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1、非编码RNA与基因表达及其调节,1,南华大学生理学重点实验室,非编码RNA,目 录,2,一、非编码RNA概念 二、非编码RNA分类 三、非编码RNA生物学功能 四、调节性非编码RNA的表达 五、本实验室对microRNA的研究,非编码RNA,3,Proportion of functional elements within genomes,果蝇,线虫,非编码RNA,一、 非编码RNA概念,人类基因组中大约50%的DNA可以转录为RNA，其中只有2%能够翻译成蛋白质（mRNA）,其余98%不能翻译成蛋白质，这些不能翻译成蛋白质的RNA被称之为非编码RNA(non-coding RNA,ncRN
2、A)。,4,非编码RNA,二、 分 类,非编码RNA：组成性非编码RNA或管家非编码RNA：rRNA、tRNA、scRNA(胞质小RNA) 调节性非编码RNA：长链非编码RNA(IncRNA) 短链非编码RNA（siRNA、miRNA、piRNA）,5,核仁小分子RNA,端粒酶,非编码RNA,6,参与蛋白质合成的组成性非编码RNA,rRNA：是核糖体组成成分，与核糖体蛋白结合，组成核糖体。 tRNA：作为载体运输氨基酸 胞质小RNA（small cytoplasmic RNA, scRNA）：参与形成内质网定位合成信号识别体（signal recognition particle, SRP），
3、参与分泌性蛋白质转运。,6,非编码RNA,7,核内小RNA（small nuclear RNA, snRNA）： 参与真核细胞hnRNA（不均一核RNA）加工剪接。 核仁小RNA（ small nucleoar RNA, snoRNA）： 参与rRNA加工修饰，参与tRNA和snRNA修饰。 3. 催化性小RNA（ribozyme）： 催化特定RNA降解，在RNA剪接修饰中发挥作用。,参与RNA加工的组成性非编码RNA,7,非编码RNA,分 类,高等生物体内具有调控作用的非编码RNA分子种类繁多，主要包括： 长度大于200个核苷酸的长链非编码RNA（IncRNA）和少于200个核苷酸的短链非编
4、码RNA； 短链非编码RNA又分为微小RNA（microRNA）、内源性小干扰RNA（endo-siRNA）、PIWI相互作用RNA（piRNA）、核仁小分子RNA(snoRNA)等。,8,非编码RNA,分 类,按ncRNA的功能可分为： 催化RNA(cRNA)，类似mRNA的RNA，指导RNA（gRNA），tmRNA，端粒酶RNA，信号识别颗粒RNA（SRPRNA），细胞核小分子RNA，核仁小分子RNA，microRNA，小干扰RNA(siRNA)等等。,9,非编码RNA,近年来大量研究表明非编码RNA在表观遗传学修饰中扮演了重要的角色，能在基因组水平及染色体水平对基因表达进行调控，决定细胞
5、分化的命运。,非编码RNA在表观遗传学中的作用,三、 生物学功能,10,非编码RNA,影响染色体的结构 调控转录 参与RNA的加工、修饰 参与mRNA的稳定和翻译调控过程 在细胞发育和分化中的调控作用 与肿瘤的发生发展的关系,生物学功能,11,非编码RNA,1、影响染色体的结构 真核细胞的端粒酶是一种催化延长端粒的核糖核蛋白体，其中的RNA是完整端粒酶的一部分，作为合成染色体端部的模板，通过逆转录作用合成端粒DNA并添加到染色体末端，使端粒的长度保持稳定。,生物学功能,12,非编码RNA,2、调控转录 非编码RNA通过与转录因子的相互作用而调控转录。相对而言，非编码RNA的启动子区一般比编码蛋
6、白质的mRNA启动子保守，其上有转录因子结合位点。,生物学功能,13,非编码RNA,3、参与RNA的加工、修饰 核酶主要是通过RNA的自我裂解、自我剪接等而实现转录后加工的。非编码RNA是通过与修饰点附近的序列结合形成碱基对而实现其功能的。,14,生物学功能,非编码RNA,4、参与mRNA的稳定和翻译调控过程 通过与它们的靶mRNA在不同位置形成互补的碱基对，由阻塞核糖体结合点显示抑制翻译或防止抑制mRNA结构的形成而激活翻译。,15,生物学功能,非编码RNA,5、在细胞发育和分化中的调控作用 许多miRNA在生物体内有着时序性或组织特异性表达。miRNA主要在转录后水平调控蛋白基因表达。如今
7、已鉴定了系列与细胞分化有关的miRNA，如miRNA-143和miRNA-145参与调控平滑肌细胞的分化。,16,生物学功能,非编码RNA,6、与肿瘤的发生发展的关系 发现在乳腺癌、肺癌、子宫癌和子宫颈癌患者中，位于染色体11q24上的miRNA的一个亚位点缺失，说明miRNA起到了肿瘤阻抑物的作用。,17,生物学功能,非编码RNA,四、调节性非编码RNA调控蛋白质编码基因的表达 IncRNA（Long non-coding RNA） siRNA 微RNA（microRNA） piRNA,18,非编码RNA,IncRNA（Long non-coding RNA）,19,非编码RNA,IncRN
8、A（Long non-coding RNA） IncRNA：是一类本身不编码蛋白、转录本长度超过200nt的长链非编码RNA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）调控基因的表达。,20,非编码RNA,IncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶转录的副产物，不具有生物学功能。 近年来研究表明，IncRNA参与X染色体沉默、基因组印记以及染色质修饰、转录激活、转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，IncRNA的这些调控作用也开始引起人们的广泛关注。,21,IncRNA（Long non-coding RNA）,非编码RNA,22,IncRNA（Long no
9、n-coding RNA）,lncRNA的特点：,长链非编码RNA的分子大小差异巨大 长链非编码RNA分布在胞核和胞质中 长链非编码RNA没有统一命名规则 长链非编码RNA可与不同的分子相互作用,非编码RNA,23,IncRNA（Long non-coding RNA）,许多IncRNA 都具有保守的二级结构，剪切形式以及亚细胞定位。根据它们在基因组上相对于蛋白编码基因的位置，可以将其分为5种类型： 正义（Sense）IncRNA 反义（Antisense）IncRNA 双向（Bidirectional）IncRNA 基因内（Intronic）IncRNA 基因间（Intergenic）Inc
10、RNA,非编码RNA,24,IncRNA（Long non-coding RNA）,图中 编码RNA和非编码RNA外显子分别用蓝色和红色表示,非编码RNA,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； 2、抑制RNA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； 3、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； 4、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siRNA 5、与特定蛋白质结合，IncRNA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； 7、结合到特定蛋白质上，改变该蛋白
11、质的细胞定位； 8、作为小分子RNA（如miRNA、piRNA）的前体分子。,IncRNAs:functional surprises from the RNA world,25,非编码RNA,26,IncRNA（Long non-coding RNA）,IncRNA与疾病 大量研究表明，在肿瘤细胞中，某些特定的IncRNA的表达水平会发生改变。这种表达水平的变化能够作为癌症诊断的标志物（有时是非常灵敏的诊断标志物，如前列腺癌中的DD3）和潜在的药物靶点。,非编码RNA,2. siRNA,27,非编码RNA,siRNA：是一类外源性的双链小分子RNA，它的长度一般为21-25nt。它在RNA干
12、扰途径中通过引导目的基因mRNA的降解，以抑制mRNA的表达。 siRNA可经由多种不同转染（transfection）技术导入细胞内，并对特定基因产生专一性的基因敲除（knockdown）效果，这使siRNA成为研究基因功能与药物目标的一项重要工具。,28,siRNA,非编码RNA,29,siRNA,非编码RNA,3. 微小RNA（microRNA）,30,非编码RNA,31,微小RNA（microRNA）,2001年10月science报道了三个实验室从线虫、果蝇和人体克隆的几十个类似C.elegan的lin-4的小RNA基因，称为microRNA。 随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物
13、等多种生物物种中鉴别出数百个miRNAs。,非编码RNA,概念：miRNA是长约21-25nt的单链RNA，其中 50%定位于易发生结构改变的染色体区域。 特点：miRNA是内源性的，是生物体基因的表 达产物；miRNA是由不完整的发卡状双链 RNA，经Drosha和Dicer酶加工而成。,32,微小RNA（microRNA）,非编码RNA,33,微RNA（microRNA）,miRNA前体结构,非编码RNA,miRNA最开始的形成是源于内源性的生物体基因产生的发卡结构，该发卡结构在细胞核内经Drosha-DGCR8复合物加工产生pre-miRNA。然后pre-miRNA进入细胞质，进一步由D
14、icer酶切形成miRNA-miRNA二聚体，最后装载至Argonaute蛋白1（AGO1）而发挥作用。,34,微RNA（microRNA）,非编码RNA,35,微RNA（microRNA）,miRNA与靶mRNA的结合具有相对特异性：,miRNA通过部分互补序列与靶mRNA结合。 miRNA 5端7个核苷酸（2-8位）为miRNA的种子区（seed region），是识别靶mRNA关键序列。 一个miRNA可与不同靶mRNA结合，同一家族miRNA可作用相同靶mRNA。,非编码RNA,36,微RNA（microRNA）,miR-21与几种靶mRNA的互补结合,非编码RNA,37,miRNA-
15、induced transcriptional inhibition,非编码RNA,38,脂质相关miRNA,非编码RNA,39,微RNA（microRNA）,非编码RNA,目前研究表明 哺乳动物细胞内miRNA的调控机制反映了miRNA的特异装载蛋白AGO以及miRNA与mRNA之间的互补程度； miRNA可通过调控组蛋白修饰引起染色质重塑； miRNA可通过调控DNA甲基化酶的表达而影响DNA甲基化。,40,微RNA（microRNA）,非编码RNA,4. piRNA,41,非编码RNA,piRNA是近年来在哺乳动物细胞内发现的长度约为24-31nt的RNA分子，因在生理状态下能与piwi
16、蛋白偶联，故命名piRNA。 由于Piwi为一表观遗传学调控因子，能与PcG蛋白共同结合于基因组PcG应答元件上，协助PcG沉默同源异型基因，因此推测与Piwi相关的piRNA也应具有表观遗传学的调控作用。,42,piRNA,非编码RNA,非编码RNA的比较,43,非编码RNA,五、本实验室对microRNA的研究,44,非编码RNA,-8-,1.1 生物信息学预测,Figure 1,Figure 2,Figure 4,Figure 6,Figure 5,miR-19b ABCA1 3UTR,靶向结合,45,非编码RNA,3.4 miR-19b对apoE-/-鼠主动脉组织ABCA1表达的影响,
17、-31-,Figure 36,anti-miR-19b 主动脉ABCA1表达,miR-19b 主动脉ABCA1表达,46,非编码RNA,3.2 miR-19b对apoE-/-鼠血脂水平变化的影响,-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-c,miR-19b HDL-c 、LDL-c,47,非编码RNA,3.3 miR-19b对apoE-/-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,48,非编码RNA,Figure
18、 33,anti-miR-19b 主动脉AS病变,miR-19b 主动脉AS病变,3.3 miR-19b对apoE-/-鼠动脉粥样硬化病变的影响,-28-,49,非编码RNA,Figure 34,3.3 miR-19b对apoE-/-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-,50,非编码RNA,Figure 35,3.3 miR-19b对apoE-/-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-,51,非编码RNA,52,Figure 1-2：小鼠miRN
19、A-467b的成熟序列,1.1成熟 miR-467b 的序列和LPL 3UTR基因序列,52,非编码RNA,53,1.1成熟 miR-467b 的序列和LPL 3UTR基因序列,Figure 1-3：小鼠LPL的3UTR序列,53,非编码RNA,54,Figure 1-4：EMBL-EBI预测的 miR-467b与LPL 3UTR结合情况,1.2 EMBL-EBI预测的 miR-467b与LPL 3UTR结合情况,Energy: -11.51 kal/mol,54,非编码RNA,55,Figure 1-5：RNAhybrid预测的miR-467b与LPL 3UTR结合情况,1.3 RNAhyb
20、rid预测的 miR-467b与LPL 3UTR结合情况,Energy: -17.9kal/mol,55,非编码RNA,56,Figure 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-neg,2.1 miR-467b对小鼠RAW 264.7巨噬细胞LPL的影响,56,非编码RNA,57,2.1 miR-467b对小鼠RAW 264.7巨噬细胞LPL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,57,非编码RNA,谢 谢！,58,非编码RNA,