lncRNA介绍专题：lncRNA与其他非编码RNA

ncRNA（non-coding RNA）是近年来发现的一类能转录但不编码蛋白质的具有特定功能的RNA小分子。功能基因组学的飞速发展将越来越多的目光引向了对非编码转录产物功能的研究。

ncRNA根据大小可以分为两组：大于200bp的long RNAs以及小于200bp的small RNAs，其中long RNAs包括long non-coding RNA（lncRNA）和circleRNA，small RNAs包括miRNA、piRNA、snRNA 、snoRNA 等等。

lncRNA

lncRNA一般是指长度大于200 个核苷酸，没有显著的蛋白质编码能力的的DNA 转录产物。虽然这个定义稍显武断，但是它却可以很好的区分lncRNA与miRNA、piRNA等小RNA。

lncRNA的分类是比较复杂的，根据它们在基因组上的位置附近的编码基因，可以将其分为以下5类：

• 反义型，antisense

• 内含子型，intronic

• 基因间型，intergenic

• 分歧型，divergent

• 增强子型，enhancer：很多lncRNA都是enhancer型lncRNA，它们可以调控它们产生区域的增强子和其他调控因子的作用。

不同的lncRNA会存在于细胞的不同地方：存在于核内或胞浆内。根据其所处位置的不同，其发挥的作用也不相同。有些lncRNA还可能同时存在于核内和胞浆内。

核内lncRNA占lncRNA的大多数，通过招募染色质调节因子（chromatin modifiers）到DNA上来发挥调节作用，或者作为一些核糖核蛋白的脚手架来发挥作用。

而胞浆中的lncRNA作用于基因的转录后水平的调节，如作为miRNA海绵（可以是环状结构，也可以是线性结构），抑制miRNA对mRNA的作用。同时lncRNA还可以影响到RNA的半衰期（见下图）。

LncRNA 起初被认为是没有功能的转录垃圾。在经过大量研究论证后，大多数的lncRNA 被确定是转录和翻译过程中的关键调控因子，在细胞正常功能发挥中有着重要的影响。比如染色质重塑、转录及转录后调控、细胞内物质运输、细胞核亚结构形成、干细胞多能性、体细胞重编程、发育调控、疾病发生等。在发挥这些功能时，lncRNA 通过不同的作用途径及方式实现基因表达的调控。包括顺式调节与反式调节方式。另外，lncRNA 可以借助蛋白质与miRNA 网络这两种不同途径来发挥具体的作用。

circleRNA

环状RNA（Circular RNA，circRNA）是一类具有闭合环状结构的内源性非编码RNA，主要由前体RNA（pre-mRNA）通过可变剪切加工产生，circRNA 广泛存在于所有真核生物中，并且非常稳定。

circleRNA根据其可以来源可以分为3种：

• 只包含外显子的ecRNA（Exon-derived circRNA），图中的A，B；

• 只包含内含子的ciRNA（circular intronic RNA），图中的C；

• 一个内含子插入到两个外显子之间EIciRNA（exon–intron circRNA ），图中的D。

目前，circRNA 的研究已经成为了RNA 研究领域的新热点，研究发现circRNA 在转录本中占有相当大的比例，有的表达丰度甚至显著高于其他转录本。

circRNA 对基因的表达有重要调控作用，在生物的发育进程中发挥了重要的生物学功能，目前认为circleRNA的作用主要集中在转录及转录后调控方面，有以下5类：

• 促进circleRNA父基因的转录：ciRNA及ElciRNA定位在核内并调控父基因的表达。

  父基因：指的是circleRNA来源的基因，下同。

• mRNA捕获：circleRNA的产生伴随着他们父基因的转录，因此circleRNA很可能可以竞争性的影响mRNA的产生及处理过程。

• miRN海绵：一些circleRNA具备miRNA的保存结合位点。

• RBP海绵：可以调节RBP的功能，如Argonaute (Ago), polymerase II等。

  RBP： RNA binding protein，RNA结合蛋白。

• 编码蛋白质：一些circleRNA还具备核糖体进入位点，可以编码蛋白质发挥功能。

miRNA

微小RNA(microRNA，miRNA)是一类存在于动植物体内、大小为21一25 nt的内源性非编码单链小分子RNA，对转录后的基因表达调控起重要作用。

多细胞动物的miRNA的生物合成起始于RNA聚合酶II转录出“茎环结构”的前体miRNA分子，然后Drosa酶（RNaseIII）酶切去除前体miRNA分子的基部的双链。这个处理后的前体miRNA分子会被Ran-GTP/Exprotin5转运至胞浆中，然后Dicer酶（RNaseIII）继续处理这个前提miRNA分子，形成一个包含miRNA的双链的miRNA分子（下图B）。

植物的miRNA的与动物有所不同，前体miRNA分子在细胞核中就会被DCL1酶（Docer-like1)二步酶切成双链miRNA分子，所以在植物体内很难找到前体miRNA分子（图中使用方括号包围）。然后这个双链miRNA就会在HASTY（Exportin-5 在植物中的同源类似物）的作用下运转到胞浆中并进一步组装，从而发挥转录后调控作用（下图A）。

成熟的miRNA需要和RNA诱导沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）组装才能发挥作用。miRNA同靶mRNA的互补程度决定了靶mRNA的命运。如果是完全互补，则mRNA会被降解（下图A），如果是部分互补配对，则只是导致mRNA沉默，并不会诱导mRNA降解。

piRNA

piRNA(PIWI-interacting RNA)是一类可在生殖细胞中大量表达，并与PIWI蛋白相互作用的非编码小RNA( non-coding RNA,ncRNA)，通过沉默转座元件和调控编码mRNA维持动物基因组稳定，在生殖细胞发育分化过程中发挥重要作用。同时piRNA的异常表达也与肿瘤的关系密切。

piRNA的生物发生过程在不同的生物中并不相同，在果蝇（D.melanogaster）中，前体piRNA的合成涉及到异染色质结合蛋白Rhino结合到H3K9me3基因座位。Rhino同时会结合Deadlock和Cutoff蛋白，后者会将保护前体piRNA的5‘端。然后前体piRNA在UAP-56蛋白的帮助下转运到胞浆内。再在Zucchini 、Gasz 和Armitage 等因子的帮助下，形成成熟的piRNA。

在小鼠（M.musculus）中，转录因子A-MYB结合到典型的启动子模体上开始piRNA的转录，形成的piRNA前体经历5’加帽和3‘加尾之后，转运到胞浆中。在胞浆中，进行5’端修饰，载入到MIWI蛋白上，并3‘修剪并甲基化后，形成成熟的piRNA。

在秀丽隐杆线虫（C.elegans）中，FKH结合到Ruby模体开始了前体piRNA的合成，然后前体piRNA转运到胞浆中，前体piRNA经过5’和3‘端修饰后（有可能是有TOFU-1，TOFU-2介导），和Piwi蛋白PRG-1 结合，HENN-1会对piRNA进行甲基化修饰，最终形成成熟的piRNA。

参考资料

1. Long non-coding RNAs as regulators of the endocrine system. Nat Rev Endocrinol.

2. Circular RNAs: biogenesis, expression and their potential roles in reproduction. J Ovarian Res.

3. MicroRNAs: Genomics, Biogenesis, Mechanism, and Function. Cell.

4. piRNAs: from biogenesis to function. Development.