miRNA and lncRNA

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1、1Micro RNA and long noncoding RNA 综述 那木嘎 求璐慧 王志豪 王从南 摘要：摘要：近来，人类发现了一些不同种类的小 RNA 分子 ,其中 miRNA 是人类新发现的一类小 RNA ,它在进化上具有保守性 ,在数量、序列、结构、表达和功能上具有多样性。miRNA 的 主要功能是调节内源基因表达，它在基因活动调控网络中扮演了重要的角色。人类基因组 DNA 信息分析显示，基因组中编码序列不超过 2%，其余为非编码序列，其中能够稳定转录 的部分的长的称之为长链非编码 RNA( long noncoding RNA,lncRNA) 基因。lncRNA 可在 遗传水平、

2、转录水平和转录后水平调控基因的表达，广泛参与机体的生理和病理过程，在 恶性肿瘤的发生和发展中起着重要作用。本文就 miRNA 和 lncRNA 的结构、功能及应用做一 综述。 关键词：关键词： miRNA；长链非编码 RNA；基因表达；调控基因；疾病治疗这些年来，人类发现了一些不同种类的 RNA 分子，其中最为重要的是小 RNA 分子的发现。据报道有些小 RNA 能直接调控某些基因的开关，从而控制细 胞的生长发育，并决定细胞分化的组织类型，在生命活动中发挥了重要调控作 用，尤其在疾病的治疗中起了举足轻重的作用。长链非编码 RNA(long noncoding RNA 或 long noncod

3、ing RNA，lncRNA)亦称长非编码 RNA，是一 类不编码蛋白质且转录本长度超过 200 个核苷酸的 RNA 分子的总称。近期研 究发现，lncRNA 虽然不能被翻译成蛋白质，但它参与许多生命活动，在基因转 录调控、翻译后修饰和表观遗传学调控等方面有十分重要的作用，并且和疾病 的发生、发展、诊断及治疗有密切的关系1。因此本文就 miRNA 和 lncRNA 的 来源、结构、功能及应用于研究的领域做一综述。1 Micro RNA1.1 miRNA 的研究起始1993 年由 Lee2等在秀丽隐杆线虫中发现第 1 个 22 nt 的小分子非编码 RNA 即 miRNA。起初命名为小短暂 RN

4、A，之所以如此命名是因为 miRNA 的表达具 有阶段性也就是时间性。当时发现了两种 miRNA，一种是 lin4 和另一种 let7， 均来源于非编码蛋白基因，其功能是结合靶 mRNA 3端的非翻译区来阻抑靶基 因的翻译3。1.2 miRNA 的生成与结构miRNA 是一类长约 21 25 个核苷酸的小分子非编码 RNA 分子片段，广泛 存在于多种真核生物中，从低等生物到人类都有其存在的痕迹，其生成与 siRNA 相似，生成至少需要两个步骤：a.由长的内源性转录(pri-miRNA)生成 70nt 的 miRNA 前体（pre-miRNA)；b.将 pre-miRNA 加工为成熟的 miRN

5、A。Pre- miRNA 是由内源性基因间区的 DNA 反向重复序列转录而来，它是一种长约 70nt 的非编码 RNA，据推测其结构可能为茎-环结构也即发夹结构。Pre-miRNA 在 Dicer 酶的作用下被剪切成 miRNA，miRNA 也只是 Pre-miRNA 茎中的一个臂。2miRNA 与其它寡核苷酸相比，主要由三点不同：a.产物长度约为 22nt；b.5端 是磷酸基；c.3端是羟基，通过对比克隆的 RNA 片段发现，miRNA 有独特的长 度和序列特征，这是在其它小 RNA 中是尚未发现的。miRNA 的 5端第一个碱基 对 U 有强烈的倾向性，而对 G 却有抗性，但第二个到四个碱

6、基缺乏 U，一般来 讲，除第四个碱基外，其他位置碱基通常都缺乏 C，这些参数变化并不存在于 所有 RNA 片段中，是 miRNA 特有的碱基组成结构。miRNA 的表达具有组织特异 性和阶段特异性，在不同组织中表达有不同类型的 miRNA，在生物发育的不同 阶段里有不同的 miRNA 表达。1.3 miRNA 的作用机制45miRNA 是一类新发现的基因调节剂, miRNA 的发现使我们对基因表达调控有 了一个全新的认识,miRNA 以干扰 mRNA 翻译的方式负向调控基因的表达,其作用 模式有:( 1)与靶标基因 3非翻译区(3UTR)不完全互补结合,进而抑制翻译 而不影响 mRNA 的稳定

7、性(不改变 mRNA 丰度)，该方式常见于动物；( 2)与靶标 基因 3 UTR 完全互补结合,作用方式和功能与 siRNA 非常类似，最后导致靶 mRNA 的降解，该方式常见于植物。有报道证明,miRNAs 通过引导 mRNAs 的快速 脱腺苷酸化影响 mRNAs 稳定进而调控基因的表达6。 1.4 miRNA 的生物功能71.4.1 调节细胞周期miRNA 对细胞周期有反馈调控作用，这种反馈调节的机制在细胞中广泛存 在。miR-17-92 簇中的 miRNA，比如 miR-17-5p 和 miR-20a 可以被转录因子 E2F 转录活化，这些活化的 miRNA 均可靶定 E2F 的 mRN

8、A，影响 E2F 的蛋白合成，预 防细胞周期中的关键分子 E2F 的异常积累，对增殖信号进行严格控制。转录因 子 E2F 家族是细胞周期调控和凋亡过程中重要的调控分子，家族中的 E2F1-3 可使静止的细胞进入 S 期。1.4.2 调节干细胞自我更新过程8干细胞与肿瘤细胞一样都可以持续分裂。因此，如何恰当调节细胞分裂， 既保证不会导致组织产生缺陷，又不至于过分增殖恶化为肿瘤是当前干细胞研 究的一个重要问题。在多能的胚胎干细胞中，有特殊 miRNA 的簇集表达，这些 miRNA 明显区别于分化之后的胚胎和成体，暗示这些 miRNA 在干细胞自我更新 中起重要作用，并具有高度保守性。胚胎干细胞是通

9、过 miRNA 通路来调节 p21/p27/Dacapo 对 CDK 的抑制作用从而使自身停滞在 G1/S 期。当外界环境不 利于干细胞分裂时，关键的 miRNA 被下调，使 p21/p27/Dacapo 的水平上升，从 而导致干细胞停滞在 G1/S 期。1.4.3 调节细胞分化miRNA 调控细胞的分化是一个复杂的过程，其调控基因的方式是多对多的， 也就是说，一个 miRNA 分子可以有多个靶基因，它可以在一个细胞里同时调控 多个靶基因来影响该细胞的分化，也可以通过对不同细胞中不同的靶基因的调 控使得不同的细胞执行不同的功能。1.4.4 调节生长发育3心脏是一个在分子水平上进化非常保守的器官

10、，miR-1 在心肌细胞中的表 达可以使其在分化初期便退出细胞周期9。miR-1-2 是心肌特异性表达的 miRNA，缺失 miR-1-2 后的小鼠心脏经基因芯片检测有大量的细胞周期和肿瘤 相关基因的表达谱改变，如 CDK4 的水平明显升高。在人类中，缺失 miR-1-2 的 成年人虽然具有正常的心脏功能，但经超声心动扫描后发现心肌增厚。以上研 究表明，正常表达的 miR-1-2 是心肌细胞保持周期停滞的必要调控因子，miR- 1-2 的突变可能是某些心脏病潜在的致病因素之一。神经系统在其发育过程中 也有众多的 miRNA 在胚胎脑组织中表达，在神经细胞分化的过程中，miR-30 通过下调以上

11、两种蛋白的表达抑制神经元的细胞周期进程，但是，至今没有更 多 miRNA 参与神经元分化周期调控的实验证据。1.4.5 参与机体正常生理功能的调节10miRNA 是调节生长发育的重要因子, 研究表明 Dicer 酶缺乏的斑马鱼由于 m iRNA 合成障碍,其生长发育不能正常进行,受精后 2 周因生长停滞死亡。Dicer 酶缺乏的小鼠原肠胚形成障碍,多能干细胞缺乏因而死亡。肌细胞特异性 miRNA-1(miR-1)和 miRNA-133(miR-133)与调节心脏形成密切相关, 胚胎时期 m iR-1 水平较低, 有利于心肌细胞分化；心脏分化成熟后, miR-1 表达增加可适 时关闭 Hand2

12、 蛋白表达,保证心脏发育正常；1.4.6 在造血调控中的作用造血是指多能干细胞在造血系统中受局部微环境的调控,通过不对称分裂和 多向分化生成各种血细胞的祖细胞,再经过一系列增殖分化为成熟的细胞,并释 放入血的过程。在骨髓、脾脏、胸腺中存在着不同的血细胞。最初研究发现几 种特定的 miRNA 选择性地在特异的血细胞中表达不同类型的血细胞表达不同 m iRNAs,部分 miRNA 可影响造血细胞的定向分化。1.5 miRNA 的应用1.5.1 miRNA 在肿瘤的诊断中的作用不同 miRNA 分子之间的组织特异性表达特征十分明显，miRNA 表达谱不仅 在区分正常组织来源中发挥重要作用，而且在同类

13、肿瘤的鉴别诊断、在 B 细胞 型慢性淋巴细胞性白血病细胞和肺癌、乳腺癌的大样本研究中也可以发挥重要 作用，即在肿瘤组织和正常组织之间，miRNA 的表达谱有显著差异。存在部分 miRNA 可以作为分子特征在肿瘤的诊断发挥作用。1.5.2 miRNA 在肿瘤的治疗中的作用miRNA 相关的肿瘤发生通常是由于某些特定的 miRNA 低表达或者不表达， 或者某些特定的 miRNA 高表达。编码 let-7 家族的分子可以用于治疗某些特殊 肿瘤如肺癌等，通过病毒或脂质体将 miRNA 分子转染细胞，这些技术通过在组 织特异性的启动控制下表达 pre-miRNA 发夹和侧序列，激起内源性的 miRNA

14、加 工和产生以抑制靶基因；miRNA 影响细胞毒药物的敏感性，近年来,miRNA 在影 响细胞毒药物敏感性方面的作用逐渐受到人们重视,其在多种肿瘤中的相关基础 及临床研究也逐渐进行，例如在胃肠道癌与肺癌、乳腺癌、卵巢癌与子宫颈癌、 前列腺癌等临床治疗中其的重要作用；miRNA 影响生物靶向药物敏感型；miRNA4影响内分泌药物敏感性。1.5.3 miRNA 在白血病中的治疗白血病是以髓源或淋巴源血前体细胞的异常增生为特征的异质性疾病，白 血病是造血系统的恶性肿瘤, 其特征为白血病细胞在骨髓及其他造血组织中无 限增生, 周围血细胞有量和质的变化。目前研究表明,部分 miRNA 可影响造血细 胞的

15、定向分化,与白血病、淋巴瘤的发病有关。因此,了解并阐明白血病细胞与 m iRNA 的关系,有助于揭示白血病发生的分子机制,还能够以特定的 miRNA 和靶 基因为靶标, 实现药物靶向治疗。2 长链非编码 RNA（lncRNA) 2.1 lncRNA 的概述与来源11lncRNA 源于两个基因间或基因内，有些是 miRNA 来源的前体。其实，最早 描写的 lncRNA 先于 miRNA，只是当时还未产生这个词。第一个描写的 lncRNA 是印记的 H19 基因，而后相继发现了对 X 染色体失活起重要作用的 XIST lncRNA12。LncRNA 与 mRNA 有很多相似点，如通常由 RNA 转

16、录酶转录，转录本 具有 5帽子（5-capping）及多聚腺苷酸（poly A）结构，因此曾被称为 mRNA 样的长链 RNA(mRNA-like long RNA） 。不同的是,lncRNA 因缺乏开放阅读 框(open reading frame,ORF） ，故而不能编码蛋白。已知的大多数 lncRNA 和 mRNA 存在重叠的区域，基因组中的许多转录点常常既转录 mRNA，也转录 lncRNA，蛋白质编码基因两条链中的任意一条都可能转录 lncRNA。lncRNA 也可 能位于编码 mRNA 基因之间的序列或编码 mRNA 基因的外显子或内含子中。关于 来源有许多说法，如：（1）lncRNA 是由蛋白质编码基因演变而来的，某些原 本编码蛋白质的基因可能在早期进化的过程中，由于 ORF 遭到突变而失去原有 功能，使得残留的片段变成了具有一定调控功能的 lncRNA；（2）染色体的重 排导致原先在染色体上相距较远的非转录片段彼此靠近，进而产