1、.1. 非編碼 RNA 的分類及概念1.1 分類非編碼 RNA(non-coding RNA) 是指轉錄組中不翻譯為蛋白質的RNA 分子。包括相對分子量較小的核小分子RNA(small nuclear RNA ， snRNA) 、核仁小分子RNA(small nucleolar RNAs ， snoRNA) 、微 RNA(microRNA ， miRNA) 、piwi-interacting RNA(piRNA)干擾小 RNA （Small interfering RNA，siRNA ）以及相對分子量較大的長非編碼RNA(long non-coding RNA， lncRNA) 等。1.2 概

2、念：snRNA ：核小分子RNA(small nuclear RNA)，它是真核生物轉錄后加工過程中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 （small nucleolar RNAs ），它在核糖體RNA的生物合成中發揮作用，另外還能夠指導snRNA 、 tRNA和 mRNA的轉錄后修飾。miRNAs ：微小 RNA（ microRNAs ），是一類由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 (3-untranslated region ，3-UTR)特異性結

3、合， 從而引起靶標mRNA 分子的降解或翻譯抑制，在動植物中參與轉錄后基因表達調控。piRNAs （ Piwi-interactingRNA）：piRNA 基因是一類長度為24? 32 nt 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 蛋白質結合而發揮作用。siRNA：干擾小 RNA（ Small interfering RNA），是一種小RNA 分子， 由 Dicer 酶加工而成。雙鏈 RNA 經酶切

4、后會形成很多小片段，siRNA 是 siRISC 的主要成員，激發與之互補的目標mRNA 的沉默。lncRNA ：長鏈非編碼RNA （ Long non-coding RNA ）， lncRNA 是長度大于200 個核苷酸的非編碼RNA 。研究表明，lncRNA在劑量補償效應、表觀遺傳調控、細胞周期調控和細胞分化調控等眾多生命活動中發揮重要作用，成為遺傳學研究熱點。miRNA和 siRNA的區別主要有兩點： （1） miRNA是源性的，是生物體基因的表達產物； siRNA 是外源性的，來源于病毒感染、轉座子或轉基因靶點。（ 2） miRNA 是由不完整.c.的發卡狀雙鏈RNA ，經 Drosh

5、a 和 Dicer 酶加工而成； siRNA 是由完全互補的長雙鏈RNA ，經 Dicer 酶剪切而成。圖： 莫小燕等，非編碼RNA 在腫瘤細胞糖代中的調控作用1.3 siRNA 、 miRNA 及 piRNA 的生物合成 3a： (人類 )siRNA來源于長的雙鏈 RNA 分子 ,經 Dicer 酶剪切為21-25nt 的雙鏈 RNA 片段，Dicer 酶和 dsRNA 結合蛋白將 siRNA 二聚體裝載至 Argonaute蛋白（ AGO2 ）而發揮作用；b： (人類 )miRNA由源性的生物體基因產生含有發卡結構的65-70nt長的 pri-miRNA ，該發卡結構在細胞核經Drosha

6、-DGCR8 復合物加工產生 pre-miRNA 。在細胞漿，pre-miRNA 進一步經 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。產生的初級正義 piRNA 傾向于與 MILI結合，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 可能直接裂解轉座子mRNA 。.c.

7、圖：于紅，表觀遺傳學:生物細胞非編碼RNA 調控的研究進展2、 MicroRNA的功能2.1miRNA參與細胞自噬調控1 。在自噬的啟動(induction) 、囊泡成核 (vesicle nucleation) 、囊泡延伸 (vesicle elongation) 、自噬回收 (Retrieval) 與囊泡融合 (fusion) 等幾個階段中均參與調控。此外， miRNA 也可通過其他方式調節細胞自噬。直接調控，直接作用的位點目前發現有:對 STMN1基因（該基因編碼的Stathmin 蛋白被發現參與自噬調控）， DRAM2， IRGM ，線粒體自噬受體FUNDC1和 NIX 等。間接調控，

8、即通過對細胞分子通路中重要的調控性蛋白進行調控，從而間接地調控自噬的過程。調控靶點有： SMAD4 ，FOXO3 ，ATM ，RUNX3 ，p53；EZH2 ，PI3K/AKT通路， hnRNP A1 ， EGFR 等。.c.圖：月琴等，非編碼RNA 與細胞自噬調控2.2 參與表觀遺傳調控3miRNA 可通過調控組蛋白修飾引起染色質重塑。即miRNA 可通過調控組蛋白的修飾而參與 TGS。miRNA還可通過調控DNA 甲基化酶的表達而影響DNA 甲基化參與 TGS。2.3 在腫瘤中的調節機制42.3.1 對致癌基因的調節。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

9、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節中起重要作用，miR-17-92 群簇可能通過調節兩個抑癌基因-PTEN和視網膜母細胞瘤基因（ 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部分是通過對E2F 轉錄因子基因調節實現。 最后， miR-17-92 群簇通過 ARF-p53基因通路抑制細胞凋亡，進而促進腫瘤的發展。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

10、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.c.殖和腫瘤進展。人類睪丸生殖細胞腫瘤的發生中涉及這一機制。對抑癌基因的調節。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， 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合抗凋亡蛋白基因 MCL1和致癌基因 TCL1 表現出抑癌作用。此外，在白血病患者、垂體腺瘤患者中 miR-15 和 miR-1 均表現出表達的抑

11、制。2.4 參與糖代的調控 62.4.1 miRNA 通過調控己糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代。乳腺癌細胞中白介素 -6（IL-6 ）和 miR-155 均可通過上調 hk2 基因表達來促進糖酵解。而miR-125a/ b 和 miR-143是 hk2 的反向調節者。2.4.2 miRNA 通過調控磷酸果糖激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代。人肺腺癌中肌型磷酸果糖激酶（ PFKM ）和糖酵解均上調，而 miR-320a可以下調 PFKM表達。研究發現，另一種miRNA-miR-520s 可以下調 PFKP 表達。這說明有多種miRNA可以通過調節磷酸果糖激酶來調控腫瘤細胞的糖代。2.4.3 mi

12、RNA 通過調控丙酮酸激酶基因表達影響腫瘤細胞的糖代。研究發現， PKM2 mRNA是 miR-122 的直接作用靶點，而miR-122 通過調節 PKM2 的量來調控腫瘤細胞的糖代。3. siRNA 參與表觀遺傳調控3siRNA 能在哺乳動物細胞中介導 DNA 甲基化和組蛋白修飾， 從而導致轉錄基因沉默（TGS ）。目前研究表明： Argonautes 蛋白家族 (AGO1 及 AGO2 ) ，DNMT 3a ，組蛋白去乙酰化酶（ Histone deacetylase-1, HDAC-1 ）和/或 Polycomb 蛋白家族 ( Polycomb group, PcG )的 EZH2 (

13、Enhancer of zeste homolog 2 )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 的建立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：主要出現于減數分裂的粗線期，持續表達至單倍體精子細胞階段，一般很少有重復片段；二是粗

14、線前期piRNA簇：主要出現于減數分裂前的生殖細胞，雖然具有粗線期piRNA簇的分子特征，但來源于.c.一個完全不同的簇，具有重復片段。4.1 piRNA相關的 DNA 甲基化 3piRNA的生物合成假說有兩個，一是piRNA由長單鏈分子產生；二是piRNA可能為初級轉錄產物。哺乳動物細胞的基因簇并非初級piRNA 的主要來源，而是由轉座子mRNA產生初級正義piRNA參與擴增循環。DNA 甲基酶家族（DNMT3a 、 DNMT3b 及DNMT3L ）在轉座子甲基化的形成中起主要作用。Piwi/piRNA 復合體能介導轉座子甲基化的形成，且 Piwi 途徑位于 DNA 甲基化調節因子的上游，p

15、iRNA 是生殖細胞 DNA 甲基化的特異性決定子。4.2 piRNA 參與染色體組裝 5piRNA 基因在調節染色質組裝的過程中發揮了引導作用，即piRNA 基因可募集 Piwi蛋白， HP1a，組蛋白甲基轉移酶SU（VAR ） 3-9 等表觀調控因子到基因組的特異位點，并阻止 RNA 聚合酶與基因組結合。5. lncRNA的功能lncRNA有多種不同的來源，目前認為可能是（1）編碼蛋白的基因結構中斷而轉變為lncRNA ；（ 2）染色質重組的結果，即兩個未轉錄的基因與另一個獨立的基因并列而產生含多個外顯子的lncRNA ；（ 3）由非編碼基因復制過程中的反移位產生；（ 4）由局部的串聯復制

16、子產生鄰近的非編碼RNA ；（ 5）基因中插入一個轉座成分而產生有功能的非編碼RNA 3 。5.1 參與細胞調控。長非編碼 RNA 在轉錄起始的調控、轉錄及轉錄后的調控中發揮著重要作用，因而影響著各種各樣的生物學過程，比如，劑量補償、 基因印跡、 細胞周期、 發育、配子形成等過程。分子機制：圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展誘餌分子：長非編碼RNA 通過結合目標蛋白或miRNA從而稀釋了目標分子在細胞.c.的水平，進而影響其功能。導向作用：通過與目標分子的結合，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錄

17、的方式或者作為一些小的調節RNA分子的互補配對靶分子；順式作用：通過與目標DNA分子結合形成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 識別特異染色質的復合物表面特征，引導目標基因附近的染色質改變。分子支架： lncRNA的不同功能域可以結合不同的蛋白質復合體，從而提供類似分子支架的功能，以引導相關的不同類型的大分子復合體在目標區域組裝以協同發揮調控作用。lncRNA與 miRNA轉錄后相互作用方式：圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展(a) miRNA 介導長非編碼 RNA 降解； (b) lncRNA 通過誘捕或 miRNA 海綿作用拮抗miRN

18、A ；(c)lncRNA-miRNA競爭性結合mRNA ； (d)lncRNA作為miRNA前體。此外，長非編碼RNA 還在人體發育中起到重要的作用，包括：中樞神經系統發育過程調控、心臟發育、骨骼肌發育、皮膚、造血以及脂肪發育、細胞重編程等。長非編碼RNA還在表觀遺傳方面起著調控作用2 。lncRNA的參與細胞調控的方式：通過與單一蛋白質或蛋白復合體結合，同時識別DNA/RNA序列，從而幫助蛋白復合體進行特異性位點的調控；或是充當分子支架，在蛋白.c.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源RNA(competingendogenousRNAs, ceRNA) 途徑，是指ceRN

19、A 可以通過競爭性地結合miRNA 來調節基因的表達。lncRNA 參與細胞自噬的調控：在3BDO 藥物的存在下，FLJ11812（位于基因TGFB2的 3UTR區的 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。進一步研究發現， FLJ11812 可以通過 ceRNA 的途徑與 ATG13 競爭性的結合 miR-4459 ，從而達成其對自噬的調節作用。此外，兩個 lncRNA 被發現在癌癥中調節細胞自噬：MEG3 在膀胱癌細胞中抑制自噬；過表達的

20、HULC 在胃癌細胞中被發現能夠促進細胞自噬。15.2 參與調節表觀遺傳LncRNA 通過參與基因組印記( Genomicimprinting)和 X染色體失活 ( X chromosomeinactive) 控制表觀性狀，參與的這兩個過程分別與H19 和 XistRNA密切相關。近來有學者在人和鼠細胞中發現H19 RNA 是 miR-675 的前體 ， 提示 H19RNA可能通過 miRNA發揮基因調控作用。基因組印記除了與H19基因簇有關，還有Kcnq1ot1、 Air 及 Nespas 基因的參與。 Xist RNA(17 kb 長的非編碼 RNA) 對于哺乳動物細胞X 染色體失活非常重

21、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 結構域或成分相連， 在失活染色體表面形成 “外套 ”并以順式方式介導基因沉默。近來研究表明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 Dicer 酶剪切成為小干擾 RNA ， 其對于失活的X 染色體上異染色質的修飾是必需的。這兩個不同的途徑或許可以協調lncRNA 和小 RNA在染色質重塑方面的作用，同時提示RNA 調控存在著一個更為復雜的、交互的網絡3 。此外，

22、lncRNA在組蛋白修飾中發揮作用。lncRNA可以通過自身形成的莖環結構與核心蛋白抑制復合體PRC2 結合，后者促進組蛋白H3 第 27 位賴氨酸殘基甲基化。lncRNA 不僅能引發組蛋白修飾，也能調節組蛋白的去修飾，位于HoxC 位點的 lncRNA-HOTAIR如同分子支架，其5 末端區域與PRC2 結合， 3 末端區域與組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1（ LSD1 ）結合，將兩個功能截然不同的組蛋白修飾物到特殊的作用位點，以調節組蛋白的修飾過程。部分 lncRNA 參與基因分子的選擇性剪接， 特里帕蒂等發現細胞核的 lncRNA-MALAT1.c.能影響絲氨酸，精氨酸富含性剪接因子在細胞核

23、的分布而調節基因的選擇性剪接。lncRNA 在翻譯后水平也有調節作用。它可以折疊成高級結構與特定的蛋白質結合形成核酸 - 蛋白質復合物，Paraspeckle 是哺乳動物細胞核中分散的核質蛋白體，lncRNA-Men /是 paraspeckle 的組成成分，lncRNA-Men /和相關paraspeckle 蛋白質結合后能改變paraspeckle 在細胞核的定位，從而在細胞核組裝和解聚過程中起重要作用5 。5.3 參與癌癥的調控值得注意的是，長非編碼RNA 與癌癥等有著密切的關系，對癌癥的發生、發展及轉移產生重要的影響。有一些長非編碼RNA ，比如 PCA3 、 PCGEM1 、 PCA

24、T1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在原發性肝癌中表達水平發生了顯著變化，并具有重要作用2 。圖：曉敏等，長非編碼RNA 研究進展其中， HOTAIR 在原發性和轉移性乳腺癌中高表達，且與腫瘤轉移和低生存率相關，研究發現 HOTAIR 的 5 端可結合 PRC2，而其 3 端可結合 LSD1 。 HOTAIR 的雙向功能可能有利于對組蛋白進行修飾，從而促進腫瘤的轉移4 。INK4b-ARFINK4a的表達產物參與構成腫瘤抑制網絡，調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

25、，lncRNA和miRNA 可協同介導抑癌基因失調4 。5.4 參與糖代的調節 65.4.1 lncRNA 通過調控癌基因表達影響腫瘤細胞的糖代。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， 細胞代和細胞凋亡中發揮著重要作用。研究發現，c-Myc 可以直接調控參與糖代的基因，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。5.4.2 lncRNA 受胰島素 /胰島素樣生長因子調控而影響腫瘤細胞的糖代。糖代與胰島素信號.c.通路密切相關， 所以調控該通路的lncRNA 也可間接調控糖代，而胰島素信號通路也可反過來調控lncRNA 。 lncRNA大腸癌差異表達轉錄本（CRNDE ）受胰島素 /胰島素樣生長因子（ IGF ）調控。