《自然》专题：调控RNA

小丫

2012年02月21日
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, y; ^# |7 d( ]生物通报道：科学家对RNA分子的功能的认识，从最初的仅仅是参与蛋白质生物合成的元素，到对细胞内信号传导和基因表达起重要的调控因子，从RNA的催化作用，到影响翻译及基因表达的非编码RNAs，RNA的作用已经越来越得到了大家的认可。
6 N' u/ I4 u0 n1 [9 Q0 v# u近年来，随着生物学研究的飞速发展，RNA在生命活动中所行使的多种生物功能及作用机制不断获得深入解析，除了非编码RNAs，“垃圾”RNA以外，研究人员还证实了某些情况下这些RNAs可直接与蛋白质结合对其功能进行调控。2月16日出版的Nature杂志就以“Regulatory RNA”为题，汇集一篇社论，四篇研究论文，编辑成了增刊，帮助研究人员了解近期RNA调控等方面的研究进展。
4 q. K. {" Y9 @  O  K7 ?/ b4 J+ w随着深度测序技术的发展，科学家们认识到DNA编码RNAs的功能和特性具有前所未料的复杂性，这一增刊专题指出了RNA结构的动力学特征如何指导许多细胞过程的，还探讨了特殊RNAs操控的系统，以及解析长链非编码RNA功能的一个新模型。
, Z' q  G) r! }( M7 E# E) g; qRNA结构分析
* [7 h& J  n7 S  l越来越多的研究表明，RNA的作用远不止是信使，传递信息，或者作为核糖体中的RNA成分。像是RNA剪接和编辑，维持端粒，蛋白分泌表达，小分子感应和应答催化，都是近年来发现的RNA的新功能。RNA如何行使这些功能，是解开许多生物学作用迷题的关键，而要回答这个问题，常常需要依赖于解密RNA结构。
0 L  {  k6 F) _) j* P但是要了解RNA的结构，并不容易，许多RNAs保守性不高，其功能不能通过简单的同源筛选就可以发现，因此常常采用的是二级保守结构的公变分析，还可以用于功能三维RNA模块的计算机模拟预测。去年来自麻省理工大学布罗德学院开发了一种高分辨率新技术，可以瞄准一个特定细胞，研究所有RNA的变化过程。通过在极短的时间间隔内给RNA拍摄快照，并将这些照片连在一起，不仅能显示出RNA的数量变化，还能看到其生命周期中短暂的中间过程。研究小组将这种追踪新生RNA生命周期的技术与一种新的测序技术结合，就能计算出mRNA（信使RNA，携带遗传信息，在蛋白质合成时充当模板）的数量。
! M0 X7 G3 A' _% O, h7 G# ~这一新技术的一个关键应用是跟踪如癌症或其他影响到RNA生命周期的疾病中的基因突变。过去人们只知道发生了突变，而要看到细胞里分子过程中所发生的突变结果却非常困难。新技术能让研究人员深入透视到细胞内部，看到基因突变如何扰乱了RNA的数量水平，反过来又合成了哪种蛋白质。
! [9 @3 I& X2 Z9 r1 O2 H+ _原核系统RNA沉默
微生物染色体上的CRISPR位点由重复元件和间隔元件组成。每个重复和间隔元件包含30到60个核苷酸碱基对序列。40%的细菌和90%的太古菌基因组序列均存在CRISPR位点。一个细菌通常含有几个CRISPR位点，每个位点是由4到100个CRISPR重复-间隔单位组成。
; F, }+ P1 ]4 ?5 k研究人员发现通过CRISPR与CRISPR相关的“Cas”蛋白质组的作用，微生物能够利用小RNA分子沉默入侵物遗传信息的关键部分，并获得对类似入侵物的免疫。
4 i" {. D1 C/ U6 i7 R! v细菌识别侵入的病毒或质粒，将外源DNA小片段插入它的CRISPR位点成为新的间隔序列。CRISPR单位被转录成crRNA前体。Csy4酶对crRNA前体每个重复元件进行切割生成长度为60个核苷酸的crRNAs，其中包含与外源DNA相匹配的序列。Cas蛋白利用crRNA结合这些匹配序列，沉默入侵的病毒或质粒。
. z6 T; d/ r4 w9 `7 B这种原核细胞CRISPR/cas系统沉默外源DNA的方式类似于真核生物的siRNAs。随着时间过去，CRISPR/cas系统将建立起可遗传的DNA编码免疫从而防止同类型病毒和质粒的入侵。
$ ?4 A; O! T! q' r长链非编码RNA
9 `7 `  R" d; {% h2 `! U长链非编码RNA(IncRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。
: X& C5 K5 g& t# ]& p在过去的几年里，全球的研究人员都将对于非编码调控RNA的研究集中在小RNAs上。但是越来越多的研究证明长链非编码RNA在肿瘤癌症调控中发挥的重要作用，这些文章陆续发表在Cell，Molecular Cell等杂志上。
7 a4 U# x6 g- ^8 s( A  _% m) I# r9 y比如，研究人员经过详细分析，发现一些长链非编码RNAs能使基因沉默，比如在X染色体失活和基因印记过程。研究人员还发现在去除一些长链非编码RNAs后，其相邻的蛋白编码基因的表达会降低，而一些基因表达的激活则需要这种RNAs的参与。更加重要的是，非编码RNAs在发育和分化相关的关键调控自的转录激活过程中，扮演了重要角色，因此也为治疗包括癌症在内的疾病提供了新的思路。
& b5 S9 ^- i' L  |# X; ^: j8 hlncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA参与了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，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%）。
& t  f! r  e; G/ ]& d* |lncRNA主要可能具有以下几个方面的功能：1）通过在蛋白编码基因上游启动子区（桔）发生转录，干扰下游基因（蓝）的表达（如酵母中的SER3基因）。2）通过抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因（蓝）表达（如小鼠中的p15AS）。3）通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链（紫），进而干扰mRNA的剪切，从而产生不同的剪切形式。4）通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链（紫），进一步在Dicer酶作用下产生内源性的siRNA，调控基因的表达水平。5）通过结合到特定蛋白质上，lncRNA转录本（绿）能够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）通过结合到特定蛋白上，改变该蛋白的胞质定位。8）作为小分子RNA，如miRNA，piRNA的前体分子转录（Jeremy E. Wilusz et al, 2009, Genes Dev.）。