非编码RNA.pptx

非编码非编码RNARNA与基因表达及其调节与基因表达及其调节1南华大学生理学重点实验室南华大学生理学重点实验室目目 录录2一、非编码一、非编码RNARNA概念概念二、非编码二、非编码RNARNA分类分类三、非编码三、非编码RNARNA生物学功能生物学功能四、调节性非编码四、调节性非编码RNARNA的表达的表达五、本实验室对五、本实验室对microRNAmicroRNA的研究的研究3Proportion of functional elements within genomes果蝇 线虫一、一、非编码非编码RNARNA概念概念 人人类类基基因因组组中中大大约约50%50%的的DNADNA可可以以转转录录为为RNARNA，其其中中只只有有2%2%能能够够翻翻译译成成蛋蛋白白质质（mRNAmRNA）,其其余余98%98%不不能能翻翻译译成成蛋蛋白白质质，这这些些不不能能翻翻译译成成蛋蛋白白质质的的RNARNA被被称称之之为为非非编编码码RNA(non-coding RNA,ncRNA)RNA(non-coding RNA,ncRNA)。4二、二、分分 类类 非编码非编码RNA：组成性非编码：组成性非编码RNA或管家非编码或管家非编码RNA：rRNA、tRNA、scRNA(胞质小胞质小RNA)调节性非编码调节性非编码RNA：长链非编码：长链非编码RNA(IncRNA)短链非编码短链非编码RNA（siRNA、miRNA、piRNA）5核仁小分子核仁小分子RNA端粒酶端粒酶6参与蛋白质合成的组成性非编码参与蛋白质合成的组成性非编码RNArRNA：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，组成：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，组成核糖体。核糖体。tRNA：作为载体运输氨基酸：作为载体运输氨基酸胞质小胞质小RNA（small cytoplasmic RNA,scRNA）：参与）：参与形成内质网定位合成信号识别体（形成内质网定位合成信号识别体（signal recognition particle,SRP），参与分泌性蛋白质转运。），参与分泌性蛋白质转运。71.核内小核内小RNA（small nuclear RNA,snRNA）：）：参与真核细胞参与真核细胞hnRNA（不均一核不均一核RNA）加工剪接。）加工剪接。2.核仁小核仁小RNA（small nucleoar RNA,snoRNA）：）：参与参与rRNA加工修饰，参与加工修饰，参与tRNA和和snRNA修饰。修饰。3.催化性小催化性小RNA（ribozyme）：）：催化特定催化特定RNA降解，在降解，在RNA剪接修饰中发挥作用。剪接修饰中发挥作用。参与参与RNA加工的组成性非编码加工的组成性非编码RNA分分 类类 高高等等生生物物体体内内具具有有调调控控作作用用的的非非编编码码RNARNA分分子子种种类类繁多，主要包括：繁多，主要包括：1.1.长长度度大大于于200200个个核核苷苷酸酸的的长长链链非非编编码码RNARNA（IncRNAIncRNA）和少于和少于200200个核苷酸的短链非编码个核苷酸的短链非编码RNARNA；2.2.短短链链非非编编码码RNARNA又又分分为为微微小小RNARNA（microRNAmicroRNA）、内内源源性性 小小 干干 扰扰 RNARNA（endo-siRNAendo-siRNA）、PIWIPIWI相相 互互 作作 用用RNARNA（piRNApiRNA）、核仁小分子）、核仁小分子RNA(snoRNA)RNA(snoRNA)等。等。8分分 类类 按按ncRNA的功能可分为：的功能可分为：催催化化RNA(cRNA)，类类似似mRNA的的RNA，指指导导RNA（gRNA），tmRNA，端端粒粒酶酶RNA，信信号号识识别别颗颗粒粒RNA（SRPRNA），细细胞胞核核小小分分子子RNA，核核仁仁小小分分子子RNA，microRNA，小小干干扰扰RNA(siRNA)等等等等。9 近近年年来来大大量量研研究究表表明明非非编编码码RNARNA在在表表观观遗遗传传学学修修饰饰中中扮扮演演了了重重要要的的角角色色，能能在在基基因因组组水水平平及及染染色色体体水水平平对对基基因因表表达进行调控，决定细胞分化的命运。达进行调控，决定细胞分化的命运。非编码非编码RNARNA在表观遗传学中的作用在表观遗传学中的作用三、三、生物学功能生物学功能101.影响染色体的结构影响染色体的结构2.调控转录调控转录3.参与参与RNA的加工、修饰的加工、修饰4.参与参与mRNA的稳定和翻译调控过程的稳定和翻译调控过程5.在细胞发育和分化中的调控作用在细胞发育和分化中的调控作用6.与肿瘤的发生发展的关系与肿瘤的发生发展的关系生物学功能生物学功能111 1、影响染色体的结构、影响染色体的结构 真真核核细细胞胞的的端端粒粒酶酶是是一一种种催催化化延延长长端端粒粒的的核核糖糖核核蛋蛋白白体体，其其中中的的RNA是是完完整整端端粒粒酶酶的的一一部部分分，作作为为合合成成染染色色体体端端部部的的模模板板，通通过过逆逆转转录录作作用用合合成成端端粒粒DNA并并添添加加到到染染色色体体末末端端，使使端端粒粒的的长长度度保保持持稳稳定。定。生物学功能生物学功能122 2、调控转录、调控转录 非非编编码码RNA通通过过与与转转录录因因子子的的相相互互作作用用而而调调控控转转录录。相相对对而而言言，非非编编码码RNA的的启启动动子子区区一一般般比比编编码码蛋蛋白白质质的的mRNA启启动动子子保保守守，其其上上有有转转录录因子结合位点。因子结合位点。生物学功能生物学功能133 3、参与、参与RNARNA的加工、修饰的加工、修饰 核核酶酶主主要要是是通通过过RNA的的自自我我裂裂解解、自自我我剪剪接接等等而而实实现现转转录录后后加加工工的的。非非编编码码RNA是是通通过过与与修修饰饰点点附附近近的序列结合形成碱基对而实现其功能的的序列结合形成碱基对而实现其功能的。14生物学功能生物学功能4、参与、参与mRNA的稳定和翻译调控过程的稳定和翻译调控过程 通通过过与与它它们们的的靶靶mRNA在在不不同同位位置置形形成成互互补补的的碱碱基基对对，由由阻阻塞塞核核糖糖体体结结合合点点显显示示抑抑制制翻翻译译或或防防止止抑抑制制mRNA结构的形成而激活翻译。结构的形成而激活翻译。15生物学功能生物学功能5 5、在细胞发育和分化中的调控作用、在细胞发育和分化中的调控作用 许许多多miRNA在在生生物物体体内内有有着着时时序序性性或或组组织织特特异异性性表表达达。miRNA主主要要在在转转录录后后水水平平调调控控蛋蛋白白基基因因表表达达。如如今今已已鉴鉴定定了了系系列列与与细细胞胞分分化化有有关关的的miRNA，如如miRNA-143和和miRNA-145参参与与调调控控平平滑肌细胞的分化。滑肌细胞的分化。16生物学功能生物学功能6 6、与肿瘤的发生发展的关系、与肿瘤的发生发展的关系 发发现现在在乳乳腺腺癌癌、肺肺癌癌、子子宫宫癌癌和和子子宫宫颈颈癌癌患患者者中中，位位于于染染色色体体11q24上上的的miRNA的的一一个个亚亚位位点点缺缺失，说明失，说明miRNA起到了肿瘤阻抑物的作用。起到了肿瘤阻抑物的作用。17生物学功能生物学功能四、调节性非编码四、调节性非编码RNARNA调控蛋白质编码基因的表达调控蛋白质编码基因的表达1.IncRNA（Long non-coding RNA）2.siRNA3.微微RNA（microRNA）4.piRNA1.IncRNA（Long non-coding RNA）IncRNA（Long non-coding RNA）IncRNA：是一类本身不编码蛋白、转录本长度超：是一类本身不编码蛋白、转录本长度超过过200nt的长链非编码的长链非编码RNA分子，它可在多层（表观分子，它可在多层（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达。的表达。201.IncRNA起起初初被被认认为为是是基基因因组组转转录录的的“噪噪音音”，是是RNA聚合酶聚合酶转录的副产物，不具有生物学功能。转录的副产物，不具有生物学功能。2.近近年年来来研研究究表表明明，IncRNA参参与与X染染色色体体沉沉默默、基基因因组组印印记记以以及及染染色色质质修修饰饰、转转录录激激活活、转转录录干干扰扰，核核内内运运输输等等多多种种重重要要的的调调控控过过程程，IncRNA的的这这些些调调控控作用也开始引起人们的广泛关注。作用也开始引起人们的广泛关注。21IncRNA（Long non-coding RNA）22IncRNA（Long non-coding RNA）lncRNAlncRNA的特点：的特点：1.长链非编码长链非编码RNA的分子大小差异巨大的分子大小差异巨大2.长链非编码长链非编码RNA分布在胞核和胞质中分布在胞核和胞质中3.长链非编码长链非编码RNA没有统一命名规则没有统一命名规则4.长链非编码长链非编码RNA可与不同的分子相互作用可与不同的分子相互作用23IncRNA（Long non-coding RNA）许许多多IncRNA 都都具具有有保保守守的的二二级级结结构构，剪剪切切形形式式以以及及亚亚细细胞胞定定位位。根根据据它它们们在在基基因因组组上上相相对对于于蛋蛋白编码基因的位置，可以将其分为白编码基因的位置，可以将其分为5种类型：种类型：1.正义（正义（Sense）IncRNA2.反义（反义（Antisense）IncRNA3.双向（双向（Bidirectional）IncRNA4.基因内（基因内（Intronic）IncRNA 5.基因间（基因间（Intergenic）IncRNA24IncRNA（Long non-coding RNA）图中图中 编码编码RNARNA和非编码和非编码RNARNA外显子分别用蓝色和红色表示外显子分别用蓝色和红色表示1 1、编码蛋白的基因上游启动子区转录，干扰下游基因的表达；编码蛋白的基因上游启动子区转录，干扰下游基因的表达；2、抑制、抑制RNA聚合酶聚合酶或影响染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达；或影响染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达；3、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，干扰、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，干扰mRNA的剪切，形成不同的剪切形式；的剪切，形成不同的剪切形式；4、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，在、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，在Dicer酶的作用下产生内源性酶的作用下产生内源性siRNA5、与特定蛋白质结合，、与特定蛋白质结合，IncRNA转录本可调节相应蛋白的活性；转录本可调节相应蛋白的活性；6、作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；、作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；7、结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；、结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；8、作为小分子、作为小分子RNA（如（如miRNA、piRNA）的前体分子。）的前体分子。IncRNAs:functional surprises from the RNA world2526IncRNA（Long non-coding RNA）IncRNA与疾病与疾病 大大量量研研究究表表明明，在在肿肿瘤瘤细细胞胞中中，某某些些特特定定的的IncRNA的的表表达达水水平平会会发发生生改改变变。这这种种表表达达水水平平的的变变化化能能够够作作为为癌癌症症诊诊断断的的标标志志物物（有有时时是是非非常常灵灵敏敏的的诊诊断断标志物，如前列腺癌中的标志物，如前列腺癌中的DD3）和潜在的药物靶点。）和潜在的药物靶点。2.siRNA siRNA：是是一一类类外外源源性性的的双双链链小小分分子子RNA，它它的的长长度度一一般般为为21-25nt。它它在在RNA干干扰扰途途径径中中通通过过引引导导目目的的基基因因mRNA的降解，以抑制的降解，以抑制mRNA的表达。的表达。siRNA可可经经由由多多种种不不同同转转染染（transfection）技技术术导导入入细细胞胞内内，并并对对特特定定基基因因产产生生专专一一性性的的基基因因敲敲除除（knockdown）效效果果，这这使使siRNA成成为为研研究究基基因因功功能能与与药药物目标的一项重要工具。物目标的一项重要工具。28siRNA29siRNA3.微小微小RNA（microRNA）31微小微小RNA（microRNA）2001年年10月月science报报道道了了三三个个实实验验室室从从线线虫虫、果果蝇蝇和和人人体体克克隆隆的的几几十十个个类类似似C.elegan的的lin-4的的小小RNA基基因因，称为称为microRNA。随随后后多多个个研研究究小小组组在在包包括括人人类类、果果蝇蝇、植植物物等等多多种种生生物物种中鉴别出数百个物物种中鉴别出数百个miRNAs。模式生物模式生物 人人 小鼠小鼠 大鼠大鼠 果蝇果蝇 线虫线虫 拟南芥拟南芥miRNA 207 214 186 78 116 1112002年年概念：概念：miRNA是长约是长约21-25nt的单链的单链RNA，其中，其中 50%定位于易发生结构改变的染色体区域。定位于易发生结构改变的染色体区域。特点：特点：miRNA是内源性的，是生物体基因的表是内源性的，是生物体基因的表 达产物；达产物；miRNA是由不完整的发卡状双链是由不完整的发卡状双链 RNA，经，经Drosha和和Dicer酶加工而成。酶加工而成。32微小微小RNA（microRNA）33微微RNA（microRNA）miRNA前体结构前体结构 miRNA最最开开始始的的形形成成是是源源于于内内源源性性的的生生物物体体基基因因产产生生的的发发卡卡结结构构，该该发发 卡卡 结结 构构 在在 细细 胞胞 核核 内内 经经 Drosha-DGCR8复复合合物物加加工工产产生生pre-miRNA。然然后后pre-miRNA进进入入细细胞胞质质，进进一一步步由由Dicer酶酶切切形形成成miRNA-miRNA二二聚聚体体，最最 后后 装装 载载 至至 Argonaute蛋蛋 白白1（AGO1）而发挥作用。）而发挥作用。34微微RNA（microRNA）35微微RNA（microRNA）miRNA与靶与靶mRNA的结合具有相对特异性：的结合具有相对特异性：1.miRNA通过通过部分互补序列部分互补序列与靶与靶mRNA结合。结合。2.miRNA 5端端7个核苷酸（个核苷酸（2-8位）为位）为miRNA的种子区的种子区（seed region），是识别靶），是识别靶mRNA关键序列。关键序列。3.一个一个miRNA可与不同靶可与不同靶mRNA结合，同一家族结合，同一家族miRNA可作用相同靶可作用相同靶mRNA。36微微RNA（microRNA）miR-21与几种靶与几种靶mRNA的互补结合的互补结合37Double-stranded RNA(dsRNA)binds to the protein DicerCleaves dsRNA into smaller fragments.One of the RNA strands is loaded into a RISC complexLinks the complex to the mRNA strand by basepairing.mRNA is cleaed and destroyed.No protein can be synthesized.miRNA-induced transcriptional inhibition38脂质相关脂质相关miRNA39微微RNA（microRNA）1.SREBP 是是位位于于内内质质网网的的胞胞内内胆胆固固醇醇敏敏感感器器，可可作作为为转转录录因因子子增增强强LDLR在在胞胞膜膜表表面面的的表表达达，促促进进血血浆浆LDL 向胞内转运。向胞内转运。2.miR-33 嵌嵌入入SREBP 内内含含子子区区，靶靶向向ABCA1调调控控HDL合合成成及及胆胆固固醇醇逆逆转转运运过过程程。体体外外过过表表达达miR-33 可抑制细胞可抑制细胞ABCA1表达，使胆固醇逆转运减少。表达，使胆固醇逆转运减少。miRNA 与胆固醇转运与胆固醇转运 目前研究表明目前研究表明1.哺哺 乳乳 动动 物物 细细 胞胞 内内 miRNA的的 调调 控控 机机 制制 反反 映映 了了miRNA的的 特特 异异 装装 载载 蛋蛋 白白 AGO以以 及及 miRNA与与mRNA之间的互补程度；之间的互补程度；2.miRNA可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑；可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑；3.miRNA可可通通过过调调控控DNA甲甲基基化化酶酶的的表表达达而而影影响响DNA甲基化。甲基化。40微微RNA（microRNA）4.piRNA1.piRNA是是近近年年来来在在哺哺乳乳动动物物细细胞胞内内发发现现的的长长度度约约为为24-31nt的的RNA分分子子，因因在在生生理理状状态态下下能能与与piwi蛋蛋白白偶联，故命名偶联，故命名piRNA。2.由由于于Piwi为为一一表表观观遗遗传传学学调调控控因因子子，能能与与PcG蛋蛋白白共共同同结结合合于于基基因因组组PcG应应答答元元件件上上，协协助助PcG沉沉默默同同源源异异型型基基因因，因因此此推推测测与与Piwi相相关关的的piRNA也也应应具具有有表表观遗传学的调控作用。观遗传学的调控作用。42piRNA非编码非编码RNA的比较的比较43五、本实验室对五、本实验室对microRNA的研究的研究-8-1.1 1.1 生物信息学预测生物信息学预测Figure 1 Figure 2Figure 4 Figure 6 Figure 5 miR-19b ABCA1 3UTR靶向结合3.4 miR-19b对对apoE-/-鼠主动脉组织鼠主动脉组织ABCA1表达的影响表达的影响-31-Figure 36 anti-miR-19b 主动脉ABCA1表达miR-19b 主动脉ABCA1表达3.2 miR-19b对对apoE-/-鼠血脂水平变化的影响鼠血脂水平变化的影响BW(g)TG(mmol/l)TC(mmol/l)HDL-C(mmol/l)LDL-C(mmol/l)Con31.064.111.030.1521.921.302.020.2519.352.06Ago29.583.071.070.1023.061.241.340.21*21.532.13*Ant28.733.311.040.1219.031.053.050.27*15.141.98*-26-Table 3.miR-19b对apoE-/-小鼠血浆脂质水平的影响（S）anti-miR-19b HDL-c 、LDL-cmiR-19b HDL-c 、LDL-c3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变的影响-27-Figure 32 anti-miR-19b 主动脉AS病变miR-19b 主动脉AS病变Figure 33 anti-miR-19b 主动脉AS病变miR-19b 主动脉AS病变3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变的影响-28-Figure 34 3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变的影响anti-miR-19b 主动脉脂质沉积miR-19b 主动脉脂质沉积-29-Figure 35 3.3 miR-19b对对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响鼠动脉粥样硬化病变的影响anti-miR-19b AS病灶内胶原含量miR-19b AS病灶内胶原含量-30-52Figure 1-2：小鼠miRNA-467b的成熟序列1.1成熟成熟 miR-467b 的序列和的序列和LPL 3UTR基因序列基因序列531.1成熟成熟 miR-467b 的序列和的序列和LPL 3UTR基因序列基因序列Figure 1-3：小鼠LPL的3UTR序列54Figure 1-4：EMBL-EBI预测的 miR-467b与LPL 3UTR结合情况1.2 EMBL-EBI预测的预测的 miR-467b与与LPL 3UTR结合情况结合情况 Energy:-11.51 kal/mol55Figure 1-5：RNAhybrid预测的miR-467b与LPL 3UTR结合情况1.3 RNAhybrid预测的预测的 miR-467b与与LPL 3UTR结合情况结合情况 Energy:-17.9kal/mol56Figure 2-1.miR-467b对小鼠RAW 264.7巨噬细胞LPL mRNA的影响注：*P0.05 vs control,#P0.05 vs inhibitor-neg2.1 miR-467b对小鼠对小鼠RAW 264.7巨噬细胞巨噬细胞LPL的影响的影响572.1 miR-467b对小鼠对小鼠RAW 264.7巨噬细胞巨噬细胞LPL的影响的影响Figure 2-2.miR-467b对小鼠RAW 264.7巨噬细胞LPL蛋白表达的影响注：*P0.05 vs control,#P0.05 vs inhibitor-neg谢谢谢谢 谢！谢！谢！谢！58