miRNA、lncRNA、circRNA的基础知识详解

miRNA

1、背景介绍

       小分子DNA(miRNA)是一类存在于动植物体内、大小为2l一25 nt的内源性非编码单链小分子RNA，对生物体转录后的基因表达调控起关键作用。

 

       1993年，首次在秀丽隐杆线虫中发现miRNA zBt_4；7年后，在果蝇中发现第2个IIliRNA如t一7。在进化中的保守性分析使科学家惊异地发现miRNA如卜7的形成至少需要有Dmsha，DGCR8(Pasha)、Dicer等2种RNA酶(RNaseⅢ)的参与。Dmsha，DGCR8定位于细胞核内，它能剪切miRNA前体转录物(研一miRNA)，从而释放出具有发夹结构、大小为70 nt左右的pre—miRNA，后者在转运受体Exportin一5(Exp5)的作用下被转运至细胞质，然后被胞质中的另一种RNaseⅢ蛋白Dicer剪切，最终被船工成成熟的miRNA。

 

       动物的miRNA位于前体mRNA的内含子中，这种安排将使mRNA基因和内含子中miRNA共同转录。近年来，发现和鉴定的miRNAs越来越多，但植物miRNAs仅占很小一部分，且主要集中于拟南芥和水稻等少数模式植物中，植物miRNA的靶基因大多编码转录因子，与植物的生长、发育密切相关；而在动物和人中发现大量miR—NA，已证实在动物的生长、发育和疾病发生等过程中起重要作用。
 

2、miRNA的生物功能

真核生物

       miRNA在调节植物对环境胁迫如干旱、盐害和养分的胁迫反应等方面起着重要的作用。成熟的miRNA先与一种称为RNA诱导沉默复合体(RNA—indlIced silencing complex，R1SC)的复合物结合，再特异性地与目标mRNA结合，引起靶mRNA的降解。由于植物miRNA与其靶mRNA具有很高的碱基互补性，因而植物miRNA的作用方式可能更像小分子RNA干涉(smallinte如而ng RNA，siRNA).与植物相反，在动物细胞中大多数miRNA与其靶mRNA并不完全互补，miRNA则通过与对应mRNA的3’端非翻译区(3’UTR)结合阻止转录后的翻译，从而起到调节基因表达的作用。

 

       在人类miRNA的研究中，Calin等发现约有50％的miRNAs基因位于与肿瘤相关的染色体区域内，如染色体发生杂合性缺失的区域、发生重排和扩增及断裂点的区域等，提示miRNA基因的表达可能与肿瘤发生相关。此外，已有研究表明，miRNA对细胞的增殖、分化、凋亡和癌症发生有重要的调控作用，其在正常组织和肿瘤组织中的表达有着显著差异，有些miRNA会在肿瘤组织中有低表达，有些则在肿瘤组织中有高表达，这说明miRNA在肿瘤发生过程中起了至关重要的作用。

 

原核生物

       miRNA除了在多细胞生物中发挥重要的调节作用外，还广泛存在于单细胞生物中。单细胞生物中的miRNA，都可在体内和体外对靶标mRNA进行切割，这与植物中发现的miRNA一致，但与多细胞生物中的miRNA具有显著差异，这提示miRNA通路形成于这两条进化支系分离之前，而且单细胞生物中的miRNA是独立进化而来近年来的研究表明，一些病毒也编码大量的miRNAs，它们在病毒的复制和感染过程中发挥着至关重要的作用。

 

3、miRNA的预测与鉴定

       自从第一个miRNA发现以来，已经冉现了多种鉴定、预测、分析miRNA的方法，这些方法各有优缺点，主要有以下几种方法。

 

（1）cDNA文库法

       该方法是首先从细胞组织中提取总RNA，用聚丙烯酰胺凝胶进行电泳，回收大小为20～25个核苷酸的RNA分子，利用T4连接酶，直接将人工合成的3’和5’接头连接到RNA上，经PCR反转录扩增这些序列，建立miRNAs的cDNA文库，进行克隆、测序，然后用生物信息学软件定位其在基因组中的位置，并验证是否具有发夹结构的前体和该发夹结构在其它物种中的保守性，最后将具有发夹结构的小分子RNA进行Northem杂交等来检测其表达情况，将符合miRNA标准的小分子RNA鉴定为新的miRNA。

 

 (2)生物信息学分析

       由于大部分成熟的miRNAs序列是高度保守的，所以可以通过表达序列标签(EsT)和基因组序列(CSS)的生物信息学比对，来搜索或预测在其他生物中的未知miRNAs，再根据miRNAs与靶基因mRNAs完全或部分互补的特性预测其靶基因。

 

lncRNA

1、背景介绍

       长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是指长度大于200 个核苷酸的不参与蛋白质编码过程的DNA 转录产物。近年来，这类lncRNA 在表观遗传、转录及转录后水平上调控基因表达方面的研究比较广泛，已获得较为深刻的认知。最近人们认识到lncRNA 在许多的生理、病理途径中发挥着一定的作用，比如干细胞全能性、神经生长分化与肿瘤发生等。

 

2、生物功能

        LncRNA 起初被认为是没有功能的转录垃圾。在经过大量研究论证后，大多数的lncRNA 被确定是转录和翻译过程中的关键调控因子，在细胞正常功能发挥中有着重要的影响。比如染色质重塑、转录及转录后调控、细胞内物质运输、细胞核亚结构形成、干细胞多能性、体细胞重编程、发育调控、疾病发生等。在发挥这些功能时，lncRNA 通过不同的作用途径及方式实现基因表达的调控。包括顺式调节与反式调节方式。另外，lncRNA 可以借助蛋白质与microRNA 网络这两种不同途径来发挥具体的作用。

 

3、预测

基于RNA-Seq的lncRNA预测流程

 

4、 IncRNA 与表观遗传的关系

       染色质是细胞核的主要组分，由DNA 和蛋白质组成。染色质在DNA 的包装、复制和基因表达中发挥着重要的作用。一般认为，表观遗传控制机制是在染色质水平的调节，是DNA 的序列不发生改变，而基因表达却发生变化的遗传机制，表现在两代不同个体拥有相同的基因组DNA 序列但却发生了可遗传的变异。目前关于其调控机制的研究集中在DNA 的共价修饰（如甲基化）、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA 等。

 

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circRNA

1、背景介绍

        环状RNA（Circular RNA，circRNA）是一类具有闭合环状结构的内源性非编码RNA（noncoding RNA，ncRNA），主要由前体RNA（pre-mRNA）通过可变剪切加工产生，circRNA 广泛存在于所有真核生物中，并且非常稳定。目前，circRNA 的研究已经成为了RNA 研究领域的新热点，研究发现circRNA 在转录本中占有相当大的比例，有的表达丰度甚至显著高于其他转录本。

 

        同时，circRNA 对基因的表达有重要调控作用，在生物的发育进程中发挥了重要的生物学功能，如充当miRNA 海绵、作为内源性RNA 以及生物标记物，在疾病的诊断与治疗中也发挥重要作用。研究发现circRNA 在一些疾病的发生中扮演了重要角色，包括动脉硬化、神经系统紊乱、糖尿病和癌症的发生。

 

2、环状RNA 的特征

目前已鉴定的circRNA 主要有以下特征：

 

        circRNA 存在于多种真核生物中，在同种生物的不同组织中也广泛存在。它们在人体细胞中广泛表达，有些circRNA 的表达水平甚至超过其线性异构体10 倍之多。多数具有高度保守序列，仅少数在进化上不保守；大多数定位于细胞质中，少数定位于细胞核内；

        多由一个或多个外显子形成，少数来源于内含子或内含子片段；大部分是非编码RNA（noncoding RNA，ncRNA）；

        circRNA 呈闭合环状结构，不具有像线性RNA 的5' 和3' 游离末端，不易被RNA核糖核酸酶R（Ribonuclease R，RNase R）分解，与线性RNA 相比更稳定。环状RNA 的半衰期一般超过48 h，可利用RNase R 消化其他RNA，提纯circRNA。因此RNase R 的处理对circRNA 起富集作用，并成为判定RNA 是否成环的一个重要条件。

        部分circRNA 拥有miRNA 应答元件（miRNA response element，MRE）， 具有miRNAsponge 功能，与miRNA 相互作用，调控靶基因的表达；

大多数circRNA 能在转录或转录后水平发挥调控作用，少数能在转录水平发挥作用。 环状RNA（circular RNA，circRNA）呈闭合环状，是一类不具有5'  末端帽子和3'             末端尾巴的特殊内源性非编码RNA，主要由外显子转录产物组成，是目前RNA 研究领域的新热点。

circRNA 普遍存在于人、鼠、线虫、猕猴、果蝇、枪棘鱼等各类动物体内。

 

        研究发现circRNA 在转录本中实际上所占比例相当大，一些基因的circRNA 表达量至少是其线性转录本的10 倍。

 

3、预测和分析

 

漫话circRNA

如何做circRNA的表达和功能验证？

circRNA分析工具集-CIRCexplorer介绍

 

4、研究热点

        circRNA 的研究还刚刚兴起，但其重要性引起了国际上学者的高度重视，并逐渐揭开circRNA 的面纱。circRNA 的广泛性，保守性及组织特异性等特质，都预示着它可能成为一种新型的生物标志物。

 

        circRNA 参与了生物的生长发育、衰老、疾病等多种生命活动过程，在转录后水平具有调控基因表达的重要功能。对circRNA 进行研究具有重要意义：circRNA 独具的竞争性内源（ceRNA）特征可为药物开发提供新的思路；circRNA 的组织特异性和稳定性有可能使circRNA 成为一种良好的生物标志物；circRNA 的研究为生命的进化提供新的研究方向。目前在畜禽上关于circRNA 鉴定及功能研究报道寥寥无几。

 

        circRNA 的世界仍有许多未知等待我们去探索。随着分子生物学技术的不断进步，相信在未来几年，会有大量的circRNA 及其功能在疾病、动植物中的表达与生物学作用被研究者发现。

 

piRNA

1、背景介绍

        piRNA(PIWI-interacting RNA)是一类可在生殖细胞中大量表达，并与PIWI蛋白相互作用的非编码小RNA( non-coding RNA,ncRNA)，通过沉默转座元件和调控编码mRNA维持动物基因组稳定，在生殖细胞发育分化过程中发挥重要作用同时，piRNA的异常表达与肿瘤的关系密切。本文对piRNAs的发生通路、调控方式、生物学功能及其在癌症中的研究进展进行论述，为精准医疗的发展及动物杂交后代雄性不育的研究提供新的视角。

 

2、发现

        Aravin 等利用MILI(PIWI2) 核糖核蛋白复合体免疫共沉淀技术在三月龄雄性C57BL/6J 小鼠睾丸中分离出核糖核酸，并利用MILI pep N2 的抗体进行亲

和纯化，克隆测序发现了长度在26 ～ 28nt 和30nt 左右的小RNA，进一步序列分析发现这一类小RNA 长度在18 ～ 26 nt 和24 ～ 33 nt 之间， 其中大部分为MILI interacting RNA 和 5` 端尿嘧啶亲和RNA，基因组聚类分析表明绝大部分MILI interacting RNA 序列来自基因同一区域，由于与这些小RNA 作用的Mili 蛋白属于PIWI(P-element induced wimpy testis) 蛋白家族成员，故将该小RNA 类群命名为PIWI-interacting RNA 即piRNA。

 

3、piRNA的生成途径

        研究表明，包括小鼠、果蝇在内大多数动物的piRNA 都具有初级合成和次级合成两种途径，且两种途径共同作用，在不同的调控模式中具有重要的功能体现。

 

4、piRNA的生物学功能

 

（1） 转座子的转录后水平沉默

转座子作为一种具有自私性的个体遗传元件，其引起的转座突变对于生物个体仍具有一定威胁，但包括某些软体动物在内的许多物种均存在生殖特异性

piRNA 在转录后水平沉默转座子机制，维持了生殖细胞稳定性和完整性。

 

 （2）piRNA对mRNA的调控

 

piRNA 除对转座子活性具有明显影响外，对生殖细胞的形成也具有显著调控作用，主要体现在对编码蛋白mRNA 的调节作用上。