基因内非编码 RNA 及剪切

赵珊 学号： 10808049

一、真核生物中非编码 RNA（ ncRNA） 1、定义： 非编码 RNA ，指的是不被翻译成蛋白质的 RNA 。它作为关键因子参

与细胞内部分调控过程。

2、功能： 涉及转录水平和转录后水平的基因表达调控。 包括介导染色质修饰、调控转录因子活性、影响 mRNA 的稳定性

及 mRNA 的加工与翻译 , 调控蛋白功能和定位等。在遗传印迹、染色体相关基因的剂量补偿及许多分化发育过程中都起着关键作用。

3 、分类： 大致分为 2 类：“看家 RNA” 与“调控 RNA” 。

“看家 RNA” ：包括 tRNA 、 rRNA 、 snRNA （小核 RNA ） 、 snoRNA 、 RNasePRNA 、 tmRNA 、 h YRNA 、 RNase RP 和端粒 RNA 等。

“ 看家 RNA” 一般都属于组成型表达 , 对细胞的生存以及基本功能是必需的。

“调控 RNA” ：可分为转录调控子、分布调控因子、转录后调控因子、蛋白功能调节因子等。

“ 调控 RNA” 一般在组织发育或细胞分化的特定阶段表达 , 或者是对外界环境应激表达 , 调控一系列的生物过程。

4、 ncRNA在真核生物基因组中的存在：• A 基因间隔区中• B 内含子中• C 蛋白基因的开放阅读框中（单／多顺反子）

二、核仁小 RNA （ snoRNA ）及其基因结构 1、两个主要的典型核仁小 RNA（ snoRNA ）： box C/D 和 box H/ACA snoRNAs

每一种 snoRNA 都与不同的核心蛋白结合来形成小核仁核糖核蛋白颗粒 (snoRNP) ，用于功能修饰。

a box C/D snoRNA 家族　 （ 1 ）结构： box C/D snoRNA 包含有两个短的序列元件， 即位于 5 ‘ 末端的 box C(RUGAUGA) 和 3’ 末 端的 box D(CUGA) 。多数 box C/ D snoRNA

基因的 5‘ 和 3’ 末端都有 4 － 5 nt 的反向重复 序列，可以形成较为稳定的短茎结构，这一 结构在 snoRNA 的生物合成和核仁定位过程 中起关键作用。

（ 2 ）功能： 大部分 box C/D snoRNA 都是通过反义互补行使功能，最为常见的

是指导 rRNA 特定位点的 2'-O- 甲基化修饰。所谓“反义互补”是指在 box D 或 box D' 上游的一段 10 － 21nt 的片断，能够与靶 RNA 形成严谨配对，从而指导特定位点的修饰。其中少数 box C/D snoRNA 具有两段反义序列。

b box H/ACA snoRNA家族　 （ 1 ）结构： box H/ACA snoRNA 具有保守的 “ 发夹 - 铰链 - 发夹 - 尾 (hairpin-hingehai r p in -t a i l ) ” 的 二级结构。 box H (ANANNA ， N 代 表任一核苷酸 ) 位于单链形式的铰链区， ACA 则一般位于 3‘ 末端上游 3 个核苷 酸处。 （ 2 ）功能： box H/ACA snoRNA 的指导序列位于单个或者两个发夹内部的“假尿嘧啶化

泡” (pseudouridylation pocket) 内，它们可以与靶 RNA 上的被修饰位点两翼序列各形成 4 － 8nt 的互补配对。

2、功能： 它们是负责引导目标 RNA （大部分的普通的 rRNAs 及 snRNAs ）

2 ’—O— 甲基化和假尿苷化的。3、存在： 根据编码 snoRNA 的序列是否从属于其他基因，可将其分为独立编

码的 snoRNA 和内含子编码的 snoRNA 。 a 动物和一些酵母菌中： 大多数 snoRNA 是由内含子编码的，其加工大部分是依靠剪切的。 通过从 5’ 端到 3’ 端的对线性内含子的核酸外切来释放核仁小核糖核

蛋白。 内含子编码的 snoRNA 基因依赖于它们宿主基因的转录——这些宿主

基因大部分编码与核糖体的发生及核仁功能相关的蛋白质。

动物及酵母菌的 snoRNA 从线性化的内含子中通过核酸外切产生。这个过程依赖剪切。

b 植物中： （ 1 ）大部分植物 snoRNAs 由基因的多顺反子组成，表达前体 snoR

NAs 。 　　从前体 snoRNA 转录本中分离单体 snoRNA 的机制：在酵母菌中，

这个过程由 RNaseIII 来完成。在酵母菌 snoRNA 的沉默区之间包含着茎环结构，蓬出的核苷酸被 RNaseIII 核酸内切作用剪切，在剪切之后， Xrn1p 和 Rat1p催化核酸外切产生了成熟的 snoRNA 。

（ 2 ）由内含子编码　以单体形式存在（如同酵母菌及动物中），或者是作为内含子 snoRN

A簇存在（只在植物中被发现）。 植物从内含子中产生的 snoRNA 不依赖剪切，成熟 snoRNA直接从

转录本中释放。

酵母菌及植物的多顺反子 snoRNAs及植物的内含子 snoRNAs ，先由核酸内切作用释放（红色箭头），再进行核酸外切作用。整个过程不依赖于剪切。

三、微 RNAs(miRNAs) 及其基因结构 1、定义： miRNAs 是小的 ncRNAs, 大约有 21 到 23nt 的长度。在动物和植物中

它们通过碱基配对到目的 mRNAs ，在转录后水平调节基因的表达。

2 、存在：a 在动物中，大多数 miRNAs 都是由内含子编码的。然而与动物内含子

snoRNAs 相反的是，动物中的内含子 miRNAs 能在内含子中成簇产生。

b 在植物中，直到现在，发现miRNA 的大部分是作为单顺反子或多顺反子转录单位，存在很少的内含子 miRNA 。

3 、功能： miRNAs 与目标 mRNAs 有互补性，通过清除m RNA 或通过翻译抑制来调节其表达。除此之外， miRNAs也能刺激翻译。

4 、功能举例： 在植物中， miRNAs几乎完美的互补性，使大多数的目的 m RNA

被清除、降解了。植物 miRNAs典型地调节了发育过程并回应压力，这反映在他们在特殊的组织以及特别的发展阶段进行表达，并且它们的表达水平在不同环境或者不同生长状况下不同，并且对植物激素的反应中表达水平不同。

压力引导的对 miR-399磷酸盐水平的调节的研究： 通过碱基配对到 ncRNA 、 IPSI ，调节 miR-399 的活动， ncRNA 、

IPSI隐蔽了miRNA ,阻止了它与目的 mRNA 相互作用，使其不能达到清除目的 m RNA 的作用。这是 miRNA 的活动被细微调节的好例子。

5、产生： miRNAs 从前体 miRNAs 转录本中产生，这种前体折叠形成了广大的双折叠茎环结构。

a 在动物中，在核内，由 RNaseIII 剪切初期miRNA产生了中间产物——前体 miRNA ，然后在细胞质中被 Dicer酶作用产生成熟的 miRNA ，然后被加入到由 RNA 介导的沉默复合体中。

b 在植物中，初期miRNA 及前体 miRNA 的形成过程都发生在核内，由DICER-LIKE 1 从前体中释放了成熟的 miRNA 。

四、剪切及内含子 snoRNAs

• 由于植物和动物的内含子的二级结构能影响剪切效率及剪切的选择，因此 snoRNAs 及初期miRNAs 有潜力去影响剪切过程。

• 例如： 在酵母菌中，一个内含子 snoRNA 的位点改变降低了 snoRNA 及宿

主 m RNA 的产生效率，这暗示了在形成剪切体及 snoRNP装配体之间存在一个竞争。相反的，没有证据证明在脊椎动物中内含子 H/ACAsnoRNP 的装配和基因剪切之间存在相互作用。

• 依靠专门的蛋白质 - 蛋白质相互作用，剪切过程可能会影响 snoRNP的装配，而 snoRNA 在内含子中的位置有可能影响对于宿主内含子的剪切效率。

五、剪切及内含子miRNA

动物中的剪切方式：a Drosha 从切断的套索中切出了前体 miRNA ，b 从分开的内含子中产生前体 miRNA

c 从未剪切的前体 m RNA 中产生前体 miRNA

因此，剪切产生 mRNA 及产生 miRNA 将会相互排斥。但是如果剪切复合体的存在，则前体 mRNA 的断裂不会抑制其剪切。

动物及植物中的内含子 miRNAs , 及动物内含子 miRNA簇。在 Pre-mRNA 剪切后，由 Drosha 或 DCL1 从内含子套索或者是双分支内含子中产生 Pre-miRNA 。未剪切的 m RNA ，或者 Pre-miRNA 的产生和 mRNA 的产生互相排斥，而只产生Pre-miRNA ，或者形成 剪切复合体后产生 Pre-miRNA 和 mRNA 。

在植物中，举例：　在 11 个现在已知的植物内含子 miRNAs 中， miR162a 和 miR838 与

Arabidopsis DCL1. 的调节是有关的。

ａ：miR162a ，存在于 At5g08185 中第二个内含子中，目标是降解 DCL1mRNA 。

　 miR162a 和它的宿主基因：　这个基因的转录本显示了一个选择性剪切的复杂模式，有至少六个不

同的剪切变体。只有一些转录本包含有前期miRNA ，并能生成成熟miRNA 。其他将不会产生成熟miRNA 。可变剪切位点的位置的检测清楚地证明了在剪切和 miRNA产生间存在竞争，或者说在剪切位点处剪切因子的装配与前体 mRNA 二级结构形成之间存在竞争。

• 例如，从真正的 5’ 剪切位点到前体 miRNA 的 AG 的剪切，产生了包含完整的前体 miRNA mRNA 的转录本（图３中ＡＳ２）

• 相反的是，由前体 miRNA 茎环结构中隐含的 5’ 剪切位点及一个隐含的 3’ 剪切位点剪切内含子，剪切掉了包含 miR162a 序列的前体 mRNA臂。因此不能形成合适的二级结构来加工生成 miRNA 。（图３中ＡＳ３）

图：为包含有 miR162a 的 At5g08185 基因的选择性剪切。 4 种不同的剪切方式产生了 5 种不同的转录本，其中只有未剪切的 pre-mRNA, AS1 和 AS2 包含有 pri-miRNA 。

ｂ：miR838 由来自 DCL1 的基因的内含子 14 所编码，可能通过从前体m RNA 中形成 miR838 而自动调节了 DCL1 的 mRNA 的表达。

　检测到 DCL1mRNA 的片断在 miR838 的位置分开了，这暗示着在剪切及 miRNA 的产生之间存在一个直接的竞争。

　总结　　　考虑到这些剪切事件，前体 m RNA 的二级结构在剪切上作用已经表现出来了。

　　　在ＡＳ２中，在茎环结构碱基的 5’ 端隐含的 3’ 端剪切位点（ＡＧ）的使用暗示着这事件发生在前期miRNA折叠之后，抑制了对真实的 3’ 剪切位点的选择。

　　　在ＡＳ３中使用了一个隐含的 5’ 剪切位点，这个位点临近最终的茎环结构。这将不可能在前期miRNA折叠之后发生，因为在茎环形成阶段，与 U1snRNA 互补的位置是碱基配对竞争的。

　因此，剪切被 miRNA 的二级结构所影响，植物中内含子的二级结构影响了剪切的效率和剪切位点选择的准确度。也可能剪切事件被前期miRNA装配复合体的前期组合所影响，像 snoRNA那样。

　miRNA剪切的生物学意义

　　　剪切本身被许多作用因素所调节，这些因素根据细胞内或细胞外的刺激或信号通路选择剪切模式。宿主 m RNA 和ｍｉ RNA 的产生将会依赖于其在内含子中的位置、在转录期间及转录后这些 RNA折叠的动力学、以及剪切复合体的作用。

　　　 miRNA 及其剪切，尤其是选择性剪切，在动植物的发育和压力反应方面都有重要的作用。

六、 snoRNA及miRNA的相似性及进化关系

１、相似性：　　动植物系统中 snoRNA 及 miRNA 的内含子组织，以及它们的加工方式在许多方面都是相似的。 snoRNA 包含着与 r RNA 或者是 snRNA 的互补区；miRNA 包含着与 m RNA 的互补区；他们的稳定性、加工和与蛋白质相连需要其二级结构。

２、进化关系：　　 SnoRNA 的进化和 miRNA 的进化也是平行的；在两种ＲＮＡ中都

发生复制和进化，正如在内含子及非编码区中 ncRNA簇及所显示的那样。一些 snoRNA 及 miRNA 在进化上是相关的，或者是同一个基因进化而来的。有趣的是，来自一个原始植物的三个 U14snoRNA 的结构包含 boxC/DsnoRNA 的所有的特征，也具有暗示着前体 miRNA的广泛的二级结构。

　　　内含子序列比编码蛋白质的外显子面临较少的选择压力，它们可以允许序列缺失、序列插入、序列重复等。因此内含子有一个很大的潜力进化，形成新的编码内含子的 ncRNA ，它也能推动在宿主基因中内含子——外显子结构的变化。

　　　由于高通量测序的快速发展及成本的降低，将会发现更多内含子ncRNAｓ。再加上比较基因组学这个有力的工具，特别是对内含子保守性的分析，将得到基因内 ncRNAｓ进化和功能动力学的新的观点。