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综述
CncRNAs的研究进展
中华检验医学杂志, 2017,40(07): 540-543. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1009-9158.2017.07.014
摘要

RNA作为蛋白编码分子或非编码分子,参与调控生物体中各种重要的生命活动。近年来又发现第3类同时具有编码和非编码功能的RNA分子,被命名为"CncRNAs(coding and non-coding RNA)"。在此,对CncRNAs的形成来源、特征及其功能的研究进展进行阐述,以深入了解和发现生物体内基因组和转录组中精细的基因调控网络。(中华检验医学杂志,2017, 40:540-543)

引用本文: 王彦卓, 娄晓丽, 侯彦强. CncRNAs的研究进展 [J]. 中华检验医学杂志,2017,40( 7 ): 540-543. DOI: 10.3760/cma.j.issn.1009-9158.2017.07.014
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因深受中心法则影响,RNA被认为在基因组中不具调控作用[1]。而在人类基因组的30亿个碱基对中,仅有1.5%的核酸序列能编码蛋白,剩余98.5%的基因组均为非蛋白编码序列,这些没有被翻译的RNA即为非编码RNA(noncoding RNA,ncRNA),广泛参与了生命活动各种调控过程[2],ncRNAs的突变或异常表达常与人类疾病的发生密切相关。

最新研究[3]发现,RNA除单独作为蛋白编码或非编码分子参与生物体中各种生命活动外,还可能同时具有编码和非编码的双重功能。2015年,科学家Pooja Kumari和Karuna Sampath正式提出第三类既能编码蛋白又能以RNA形式发挥非编码功能的RNA分子,并命名为CncRNAs (coding and non-coding RNAs)[3]。本文旨在对近年来发现的CncRNAs及其功能机制的研究进展进行阐述。

一、CncRNAs的产生来源

目前发现,CncRNAs的来源主要有3类。

第1类,某些lncRNAs经注释后存在编码区,并非仅发挥非编码功能。这些核糖体相关编码区多为编码短肽的sORF[4],如lncRNA MALAT1在肿瘤转移过程中,高表达于细胞核内,其编码区包含一段与核糖体高度相关的sORF[5]。此外,某些进化保守的sORF存在于多种生物体基因组中[6],其发挥的功能可能不仅只是lncRNAs的非编码功能。

第2类,某些蛋白编码mRNA还具有蛋白定位及充当脚手架的功能[1],这些非编码过程常通过3′端非编码区(Non-coding regions, UTRs)的顺反式作用元件介导。如DMPKSqt mRNA的3′UTR区均含有RNA结合蛋白(RNA binding protein, RBP)的识别模块,在胚胎早期参与诱导RBP脚手架的形成[7]

第3类,某些蛋白编码RNA具有非编码型异构体,主要集中在细胞核,大部分是加工后的转录本,小部分是内含子。非编码型异构体的产生原因是可变剪接时发生无义突变(PTC)或ORF遭到破坏[8],或者等位基因特异性亚型杂合突变造成编码功能的丧失[9]。等位基因特异性亚型常发现于癌细胞中,推测编码和非编码型异构体在癌症起源中发挥作用[10]

二、CncRNAs的特征及功能

研究发现,CncRNAs普遍存在于各类生物基因组中,如动物来源的VegT RNA、Oskar RNA、Squint RNA,植物来源的ENOD40 RNA、MtHAP2-1 RNA、miPEPs,细菌来源的RNAⅢ RNA、SgrS RNA、SR1 RNA等,见表1

表1

各类已发现CncRNAs的功能特征

表1

各类已发现CncRNAs的功能特征

CncRNAs物种编码功能非编码功能
VegT有爪蟾蜍编码T-box转录因子家族成员,影响胚胎中胚层和内胚层的形成[11]维持细胞植物半球皮层细胞骨架的稳定,协助母体mRNA的正确锚定及形成生发颗粒[11]
Oskar果蝇编码Osk蛋白来调节自身RNA定位,以及招募生殖细胞特异性RNA解旋酶来调控胚细胞的种质装配[12]Osk mRNA的3′UTR非编码区在早期成卵期可能作为脚手架参与核糖体蛋白复合体的组装[13]
Squint斑马鱼在斑马鱼原肠胚形成期,作为Nodal信号因子,对胚胎形成和中内胚层特化发挥功能[14,15]3′UTR非编码区参与调节早期卵母细胞功能,利于背轴特化[16]
ENOD40苜蓿、水稻、拟南芥由高度保守的sORF所编码的肽段能结合蔗糖合酶(SUC1)并抑制其磷酸化,防止被蛋白酶体降解[17,18]在根瘤形成早期,调控植物的结瘤[19]
MtHAP2-1蒺藜苜蓿编码的肽段uORF1p能通过结合MtHAP2-1 5′UTR区抑制翻译,调控MtHAP2-1的空间定位及植物生瘤[20]结节分生组织中关键的调节因子,调控根瘤的发育[20]
miPEPs蒺藜苜蓿miRNA前体序列miR171b的5′端存在2个sORF,其中较长的sORF编码蛋白miPEP171b,参与根的后期发育[21]miPEPs的高表达与miRNAs的积累呈正相关,miPEPs可能充当此过程的转录调节因子[21]
RNA金黄色葡萄球菌编码δ-溶血素(Hld),靶向宿主细胞膜,导致溶解[22]维持转录因子(Rot、MgrA),毒力因子(葡萄球菌A蛋白、凝固酵素、纤维蛋白原结合蛋白SA1000、α-溶血素Hla)和细胞壁代谢酶等的编码mRNA的稳定并调控其转录和翻译[23,24,25,26]
SgrS大肠埃希菌编码蛋白SgrT,能在葡萄糖-磷酸应激中抑制葡萄糖转运活性成分[27]维持葡萄糖转运蛋白如Pts、manXYZ等的稳定,参与翻译调控[28];SgrS 3′端有一段与ptsG mRNA中核糖体结合位点序列互补的保守序列,参与翻译抑制[29]
SR1枯草芽胞杆菌编码蛋白SR1P,在糖分解过程中结合操纵子蛋白GapA并维持其稳定[30]诱导转录激活因子ahrC的核糖体结合位点的下游发生结构变异以抑制其翻译起始[31],而ahrC具有调控精氨酸分解代谢的操纵子rhoABC和rhoDEF的功能[32]

此外,CncRNAs还广泛参与人类疾病进程中多个重要的调控过程,如SRAp53、Irs1 RNA等,如下。

类固醇受体RNA激活剂(SRA):SRA在哺乳动物的肌细胞分化中发挥双重功能[33]SRA mRNA中虽包含ORF,但无编码蛋白,仅发挥非编码功能,如SRA能共激活成肌分化因子MyoD,促进成肌细胞的分化及非肌细胞向心肌细胞的转化[34]。但随后发现SRA能编码蛋白SRAP,SRAP能在肌肉分化时阻碍由SRA介导的MyoD激活,被认为是类固醇激素受体的一类反式激活因子[34]。另有研究[35]发现SRA ncRNA和SRAP在乳腺癌细胞系中均存在,非编码SRA在侵袭性细胞系中表达更高,SRA RNA在乳腺癌组织中的表达远高于癌旁组织,且与肿瘤的进展呈正相关。

p53:重要的肿瘤抑制基因,编码的肿瘤抑制蛋白TP53能作为转录因子参与增殖、凋亡和DNA修复等过程[36]。E3泛素连接酶MDM2能负调控TP53的过度持续激活,p53 mRNA能直接结合MDM2N端,抑制其E3连接酶活性,帮助维持TP53的稳定并促进其翻译[37]。此外,p53 mRNA上还存在一段序列能结合MDM2上的环型域并被多聚泛素化,将该序列沉默突变后,p53与MDM2的结合减弱,TP53活性降低。因此,p53 mRNA像是一种开关来控制MDM2对TP53的调节,发挥非编码功能[38,39]

Irs1:是胰岛素受体酪氨酸激酶作用的底物,磷酸化后的Irs1蛋白能结合并激活下游效应物,参与胰岛素信号转导[41]。敲除Irs1会引起小鼠生长减缓和胰岛素抵抗。Irs1的表达水平通常较低,表达异常升高常与癌症相关[41]。Nagano等[41]发现Irs1 mRNA 5′端序列能与编码视网膜母细胞瘤(RB)中细胞周期调节因子的RNA序列互补,过表达该5′端序列会降低Rb mRNA表达,反之则Rb mRNA表达升高,同时成肌细胞的分化能力显著增强,表明Irs1具有RNA调控功能,且该非编码功能与编码功能相互独立。

三、CncRNAs的功能机制

目前,对lncRNAs的功能机制研究已较成熟,以诱饵、引导、骨架及信号形式发挥非编码功能,CncRNAs与之相似,表现为5种方式:诱饵、调控、隔离、骨架及感受器[42]

1.诱饵:

充当miRNAs的分子"海绵",竞争性结合miRNA调控基因表达,类似竞争性内源RNA(ceRNAs)。CeRNAs通过互补性结合miRNA上某段序列抑制miRNA与靶基因结合,CncRNAs也能通过碱基配对诱捕小的调控RNA,抑制下游翻译。如Ube3a1 RNA中存在本身是非编码区的内含子,也能作为分子"海绵"诱捕miRNA-134,抑制miRNA-134靶向结合Ube3a2/3[43]

2.调控:

在不同的转录起始位点,竞争性结合靶基因mRNA完成调控。如Irs1 RNA的5′UTR序列竞争性结合Rb mRNA,降低Rb蛋白表达,抑制骨骼肌细胞分化[41]。大肠杆菌中的SgrS,其3′UTR区保守序列能与ptsG mRNA中核糖体结合位点序列互补配对,阻断PtsG的翻译[27,28]

3.隔离:

CncRNAs中的结构元件能作为隔离分子,结合并隔离负调控因子,保证靶基因的活性。如ENOD40 5′端存在跨ORF的二级结构,能隔离相邻2个sORF,并结合在根皮质细胞分裂及根瘤形成中发挥非编码功能的负调控因子MtRBP1[18,44]

4.骨架:

CncRNAs中的结构元件能作为脚手架,聚集蛋白形成核糖核蛋白(RNP)复合体,通过细胞骨架运输轨道组装和运输蛋白复合物(cncRNP颗粒)至特定的亚细胞定位。如来源于非洲爪蟾卵细胞中的VegT能形成聚集体,定位至角蛋白丝[11]

5.感受器:

某些RNA分子能作为感受器,通过结构变化调控蛋白表达。一旦结合配体或代谢物,以及外界环境温度升高,这些RNA会改变自身二级结构,促进基因表达的快速变化并激活下游基因表达,如枯草芽孢杆菌中的S-腺苷甲硫氨酸核开关[45]

四、展望

尽管已发现CncRNAs数目有限,但系统发育分析及RNA结构预测均表明生物基因组中还存在很多CncRNAs[46]。一项基于剪接变异体的预测称,人类基因组转录本中存在超过300个经可变剪切得到的CncRNAs[47]。但该数据仍是不可估计的,因为除被保留的内含子和经可变剪切得到的CncRNAs外,其他转录后调控及特异的RNA结构变化也能产生各类CncRNAs。

目前,通过转录组测序从基因组水平上分析、检测非编码基因中假定的sORF、在编码位点重建非编码亚型并采用核糖体足迹法来分析亚型水平、利用在编码型中引入移码突变或无义突变来验证非编码型功能等研究方法都一直不断帮助深入认识CncRNAs。考虑到蛋白质无义突变的表型与RNA无义突变体的截然不同,Lim等[48]提出通过确定新的CncRNAs位点来检测RNA功能表型的损失。此外,未来一个重要方向是利用新的基因编辑技术,根据CncRNAs位点的差异分离编码和非编码功能,以探究双功能间的平衡[48,49]。当然,这需要精心设计各种基因组突变,具体测试破坏ORF和ncRNAs功能域后所得的表型结果。

综上所述,不断鉴定发现更多CncRNAs及对其功能机制展开深入研究,将帮助我们认识它们如何影响动植物的发育以及各类相关疾病的进程,深入理解正常和疾病状态下基因调控的精确过程。

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关键词
主题词
CncRNAs
编码RNA
非编码RNA
基因表达调控