長片段非編碼RNA及其功能

1、長片段非編碼RNA及其功能陳龍(河南省周口師范學(xué)院生命科學(xué)系466000摘要本文主要介紹了長片段非編碼RNA的特性、功能以及與一些疾病的關(guān)系。關(guān)鍵詞長片段非編碼RNA轉(zhuǎn)錄調(diào)控疾病發(fā)生長片段非編碼RNA(long noncoding RNA,ln2 cRNA一般是指長度超過200個核苷酸的非蛋白質(zhì)編碼RNA,它有別于具有調(diào)控作用的小分子非編碼RNA (ncRNA,如微小RNA(m i RNA、小干涉RNA(siR2 NA、核仁小RNA(snoRNA等。lncRNA像mRNA一樣通常由RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成,但其具有時空表達特異性,缺乏有義開放閱讀框(ORF,不編碼蛋白質(zhì),直接以RNA的形式發(fā)揮作用

2、。它們在生命活動中具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工、蛋白質(zhì)翻譯等多種作用,同時與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)1。1長片段非編碼RNA的生物學(xué)特性最新研究發(fā)現(xiàn),整個人類基因組中只有1/5的基因轉(zhuǎn)錄物與蛋白質(zhì)編碼有關(guān),即使編碼蛋白質(zhì)的mR2 NA其末端還含有一些非編碼區(qū)域,這表明非編碼序列的長度至少是蛋白質(zhì)編碼序列的4倍2。大規(guī)模互補DNA(cDNA測序項目顯示,在老鼠基因組中有3.5萬多種非編碼轉(zhuǎn)錄物,顯然lncRNA的豐富度出乎人們的意料。而且,由于很難區(qū)分蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄與非編碼轉(zhuǎn)錄,這還是被保守估計的數(shù)字3。研究顯示,哺乳動物的lncRNA s位于基因組內(nèi)長的基因間區(qū),基因組序列往往被分隔為

3、許多不同的編碼和非編碼部分,以正義或反義方向轉(zhuǎn)錄,包含蛋白編碼基因在內(nèi)的正義和反義轉(zhuǎn)錄物常形成重疊交織的網(wǎng)狀轉(zhuǎn)錄復(fù)合物2。各種生物的許多小RNA(如m iRNA或snoRNA顯示出很強的保守性。與此相反,lncRNA普遍缺乏保守性,這也是經(jīng)常被作為其無功能的證據(jù)4。然而,研究較為清楚的lncRNA一般具有低保守性,如X染色體失活基因(X ist,這表明長片段非編碼RNA可能受到不同的選擇壓力所致。不像mRNA不得不保留密碼子的用途、還要防止單個長ORF的移碼突變,lncRNA可選擇保留的只是與制約結(jié)構(gòu)或特異序列相互作用的小區(qū)。盡管lncRNA一般具有低保守性,許多l(xiāng)ncRNA仍含有強保守元件。

4、已經(jīng)證明哺乳動物的lncRNA在一級結(jié)構(gòu)水平上具有低保守性,而二級結(jié)構(gòu)具有保守性5。2長片段非編碼RNA的功能2.1對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控在真核生物中,RNA轉(zhuǎn)錄是一個嚴密的調(diào)控過程,ncRNA可以針對這一過程的不同方面發(fā)揮作用。可以針對轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的不同成分,如轉(zhuǎn)錄的激活劑或阻遏物、RNA聚合酶II等6。這些ncRNA與轉(zhuǎn)錄因子共同組成一個調(diào)控網(wǎng)絡(luò),精細地調(diào)控復(fù)雜的真核生物基因的表達。ncRNA通過不同的機制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的功能,包括作為輔調(diào)節(jié)因子或通過與輔調(diào)節(jié)因子聯(lián)合發(fā)揮作用,來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性。例如,非編碼RNA Evf-2是作為同源異型框轉(zhuǎn)錄因子D lx2的一個輔激活子,在前腦和神經(jīng)發(fā)育中發(fā)揮重要的

5、作用7。lncRNA還可以調(diào)節(jié)毗鄰的蛋白質(zhì)編碼基因的表達。RNA結(jié)合蛋白T LS通過結(jié)合并抑制cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶P300活性,而抑制靶基因細胞周期蛋白D1(cyclin D1表達。通過使結(jié)合于5調(diào)控區(qū)的lncRNA s的低表達,來指導(dǎo)新的T LS加入到cyclin D1啟動子上,以響應(yīng)DNA損傷信號。此外,lncRNA與配體協(xié)同調(diào)節(jié)T LS的活性8。ncRNA也調(diào)節(jié)所有基因轉(zhuǎn)錄中需要RNA聚合酶II的轉(zhuǎn)錄因子6。這些轉(zhuǎn)錄因子,包括組裝啟動子起始復(fù)合物或參與轉(zhuǎn)錄延伸的成分。來自二氫葉酸還原酶(DHFR基因上游的副啟動子,在DHFR主啟動子內(nèi)形成穩(wěn)定的RNA-DN

6、A的三鏈結(jié)構(gòu),以防止轉(zhuǎn)錄輔因子TF II D的結(jié)合9。非編碼RNA U1能通過RNA 聚合酶II C-末端結(jié)構(gòu)域的磷酸化,特異性結(jié)合和刺激TF II H,從而誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄起始。熱休克RNA-1(HSR-1是一個長片段非編碼RNA,它以非活性狀態(tài)存在于所有細胞中,但在脅迫時被激活而誘導(dǎo)熱休克基因表達。這種激活作用涉及響應(yīng)溫度升高時HSR-1構(gòu)象的變化,從而促使其與轉(zhuǎn)錄激活劑HSF-1相互作用,隨后經(jīng)三聚作用誘導(dǎo)熱休克基因的表達10。2.2轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控除了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄外,lncRNA還調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后mRNA的加工過程。它類似于m iRNA 和snoRNA等小調(diào)控RNA,常常通過與靶mRNA互補堿基配對而發(fā)

7、揮作用。非編碼RNA與mRNA的互補部分形成RNA雙鏈,可以覆蓋mRNA內(nèi)需要結(jié)合反式作用因子的關(guān)鍵元件,潛在地影響轉(zhuǎn)錄后基因表達的多個步驟,包括前體mRNA加工與剪接、運輸、翻譯和降解。mRNA的剪接可誘導(dǎo)其編碼的蛋白質(zhì)翻譯和功能多樣化。鋅指E框結(jié)合同源異型框2(Zeb2mRNA有特別長的5非翻譯區(qū)(UTR,需要保留包含核糖體進位有效翻譯的5U TR內(nèi)含子,內(nèi)含子保留依賴于互補的內(nèi)含子5剪接位點反轉(zhuǎn)錄表達11。因此,在骨髓發(fā)育期間,反轉(zhuǎn)錄的異常表達抑制剪接和誘導(dǎo)Zeb2mR2 NA翻譯。RNA聚合酶III轉(zhuǎn)錄的BC1(小鼠腦中表達的ncRNA和BC200(與BC1同源的人腦表達的ncRNA,

8、分別在小鼠和人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中表達。BC1序列與各種特異神經(jīng)元mRNA區(qū)域間的互補,提示BC1以翻譯抑制為目標(biāo)。最近研究表明,在紋狀體中,BC1與樹突內(nèi)控制多巴胺D2受體介導(dǎo)的傳輸效率的翻譯抑制有關(guān),并且刪除BC1RNA的小鼠顯示出行為改變12。lncRNA在siRNA介導(dǎo)中的基因調(diào)控中發(fā)揮作用。在單鏈RNA中除了覆蓋關(guān)鍵元件外,在果蠅和小鼠卵母細胞中形成雙鏈RNA,也可以產(chǎn)生內(nèi)源性的siRNA?；パa序列的退火,如轉(zhuǎn)錄物間的反義或重復(fù)區(qū)形成的RNA雙鏈,可能通過D icer-2加工成內(nèi)源siRNA。另外,這種lncRNA也可以加工成esi-1、esi-2(來自于esi-1和esi-2位點的轉(zhuǎn)錄

9、物等si RNA轉(zhuǎn)錄物13。來自于轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生的內(nèi)源siRNA在抑制生殖細胞系基因組中移動轉(zhuǎn)座子元件的傳播有重要的作用。表觀遺傳修飾包括組蛋白和DNA的甲基化、組蛋白乙?；皖惙核鼗?影響染色體生物學(xué)的眾多方面,主要通過大區(qū)域染色質(zhì)重塑來調(diào)節(jié)許多基因的表達。最近,人們開始認識到RNA以一定的方式參與了染色質(zhì)的修飾途徑14。普遍存在的與蛋白編碼基因關(guān)聯(lián)的lncRNA,可能有助于發(fā)育期間調(diào)節(jié)基因表達的染色質(zhì)局部修飾。最近對白血病中p15基因的反向表達譜和一個反義非編碼RNA研究發(fā)現(xiàn),該p15反義非編碼RNA能夠誘導(dǎo)改變異染色質(zhì)和p15的DNA甲基化狀態(tài),從而調(diào)節(jié)p15的表達15。哺乳動物染色體末端部

10、分形成的端粒,對染色體穩(wěn)定是必不可少的,并在老化和疾病(如癌癥中發(fā)揮中心作用?，F(xiàn)在認為端粒重復(fù)序列為端粒轉(zhuǎn)錄的RNA(TelRNA或端粒重復(fù)含有的RNA。這些ncRNA 是異源的,由若干亞端粒位點轉(zhuǎn)錄而成。在體外TelR2 NA影響端粒酶的活性,因此在染色體內(nèi)可能調(diào)節(jié)端粒酶活性16。3長片段非編碼RNA與疾病最近注意到許多疾病狀態(tài)下lncRNA s異常表達,提示lncRNA的多方面的作用潛在地與疾病的發(fā)生相關(guān)。比較分析腫瘤細胞和正常細胞lncRNA s表達狀況,發(fā)現(xiàn)其在多種癌癥細胞中的表達發(fā)生變化。例如,結(jié)腸癌超表達非編碼RNA(OCC-1在結(jié)腸癌細胞中表達量很高;前列腺特異性轉(zhuǎn)錄物(PCGE

11、 M1在前列腺腫瘤細胞的增殖以及群體形成相關(guān),表明該轉(zhuǎn)錄物參與了調(diào)節(jié)細胞生長;在原發(fā)性肝癌細胞中高保守的與小鼠同源的激活T細胞核因子2(NEAT2高表達。盡管癌癥細胞中出現(xiàn)了一些lncRNA s的異常表達,但其功能和潛在的致癌作用仍然不清楚。除了癌癥之外,lncRNA s還在其他疾病中出現(xiàn)異常表達,如外膜蛋白(PR I N S基因的超表達與銀屑病易感性相關(guān)。如果調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白編碼基因的lncRNA s表達,解除對有臨床意義蛋白質(zhì)編碼基因的控制,該lncRNA可能有致病能力。調(diào)控阿爾茨海默病的關(guān)鍵酶分泌酶(BACE1基因表達的反義lncRNA,在阿爾茨海默氏病人的大腦中表現(xiàn)出高表達17,18。主要

12、參考文獻ti onal sur p rises fr om the RNA world.Genes&Devel opment,23(13:14941504RNA classes and a possible functi on for pervasive transcri p ti on.Sci2 ence,316(5830:14841488of10human chr omos omes at5-nucleotide res oluti on.Science,308 (5725:11491154RNA poly merase II.Nature Structural&Molec

13、ular B i ol ogy,14(2:103105corres ponding human and mouse genom ic regi ons unalignable in p ri2 mary sequence contain common RNA structure.Genome Research, 16(7:885889RNA poly merase II transcri p ti on.Nature Revie ws.Molecular CellB i ol ogy,7(8:612616transcribed fr om the D lx-5/6ultraconserved

14、regi on and functi ons asa D lx-2transcri p ti onal coactivat or.Genes&Devel opment,20(11:14701484cally modify RNA-binding p r oteins in cis t o inhibit transcri p ti on.Nature,454(7200:126130of the human dihydr of olate reductase gene by a non-coding interfer2 ing transcri p t.Nature,445(7128:6

15、66670RNA s.Sciences STKE:Signal Transducti on Knowledge Envir on2 ment,2006(355:40蛋白質(zhì)組學(xué)研究的相關(guān)技術(shù)進展馮雪王彬(河北省廊坊師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院065000黃占景沈銀柱(河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院石家莊050016摘要蛋白質(zhì)組學(xué)的特點是采用高分辨率的蛋白質(zhì)分離手段,結(jié)合高效率的蛋白質(zhì)鑒定技術(shù),全景式地研究在各種特定情況下的蛋白質(zhì)譜。本文就蛋白質(zhì)組學(xué)研究中的雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳、質(zhì)譜技術(shù)和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)的研究進展進行了綜述。關(guān)鍵詞蛋白質(zhì)組學(xué)雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳質(zhì)譜技術(shù)基因組中的大多數(shù)基因最終都是通過蛋白質(zhì)的

16、表達、修飾和相互作用來實現(xiàn)其功能的。因此對蛋白質(zhì)的分析已經(jīng)成為生命科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,這對解析生命現(xiàn)象的分子機制至關(guān)重要。隨著多種生物基因組計劃的實施和完成、蛋白質(zhì)研究技術(shù)的發(fā)展和突破以及生物信息學(xué)的發(fā)展,人們開展了大規(guī)模的蛋白質(zhì)分析,蛋白質(zhì)組學(xué)隨之產(chǎn)生。1蛋白質(zhì)組學(xué)的相關(guān)技術(shù)1994年,澳大利亞Macquarie大學(xué)的W ilkins和W illiam s首先提出了蛋白質(zhì)組(p roteome的概念,它源于蛋白質(zhì)(p rotein基因組(genome兩個詞的結(jié)合,意為在一種細胞內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì)。盡管蛋白質(zhì)組概念提出至今只不過十多年時間,但它的研究可以追溯到二十多年前OFarrel和Kl

17、 ose各自創(chuàng)建的蛋白質(zhì)高分辨雙向凝膠電泳(t wo-di mensional gel electr ophore2 sis,2-DE。OFarrel將大腸桿菌細胞抽提物進行雙向電泳后,分離到1100個蛋白質(zhì)組分,從此拉開了蛋白質(zhì)組研究的序幕1。蛋白質(zhì)組研究中主要應(yīng)用的技術(shù)包括:雙向電泳(2-DE、新型質(zhì)譜(MS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫設(shè)置與檢索系統(tǒng)等。為了保證分析過程的精確性和重復(fù)性,大規(guī)模的樣品處理機器人也被應(yīng)用。整個研究過程包括:樣品處理、蛋白質(zhì)分離、蛋白質(zhì)豐度分析、蛋白質(zhì)鑒定等步驟。當(dāng)前,蛋白質(zhì)組分析雖然以雙向電泳和質(zhì)譜分析為其技術(shù)基礎(chǔ),但離不開各種先進的技術(shù)分析和圖像分析軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。1

18、.1雙向聚丙烯酰胺凝膠電泳雙向凝膠電泳是基于第一向蛋白質(zhì)的等電點不同用等電聚焦分離,第二向則按分子量的不同用S DS-PAGE分離,把復(fù)雜蛋白質(zhì)混合物中的蛋白質(zhì)在二維平面上分開。近年來,經(jīng)過多方面改進雙向凝膠電泳已成為研究蛋白質(zhì)組的核心方法3,4。利用雙向點脈技術(shù)來分離某一蛋白質(zhì)組所有蛋白的兩個關(guān)鍵參數(shù)是其分辨率和可重復(fù)性。在目前情況下,雙向凝膠電泳的一塊凝膠板(16cm x20cm可分離出30004000個,甚至上萬個可檢測的蛋白斑點,這與10萬個基因可表達的蛋白數(shù)目相比還是太少了。20世紀(jì)80年代開始采用固定化pH梯度膠,克服了載體兩性電解質(zhì)陰極漂移等許多缺點而得以建立非常穩(wěn)定且可隨意精確

19、設(shè)定的pH梯度。據(jù)此可建立很窄pH范圍的凝膠電泳,對特別感興趣的蛋白斑點做第二輪分析,從而大大提高了分辨率,這是雙向凝膠電泳技術(shù)上的一個非常重要的突破。目前雙向凝膠電泳技術(shù)仍面臨著挑戰(zhàn),如低拷貝蛋白的鑒定、極酸或極堿蛋白質(zhì)的分離、極大(> 200kD或極小(<10kD蛋白的分離和難溶蛋白的檢測,這類蛋白涉及一些重要的膜蛋白?；诖?國際上也重視以色譜/電泳-質(zhì)譜為主的技術(shù)。1.2質(zhì)譜技術(shù)質(zhì)譜(mass s pectr ometry是帶電原子、分子或分子碎片按質(zhì)荷比(或質(zhì)量的大小順序排scri p t regulates Zeb2/Si p1gene exp ressi on during Snail1-induced ep ithelial-mesenchy mal transiti on.Genes&a