《自然》专题:调控RNA

【字体: 时间:2012年02月21日 来源:生物通

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  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。

  

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。

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以为,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。

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。

RNA结构分析

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

长链非编码RNA

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。

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。

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。

lncRNA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%)。

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.)。

(生物通:万纹)

原文介绍:

Regulatory RNA
Vol. 482 No. 7385 pp321-355

In-depth sequencing studies have revealed an unexpected complexity to the nature and function of RNAs encoded by DNA. This Insight includes an explanation of how dynamic reorganization of RNA structure directs many cellular processes, discusses systems controlled by specific RNAs and offers a modular model for the function of long non-coding RNAs.
 

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