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miRNA、lncRNA、circRNA的基礎知識詳解

信息來源：金開瑞作者：genecreate 發布時間：2022-11-01 14:19:35

miRNA

1、背景介紹

小分子DNA(miRNA)是一類存在于動植物體內、大小為2l一25 nt的內源性非編碼單鏈小分子RNA，對生物體轉錄后的基因表達調控起關鍵作用。

1993年，首次在秀麗隱桿線蟲中發現miRNA zBt_4；7年后，在果蠅中發現第2個IIliRNA如t一7。在進化中的保守性分析使科學家驚異地發現miRNA如卜7的形成至少需要有Dmsha，DGCR8(Pasha)、Dicer等2種RNA酶(RNaseⅢ)的參與。Dmsha，DGCR8定位于細胞核內，它能剪切miRNA前體轉錄物(研一miRNA)，從而釋放出具有發夾結構、大小為70 nt左右的pre—miRNA，后者在轉運受體Exportin一5(Exp5)的作用下被轉運至細胞質，然后被胞質中的另一種RNaseⅢ蛋白Dicer剪切，最終被船工成成熟的miRNA。

動物的miRNA位于前體mRNA的內含子中，這種安排將使mRNA基因和內含子中miRNA共同轉錄。近年來，發現和鑒定的miRNAs越來越多，但植物miRNAs僅占很小一部分，且主要集中于擬南芥和水稻等少數模式植物中，植物miRNA的靶基因大多編碼轉錄因子，與植物的生長、發育密切相關；而在動物和人中發現大量miR—NA，已證實在動物的生長、發育和疾病發生等過程中起重要作用。

2、miRNA的生物功能

真核生物

miRNA在調節植物對環境脅迫如干旱、鹽害和養分的脅迫反應等方面起著重要的作用。成熟的miRNA先與一種稱為RNA誘導沉默復合體(RNA—indlIced silencing complex，R1SC)的復合物結合，再特異性地與目標mRNA結合，引起靶mRNA的降解。由于植物miRNA與其靶mRNA具有很高的堿基互補性，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).與植物相反，在動物細胞中大多數miRNA與其靶mRNA并不完全互補，miRNA則通過與對應mRNA的3’端非翻譯區(3’UTR)結合阻止轉錄后的翻譯，從而起到調節基因表達的作用。

在人類miRNA的研究中，Calin等發現約有50％的miRNAs基因位于與腫瘤相關的染色體區域內，如染色體發生雜合性缺失的區域、發生重排和擴增及斷裂點的區域等，提示miRNA基因的表達可能與腫瘤發生相關。此外，已有研究表明，miRNA對細胞的增殖、分化、凋亡和癌癥發生有重要的調控作用，其在正常組織和腫瘤組織中的表達有著顯著差異，有些miRNA會在腫瘤組織中有低表達，有些則在腫瘤組織中有高表達，這說明miRNA在腫瘤發生過程中起了至關重要的作用。

原核生物

miRNA除了在多細胞生物中發揮重要的調節作用外，還廣泛存在于單細胞生物中。單細胞生物中的miRNA，都可在體內和體外對靶標mRNA進行切割，這與植物中發現的miRNA一致，但與多細胞生物中的miRNA具有顯著差異，這提示miRNA通路形成于這兩條進化支系分離之前，而且單細胞生物中的miRNA是獨立進化而來近年來的研究表明，一些病毒也編碼大量的miRNAs，它們在病毒的復制和感染過程中發揮著至關重要的作用。

3、miRNA的預測與鑒定

自從第一個miRNA發現以來，已經冉現了多種鑒定、預測、分析miRNA的方法，這些方法各有優缺點，主要有以下幾種方法。

（1）cDNA文庫法

該方法是首先從細胞組織中提取總RNA，用聚丙烯酰胺凝膠進行電泳，回收大小為20～25個核苷酸的RNA分子，利用T4連接酶，直接將人工合成的3’和5’接頭連接到RNA上，經PCR反轉錄擴增這些序列，建立miRNAs的cDNA文庫，進行克隆、測序，然后用生物信息學軟件定位其在基因組中的位置，并驗證是否具有發夾結構的前體和該發夾結構在其它物種中的保守性，最后將具有發夾結構的小分子RNA進行Northem雜交等來檢測其表達情況，將符合miRNA標準的小分子RNA鑒定為新的miRNA。

(2)生物信息學分析

由于大部分成熟的miRNAs序列是高度保守的，所以可以通過表達序列標簽(EsT)和基因組序列(CSS)的生物信息學比對，來搜索或預測在其他生物中的未知miRNAs，再根據miRNAs與靶基因mRNAs完全或部分互補的特性預測其靶基因。

lncRNA

1、背景介紹

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是指長度大于200 個核苷酸的不參與蛋白質編碼過程的DNA 轉錄產物。近年來，這類lncRNA 在表觀遺傳、轉錄及轉錄后水平上調控基因表達方面的研究比較廣泛，已獲得較為深刻的認知。最近人們認識到lncRNA 在許多的生理、病理途徑中發揮著一定的作用，比如干細胞全能性、神經生長分化與腫瘤發生等。

2、生物功能

LncRNA 起初被認為是沒有功能的轉錄垃圾。在經過大量研究論證后，大多數的lncRNA 被確定是轉錄和翻譯過程中的關鍵調控因子，在細胞正常功能發揮中有著重要的影響。比如染色質重塑、轉錄及轉錄后調控、細胞內物質運輸、細胞核亞結構形成、干細胞多能性、體細胞重編程、發育調控、疾病發生等。在發揮這些功能時，lncRNA 通過不同的作用途徑及方式實現基因表達的調控。包括順式調節與反式調節方式。另外，lncRNA 可以借助蛋白質與microRNA 網絡這兩種不同途徑來發揮具體的作用。

3、預測

基于RNA-Seq的lncRNA預測流程

4、 IncRNA 與表觀遺傳的關系

染色質是細胞核的主要組分，由DNA 和蛋白質組成。染色質在DNA 的包裝、復制和基因表達中發揮著重要的作用。一般認為，表觀遺傳控制機制是在染色質水平的調節，是DNA 的序列不發生改變，而基因表達卻發生變化的遺傳機制，表現在兩代不同個體擁有相同的基因組DNA 序列但卻發生了可遺傳的變異。目前關于其調控機制的研究集中在DNA 的共價修飾（如甲基化）、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA 等。

5、其他相關

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circRNA

1、背景介紹

環狀RNA（Circular RNA，circRNA）是一類具有閉合環狀結構的內源性非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA），主要由前體RNA（pre-mRNA）通過可變剪切加工產生，circRNA 廣泛存在于所有真核生物中，并且非常穩定。目前，circRNA 的研究已經成為了RNA 研究領域的新熱點，研究發現circRNA 在轉錄本中占有相當大的比例，有的表達豐度甚至顯著高于其他轉錄本。

同時，circRNA 對基因的表達有重要調控作用，在生物的發育進程中發揮了重要的生物學功能，如充當miRNA 海綿、作為內源性RNA 以及生物標記物，在疾病的診斷與治療中也發揮重要作用。研究發現circRNA 在一些疾病的發生中扮演了重要角色，包括動脈硬化、神經系統紊亂、糖尿病和癌癥的發生。

2、環狀RNA 的特征

目前已鑒定的circRNA 主要有以下特征：

circRNA 存在于多種真核生物中，在同種生物的不同組織中也廣泛存在。它們在人體細胞中廣泛表達，有些circRNA 的表達水平甚至超過其線性異構體10 倍之多。多數具有高度保守序列，僅少數在進化上不保守；大多數定位于細胞質中，少數定位于細胞核內；

多由一個或多個外顯子形成，少數來源于內含子或內含子片段；大部分是非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA）；

circRNA 呈閉合環狀結構，不具有像線性RNA 的5' 和3' 游離末端，不易被RNA核糖核酸酶R（Ribonuclease R，RNase R）分解，與線性RNA 相比更穩定。環狀RNA 的半衰期一般超過48 h，可利用RNase R 消化其他RNA，提純circRNA。因此RNase R 的處理對circRNA 起富集作用，并成為判定RNA 是否成環的一個重要條件。

部分circRNA 擁有miRNA 應答元件（miRNA response element，MRE），具有miRNAsponge 功能，與miRNA 相互作用，調控靶基因的表達；

大多數circRNA 能在轉錄或轉錄后水平發揮調控作用，少數能在轉錄水平發揮作用。環狀RNA（circular RNA，circRNA）呈閉合環狀，是一類不具有5' 末端帽子和3' 末端尾巴的特殊內源性非編碼RNA，主要由外顯子轉錄產物組成，是目前RNA 研究領域的新熱點。

circRNA 普遍存在于人、鼠、線蟲、獼猴、果蠅、槍棘魚等各類動物體內。

研究發現circRNA 在轉錄本中實際上所占比例相當大，一些基因的circRNA 表達量至少是其線性轉錄本的10 倍。

3、預測和分析

漫話circRNA

如何做circRNA的表達和功能驗證？

circRNA分析工具集-CIRCexplorer介紹

4、研究熱點

circRNA 的研究還剛剛興起，但其重要性引起了國際上學者的高度重視，并逐漸揭開circRNA 的面紗。circRNA 的廣泛性，保守性及組織特異性等特質，都預示著它可能成為一種新型的生物標志物。

circRNA 參與了生物的生長發育、衰老、疾病等多種生命活動過程，在轉錄后水平具有調控基因表達的重要功能。對circRNA 進行研究具有重要意義：circRNA 獨具的競爭性內源（ceRNA）特征可為藥物開發提供新的思路；circRNA 的組織特異性和穩定性有可能使circRNA 成為一種良好的生物標志物；circRNA 的研究為生命的進化提供新的研究方向。目前在畜禽上關于circRNA 鑒定及功能研究報道寥寥無幾。

circRNA 的世界仍有許多未知等待我們去探索。隨著分子生物學技術的不斷進步，相信在未來幾年，會有大量的circRNA 及其功能在疾病、動植物中的表達與生物學作用被研究者發現。

piRNA

1、背景介紹

piRNA(PIWI-interacting RNA)是一類可在生殖細胞中大量表達，并與PIWI蛋白相互作用的非編碼小RNA( non-coding RNA,ncRNA)，通過沉默轉座元件和調控編碼mRNA維持動物基因組穩定，在生殖細胞發育分化過程中發揮重要作用同時，piRNA的異常表達與腫瘤的關系密切。本文對piRNAs的發生通路、調控方式、生物學功能及其在癌癥中的研究進展進行論述，為精準醫療的發展及動物雜交后代雄性不育的研究提供新的視角。

2、發現

Aravin 等利用MILI(PIWI2) 核糖核蛋白復合體免疫共沉淀技術在三月齡雄性C57BL/6J 小鼠睪丸中分離出核糖核酸，并利用MILI pep N2 的抗體進行親

和純化，克隆測序發現了長度在26 ～ 28nt 和30nt 左右的小RNA，進一步序列分析發現這一類小RNA 長度在18 ～ 26 nt 和24 ～ 33 nt 之間，其中大部分為MILI interacting RNA 和 5` 端尿嘧啶親和RNA，基因組聚類分析表明絕大部分MILI interacting RNA 序列來自基因同一區域，由于與這些小RNA 作用的Mili 蛋白屬于PIWI(P-element induced wimpy testis) 蛋白家族成員，故將該小RNA 類群命名為PIWI-interacting RNA 即piRNA。

3、piRNA的生成途徑

研究表明，包括小鼠、果蠅在內大多數動物的piRNA 都具有初級合成和次級合成兩種途徑，且兩種途徑共同作用，在不同的調控模式中具有重要的功能體現。

4、piRNA的生物學功能

（1）轉座子的轉錄后水平沉默

轉座子作為一種具有自私性的個體遺傳元件，其引起的轉座突變對于生物個體仍具有一定威脅，但包括某些軟體動物在內的許多物種均存在生殖特異性

piRNA 在轉錄后水平沉默轉座子機制，維持了生殖細胞穩定性和完整性。

（2）piRNA對mRNA的調控

piRNA 除對轉座子活性具有明顯影響外，對生殖細胞的形成也具有顯著調控作用，主要體現在對編碼蛋白mRNA 的調節作用上。

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