RNA概念一文搞通透

    RNA分类

在生物体内RNA可以分为两大类:1. 编码RNA;2. 非编码RNA (non-coding RNA, ncRNA). ncRNA是在 生物转录过程中大量产生的,对细胞的生长必须的,并非是转录的“垃圾”产物。

ncRNA 是指不翻译成蛋白质但是能够调节蛋白 质合成的 RNA 分子片段。与编码 RNA 分子相比,非编码 RNA 通常是比较小的,长度不足 300 个核苷 酸,因此,它们也被称为小分子 RNA(sRNA),或 称为非信使 RNA(Non-messeneger RNA,nmRNA)、小 分 子 非 信 使 RNA[Small non-messeneger RNA (snmRNA) 或 tiny non-coding RNA(tncRNA)]、 小 分子调节 RNA[Small modulatory RNA(smRNA)或 small regulatory RNA]。ncRNA种类繁多、分布广泛、表达及调控模式复杂多样,在多种 生物体的整个重要生命过程中具有不可替代的作用。通常,它们的长度变化很大,但都不直接参与蛋白质合成,而是直接在 RNA 水平上发挥着十分重要的调控作用,如细胞的生长和分化,个体的发育时序调控,以及疾病的形成、发展、诊断和抑制等。常见的疾病与这些非编码 RNA 的出错相关。

ncRNA分类

ncRNA可分为:

  1.  持家RNA
    • 转运RNA (Transfer rinucleic acid, tRNA) 它参与蛋白质的翻译过 程,是第一种被鉴定和描述的小分子 RNA. 在 翻译过程中,tRNA 主要是携带氨基酸进入核糖体,在 mRNA 指导下合成蛋白质,即将核酸的密码子语 言翻译成蛋白质的氨基酸语言。tRNA 是细胞内分子量最小的一类核酸,其分子量大小平均为 27 000(25 000-30 000), 由 70-90 个核苷酸组成,而且具 有稀有碱基的特点,稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次 黄嘌呤核苷外,主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。这 类稀有碱基一般是在转录后,经过特殊的修饰而成 的。它的二级结构和三级结构均为一种具有四五个 结构域的四叶草结构,通过 X 射线衍射等结构分子 方法,发现两者分别具有倒 L 形的三位空间结构。
    • 核内小分子RNA (Small nuclear RNA, snRNA) 是存在于真核细胞核中的小分子 RNA。snRNA 是一类称为小核核蛋白体复合体(snRNP)的组成部分, 其功能是在 hnRNA 成熟转变为 mRNA 的过程中,参与 RNA 的剪接,并且在将mRNA 从细胞核运到细胞浆的过程中起着十分重要的作用。现在发现有 5 种snRNA,如胚胎干细胞 U2 snRNA,在哺乳动物 中其长度约为 100-215 个核苷酸。它的二级结构包含一个茎环(内环)即一个茎封闭的内环和保守的蛋白质结合位点.
    • 胞质小分子RNA (Small cytoplasmic RNA, scRNA) 存在于细胞质中,大小在 100-300 碱基之间。同 snRNA 一样,在天然状态下与蛋白质相结合,其 主要作用参与蛋白质的合成和运输,如信号识别体
      (Signal recognization particle, SRP) 颗 粒 就 是 一 种 由一个 7S RNA 和蛋白质组成的核糖核蛋白体颗粒,主要功能是识别信号肽,并将核糖体引导到内质网。
  2. 调控RNA
    • 小核仁RNA (Small nucleolar RNA, snoRNA) 核糖体 RNA(Ribosomal RNA,rRNA)也是一种ncRNA,是核糖体的基本组成部分,由DNA 转 录产生。在真核生物中,rRNA 在核仁中经过加工后, 再经过核膜外运,这种 RNA 可能产生核仁小分子 RNA(Small nucleolar RNA,snoRNA)。当然,在古 细菌中也发现了 snoRNA 的同源物。许多新鉴定的 snoRNA 是由内含子编码而成,它可引导 rRNA 或其 他 RNA 的化学修饰(如甲基化)作用,是近年来生 物学研究的热点。
    • 小干扰RNA (Small interfering RNA, siRNA) 有时称为短干扰 RNA(Short interfering RNA)或沉默 RNA(Silencing RNA),是一类包含正义和反义 RNA 的双链小分子,长度为 21-25 个核苷酸,由 Dicer
      (RNase Ⅲ家族中对双链 RNA 具有特异性的酶)加 工而成,广泛存在于各种真核生物中重要的内源调 控 RNA。siRNA 是 siRISC 的主要成员,引导一种内切酶复合物剪切有同源序列的靶 mRNA,激发与之互补的目标 mRNA 的沉默,引发同源 RNA 的降解,导致靶mRNA 水平降低和同源 DNA 的甲基化,其生物功能主要涉及转录后基因沉默(Post-transcriptional gene silencing,PTGS)和转录基因沉默(Transcriptional gene silencing,TGS)。siRNA 在生物学上有许多 不同的用途。目前已知 siRNA 主要参与 RNA 干扰 (RNAi)现象,以带有专一性的方式调节基因的表达。 在哺乳动物细胞内,30 bp 以上的 siRNA 诱导抗病毒干扰素反应,整体性地抑制 mRNA 翻译。但导入短的siRNA 到哺乳动物细胞中不会激活干扰素反应, 能诱导序列特异性的mRNA 降解。此外,也参与一 些与 RNAi 相关的反应途径,如抗病毒机制或是染色质结构的改变。RNAi 介导的转录后沉默提供了在病毒生命周期的多个阶段抑制病毒和细胞内基因复 制的强有力的潜在工具,不过这些复杂机制的反应途径目前尚未明了。
    • 微小RNA (micro RNA, miRNA) 是近几年在真核生物中发现的广泛存在的一类内源性的具有调 控功能的长度在 19-25 个核苷酸的内源性单链小分子 RNA,转录自内含子或基因间序列,在进化上具有保守性特征。通常,miRNA 5′ 端有一个磷酸基团 且多为尿嘧啶核苷酸,3′ 端为羟基,这是它与大多 数寡核苷酸和功能 RNA 降解片段的区分标志。miRNA 的前体常形成分子内茎环结构,而且含有大量的 U/G 碱基对,经过核酸酶的加工形成成熟的 miRNA。miRNA 的前体大小在动植物中差别较大 :动物 miRNA 前体大约长 60-80 nt,而植物 mi-RNA 前体长度变化很大,一般从几十到几百核苷酸。miRNA 常常来自于前体的一条臂,5′ 端或 3′ 端 ;但 有些前体的两条臂均可被加工为成熟的 miRNA。miRNA 的表达具有时序性和组织特异性,通过与靶 RNA 特异互补位点的结合,抑制基因表达,调控生物体的生长发育、形态变化、细胞分化、凋亡、脂类代谢、激素分泌等多种生理过程。从第一 个 miRNA 的发现至今,短短 10 余年的时间,有关 miRNA 的研究突飞猛进。目前,miRNA 数据库中成 熟 miRNAs 的数量已达 4000 多条。据预测估计,miRNAs 的数量约为生物体中编码基因数量的 1%, 因此已验证的 miRNAs 还远远没有饱和。
    • piRNA (Piwi-interacting RNA, piRNA) 是与Piwi 蛋白相互作用的一类小型 RNA 分子,绝大多数长度大 约是在 29-30 个核苷酸,其 5′ 端也具有强烈的尿嘧 啶偏向性,3′ 端的 2’氧是被甲基化修饰的,增加了piRNA 的稳定性。现发现的piRNA 主要存在于基因间隔区,而很少存在于基因区和重复序列区。作为调节 RNA 之一,直到 2006 年才发现了这 种小 RNA。piRNA 很可能在动物起源早期就已经出现了,并且帮助生命进入了一个多细胞动物的时代,产生了今天的生物体复杂性和多样性。因此,piRNA 成为ncRNA 的研究热点,进展飞速。研究表明,piRNA 主要存在于哺乳动物的生殖细胞和干细胞中,通过与 Piwi 亚家族蛋白结合形成 piRNA 复合物 (piRC) 来调控基因沉默途径。根据 Piwi 蛋白已知的功能推测 piRNA 的功能可能有 3 个方面 :沉默转录基因过程、维持生殖系和干细胞功能以及调节翻译和 mRNA 的稳定性。鉴于 piRNA 的众多生物学功能,其研究不仅可以丰富小分子 RNA 的研究内容,同时,也有利于进一步了解生物配子发生的分子调控及其机理,具有十分重要的理论价值和应用前景。
      属于piRNA 家族之一的重复序列结合的 siRNA (Repeat-associated siRNA,rasiRNA),通常由重复元 件编码,大部分都是转座子序列。这些重复元件位于中心粒和端粒异染色质区域,编码的miRNA 没有发夹结构,但能调控染色质的性状。rasiRNA 最初发现于果蝇和斑马鱼的胚胎发育时期,后又在果蝇的生殖系细胞中发现rasiRNA 与 Piwi 蛋 白相结合,在生殖细胞中可能沉默逆转录转座子和重复元件进而调节果蝇生殖系的发育。它的沉默机 制可能与 piRNA 的调节方式存在一定的关系,但有 两点不同之处 :第一,piRNA 主要对应于单链基因组位点,而 rasiRNA 是通过定义可转座元件在内的 重复位点来对应的 ;第二,piRNA 以高度特异链的方式对应于基因组,但是rasiRNA 在有义或反义定 位之内对应于重复区域,它们似乎是由长 dsRNA 前体随机产生的。
    • 天然反义siRNA
      反式作用 siRNA (Trans-acting siRNA, tasiRNA) 和天然反义 siRNA (Natural-antisense siRNA,nat-siRNA) 是最先在拟南芥和小立碗藓中发现的新的
      内 源 性 siRNA, 是 植 物体内最主要的内源siRNA,与上述的siRNA 不同,此类内源性 siRNA
      是细胞主动利用 RNAi 机制。nat-siRNA 作为一类新的小 RNA,在病原诱导 的抗性中发挥作用。而 tasiRNA 作为一类植物特有 的小RNAs,其成熟需 miRNA 介导的 TAS 基因转录的剪切引发,之后通过 siRNA 途经形成,即其形成 机制和 siRNA 相似,作用机制和 miRNA 相似。tasiRNA 将以往不相干的 miRNA 和 siRNA 联系在一 起,这样的生物过程对植物的研究是未知和新颖的,而且它本身具有重要的生物学功能,在植物体内发挥着重要的作用。tasiRNA 常作用于非同源基因的沉默,同时不产生扩增效应。研究发现, tasiRNA 在进化上比较保守,尤其是拟南芥的第三个tasiRNA 基因编码区在白杨、葡萄、可可、苹果、大豆、莲、玉米及水稻等高等植物中都存在高度同源序列,表明可能这种调控方式普遍存在高等植物中,对其功能的研究也开始展开。目前,关于 tasiRNA 的生物合成途径已经基本清楚,对功能的了解也正在进一步研究和逐步加深,不断有新的发现,如在mRNA 和染色质水平上发现的一种新型的 ta-siRNAs 途径,在小立碗藓的形 态建成过程中期重要作用等,但是仍然存在许 多问题有待思考和解决。

此外还有另一种分类依据分子大小将ncRNA分为small ncRNA与long ncRNA.

参考文献:

  1. Gao, YF., Wang, ZB., Zhu, T. et al. Tumor Biol. (2016) 37: 14403. doi:10.1007/s13277-016-5307-4
  2. Huang Junjun, Wang Huahua, Liang Weihong. The Diversity of Small Non-coding RNA. Biotechnology Bulletin, 2014, 0(11): 79-83.

 

点赞

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注