNA的加工、修饰核酶主要是通过RNA 的自我裂解、自我剪接等而实现转录后加工的。E.coli 的RNaseP RNA有377nt,是RNaseP的催化核心,负责 体中出现的gRNA,在对mRNA编辑过程中直接插入 或缺失尿嘧啶碱基。目前发现的RNA编辑存在于无 脊椎动物的线粒体中,形成编辑体部分的gRNA的一 定序列杂交到与mRNA相匹配的序列,从而指导mR— NA修饰 j。非编码RNA是通过与修饰点附近的序 列结合形成碱基对而实现其功能的。 2.4参与mRNA的稳定和翻译调控过程在RNA干 扰作用中的siRNA是一类长度为21~25nt的双链 RNA,它能与靶mRNA互补配对,结合后导致mRNA降 解,使基因沉默。还发现miRNA也有类似于RNAi的 机制,能够剪切靶mRNA,如小鼠中miRNA一196在胚 胎发育时指导HOXB8的降解l 。1in一4和1et一7是 最早发现于线虫的2个miRNA,通过与靶mRNA的3 端形成碱基对而抑制翻译,新近发现的miRNA也可 能有同样的作用机制。在E.coli中发现的几种 ncRNA,如80nt E.coli RyhB sRNA,87nt E.coli Dsra sR— NA等,有调控翻译和可能稳定mRNA的作用,这些小 RNA通过与它们的靶mRNA在不同位置形成互补的 碱基对,由阻塞核糖体结合点显示抑制翻译或防止抑 制态mRNA结构的形成而激活翻译 j。 2.5影响蛋白质的稳定和转运tmRNA有一个同fR— NA样的区域和mRNA样的区域复杂结构,目前仅在细 菌中发现,但在细菌中并不普遍存在。tmRNA既有转 运氨基酸的tRNA活性,也有编码多肽链的mRNA活 性。tmRNA可识别核糖体干扰翻译或使阅读mRNA 停止(核糖体滑动延宕)。核糖体翻译mRNA中的tm— RNA区时,丙酰胺化的tmRNA被转运到延宕的核糖体 A位点,新生多肽链转运到tmRNA的载有丙氨酸的 tRNA上,这样,没有终止密码子的mRNA被tmRNA的 mRNA部分所替代,并在c一端附加编码一个降解畸 形多肽的标记,使其靶蛋白破坏和水解 。蛋白质跨 膜转运时所需的信号识别颗粒(SRP),是由7S RNA和 6种不同的多肽紧密结合组成。SRP可以使分泌性蛋 白质顺利进入细胞的膜性系统,进行正确的折叠、加工 与修饰,以便其被分泌出细胞¨ 。 2.6 在植物适应环境胁迫中的调控作用 植物的非 维普资讯 http://www.cqvip.com 6· 编码RNA在对非生物胁迫的适应性反应中有重要作 用,这种作用首先用miRNA生物信息学、靶基因预测 和miRNA克隆的方法,通过拟南芥(Arabidopsh thali. Ctll,a)在非生物胁迫下释放新的miRNA而得以证实。 在拟南芥进行干旱、盐分、冷冻和ABA等胁迫诱导的 材料中,得到了26种新的miRNA和102种新的sRNA, 说明它们可能在应对上述不良环境中发挥作用。如, 生长在正常条件下的拟南芥细胞中没有miR395,而在 低硫的胁迫下被诱导;同样,miR399是在低磷胁迫诱 导下产生的[¨]。 2.7 在细胞发育和分化中的调控作用 研究发现许 多miRNA在生物体内有着时序性或组织特异性表达, 说明它们在生物的发育和组织分化中可能有着重要的 调控作用。对细胞分化的研究证实,miR一181和miR 146分别能促进造血干细胞向B细胞与T细胞分 化;细胞发育的研究说明,lsy一6 miRNA参与了调控线 虫左/右神经元的不对称性发育,miR一166则调控叶 的不对称性发育。用生物信息学的方法分析miRNA 调控的靶蛋白,发现miRNA还可涉及到神经元的发 育,信号通路的调控等方面 j。从玉米成熟花粉分离 到的zm401基因,符合非编码RNA的基因特点,在玉 米花粉小孢子四分体时期、单核期、双核期和成熟花粉 中表达,而且表达量依次增强,说明该基因可能与玉米 花粉的晚期发育过程有关【”j。 2.8与肿瘤的发生发展的关系 非编码RNA由于能 够调控细胞的生长与分化,因此,被认为与癌症的发生 发展有关。在线虫细胞中,lin一4和let一7能控制细 胞时序性增殖和分化,二者的基因突变,则导致细胞周 期异常、细胞分化终止,表现出癌细胞的特征。人细胞 中的lin一4和let一7基因编码的miRNA也调控细胞 增殖,并与多种癌症有关。研究显示,miRNA在癌症发 展中具有至关重要的作用,如发现在乳腺癌、肺癌、子 宫癌和子宫颈癌患者中,位于染色体1lq24上的mir一 125b一1(与线虫的lin一4同族)的一个亚位点缺失,说 明mir一125b一1起到了肿瘤阻抑物的作用_l 。 3 结语 非编码RNA是生物体内一个重要的调控分子家 族,有人提出了“RNA世界”的概念。但是,迄今为止, 对非编码RNA的研究仍然是初步的,大部分功能尚未 探明,主要原因是至今对它们在基因调控方面的作用 还不清楚,同时非编码RNA在细胞中是低丰度存在 的,不易被检测到。近来的一些研究显示,非编码RNA 在转录产生的一些复合物中占有很大的比例,使人们 意识到它们是重要的、有潜力的调控分子I j。我们相 信对非编码RNA的研究将日益受到重视,对其研究也 生物学教学2007年(第32卷)第7期 将越来越深入,有更多种类的非编码RNA分子将被发 现,其功能也将逐步被阐明,非编码RNA也必将在医 药等实践中得到广泛的应用。 主要参考文献 [1]Jean MC.2005.Fewer genes,mol ̄'noncoding RNA.Science,309 (57 ̄-0):1529~1530 [2]DengW,Zhu XP,Zhao Y et a1.2006.Organization ofthe Cae- norhabditis 如笞口m small non—coding transcriptome:Genomic fea— tures.biogenesis,and expression.Genome Research,16(1):20~ 29 [3]Chen JL,Blasco MA,Greider CW et 1a.2000.Secondary structure of vertebmte telomerase RNA.Cell,100(4):503~508 [4]Kuw ̄baraT,Hsieh J,NakashimaK eta1.2OO4.A smMlmodulatory dsRNA speciifes the fate of adult neural stem cells.Cell,t16(6): 779—793 [5]Gisela S.2002.An expanding universe of noncoding RNAs.Sci— ence,296(5571):1260~}263 [6]Grosshans H,Slack FJ.2002.Micro—RNAs:small is plentifu1. 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