非编码小RNA的多样性

黄俊骏 王华华 梁卫红

（河南师范大学生命科学学院，新乡 453007）

非编码小RNA的多样性

黄俊骏 王华华 梁卫红

（河南师范大学生命科学学院，新乡 453007）

RNA是一类广泛存在的极其重要的生物大分子，它不仅种类繁多，而且不同种类的RNA在结构方面有着显著的差异。RNA种类和结构的多样性决定了RNA具有很多重要的生物学功能。随着对非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）研究的不断深入，ncRNAs同样呈现出前所未有的复杂性和多样性。主要介绍了tRNA、snRNA、scRNA、rRNA、siRNA、miRNA、piRNA和nat-siRNA等两大类持家ncRNA和调控ncRNA的结构和功能，为便于了解生物体内小的非编码RNA的多样性，进一步挖掘和利用ncRNAs提供一定的参考，促使人们对RNA 的认识和地位作出新的思考。

非编码小RNA 小分子 多样性 结构 功能

在生物体内，RNA可以分为两大类：编码RNA和非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）。ncRNA是在生物体转录过程中大量产生的，对细胞的生长是必须的，并非是转录的“垃圾”。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。因此，对ncRNA的深入研究将对基因功能开发、人类疾病防治及生物进化的探索有重要意义，并迅速成为当今分子生物学最热门的前沿研究领域之一。

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］。尽管非编码RNA不翻译成蛋白质，但是它们能够行使调节其他基因的功能。因

此，转录非编码RNA的DNA序列也被称为RNA基因或非编码调节基因。换言之，非编码RNA基因是一种能够调节其他蛋白编码基因的RNA基因。在人类基因组中，绝大多数的DNA（约95%）属于非编码的类型。ncRNA在遗传信息的载体（DNA和染色质）与表达产物（蛋白质）的相关生物过程中都有着极其重要的作用。根据大小，ncRNA可分为长链ncRNA和短链ncRNA。前者在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用，后者在基因组水平对基因表达进行调控，其可介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。根据功能，ncRNA又可大致分成“持家RNA”与“调控RNA”。本文主要从以上两大类ncRNA来介绍非编码小RNA的多样性。

1 持家RNA

持RNA在生物体内长期恒定表达，维持基本生命必须的一类ncRNA，主要包括以下三种。

1.1 转运RNA

转 运RNA（Transfer rinucleic acid，tRNA） 是ncRNA中最典型的例子，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［1］。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。

1.2 核内小分子RNA

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［2］。

1.3 胞质小分子RNA

在真核细胞中，另一种类型的小分子RNA是胞质小分子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

调控RNA的转录具有时空特异性，通常短暂表达，如调控染色质结构与转录的RNA、调控翻译的RNA、调控蛋白功能的RNA、调控蛋白定位的RNA等。这里主要介绍以下几种代表性的非编码小分子RNA的调控RNA。

2.1 小核仁RNA

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。

snoRNA 是 ncRNA中研究得最多，了解得最详细的成员之一。根据保守序列和结构元件，snoRNA可分成3类：box C/D snoRNA，box H/ACA snoRNA以及MRP RNA。通常，box C/D snoRNA的功能为指导 rRNA或 snRNA中特异位点的2'-O-核糖甲基化修饰；而绝大多数box H/ACA snoRNA指导RNA假尿嘧啶化修饰，即指导RNA分子由尿嘧啶向假尿嘧啶的转换，同时发现在不同的物种中，其所作用的对象亦不同，如在真核生物中的boxH/ACA类

snoRNA的作用对象为rRNA和snRNA等［3］，而在古细菌中的Box H/ACA snoRNA同源物目前仅发现作用于rRNA［4］；作为核蛋白分子RNaseMRP的唯一核酸成分的MRP RNA，有着与前两类snoRNA不同的、更加复杂的结构，目前仅发现于真核生物体内，在所有真核生物25S-28S rRNA的产生中发挥作用［5］。还有一些snoRNA能帮助 rRNA的前体折叠，所以又具有分子伴侣的功能。最新研究表明，snoRNA能够帮助确定细胞是否死于自杀，同时发现snoRNA并不像以前认为的那样留在细胞核内，而是进入细胞质，说明这种分子拥有很多研究人员未知的功能［6］。

2.2 小干扰RNA

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）［7］。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［8］。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。

2.3 微小RNA

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［9］。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4 000多条［10］。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。

2.4 piRNA

piRNA（Piwi-interacting RNA）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［11］。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［12］。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［13］。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［14-16］。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［17，18］，后又在果蝇的生殖系细胞中发现［19，20］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。

2.5 天然反义siRNA

反式作用siRNA（Trans-acting siRNA，tasiRNA）和天然反义siRNA（Natural-antisense siRNA，natsiRNA）是最先在拟南芥和小立碗藓中发现的新的内源性siRNA［21，22］，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［23，24］。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［21，24-27］。tasiRNA常作用于非同源基因的沉默，同时不产生扩增效应［21，28］。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［21］，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［29］。

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［30］，在小立碗藓的形态建成过程中期重要作用［31］等，但是仍然存在许多问题有待思考和解决。

3 小结

随着研究的深入发现，生命体内还存在许多具有重要功能的小RNAs［32］，在整个生命的调解过程中发挥重要的作用，它们不仅仅局限于真核生物，在原核生物中也发现了一系列的具有调节作用的小RNA，在原核生物的生命过程中发挥了重要的调节作用，一般作为环境变化的应答元件。同时它们在细菌、真菌、哺乳动物等许多生物体的重要生命活动中发挥着极广泛的调控作用，如在染色体的转录与失活、基因的表达与关闭、细胞周期乃至个体发育等过程中均具有重要的作用。我们有理由相信基因转录后调控、基因敲除、人类疾病防治及生物进化探索等众多的问题会随着研究的深入而逐步被阐明。当然，如何鉴定与发现这些RNA是值得人们思索的重要问题。

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（责任编辑 狄艳红）

The Diversity of Small Non-coding RNA

Huang Junjun Wang Huahua Liang Weihong
（College of Life Science，Henan Normal University，Xinxiang 453007）

RNA is a ubiquitous family of large biological molecules that perform multiple vital roles. There are many RNA types with different structure. RNA has many important biological functions for the diversity and structure. Non-coding RNA（ncRNA）show unprecedented complexity and diversity along with further research on ncRNA. This paper mainly introduced the structure and function of two categories, housekeeping ncRNA and regulation ncRNA, such as tRNA, snRNA, scRNA, rRNA, siRNA, miRNA, piRNA and nat-siRNA, in order to understand the small ncRNA diversity in vivo. It provides accessible

ource of further mining and utilization of ncRNAs and new insights on RNA recognition and status.

ncRNA Small molecules Diversity Structure Function

2014-03-20

国家自然科学基金项目（U1204305），河南师范大学博士科研启动费（11126/11129），河南省基础与前沿技术研究项目（132300410455/14B180035）

黄俊骏，女，副教授，研究方向：表观遗传学；E-mail：jjhuang2012@163.com