分子生物学 第 7 章 第 4 节：非编码 RNA 对真核基因表达的调控

7.4.1 siRNA （small interfering RNA，小干扰 RNA）

2006 年诺贝尔生理学或医学奖：
发现 RNAi —— dsRNA 引发的沉默现象

• RNAi 的重要特性是以双链 RNA（dsRNA）行使功能

• dsRNA 对内源基因的干扰效率远高于 ssRNA

干扰小 RNA short interfering RNA，siRNA ：此类介导基因沉默的小片段 RNA

a）siRNA 的生物合成

• 通常，一个双链小 RNA 长 21 nt，其中 19 nt 形成配对双链，3’ 端各有两个不配对核苷酸，5’ 端为磷酸基团

  • 其中一条链为引导链 guide strand，介导 mRNA 降解

  • 另一条链为乘客链 passenger strand ，在 siRNA 形成有功能的复合体前被降解

siRNA 形成步骤

1. Dicer 切割

2. R2D2 装配

3. RISC 的装配与成熟

• Dicer：是一类 RNase III 蛋白，可用来切出长为 21-23 nt 的 siRNA

• R2D2：双链 RNA 结合蛋白，常在引导链 3’ 端一侧。Dicer/R2D2/siRNA 三者形成 RISC 装配复合物，然后 R2D2 招募 Argonaute 蛋白，开始组装 RISC

• RISC：RNA-induced silencing complex，RNA 诱导沉默复合体，RISC 是由蛋白质和 RNA 组成的复合体，负责介导基因沉默

• Argonuate 蛋白：AGO 蛋白，是RISC的核心，可将乘客链降解，形成有功能的沉默复合物，决定 RNA 诱导沉默复合体的功能（切割或非切割）

b）siRNA 介导的基因沉默机制

• siRNA 介导的基因沉默主要发生在两个水平上：

  1. 转录后水平的 mRNA 的降解

  2. 染色体水平上形成异染色质

• siRNA 介导的 mRNA 的降解需要核酸酶催化及镁离子的帮助

• RDRP（RNA-dependent RNA polymerase，RNA 依赖的 RNA 聚合酶）使 siRNA 继续扩增，产生次级 siRNA 放大效应（级联反应）

  • 对于结合蛋白完好的 mRNA，如果体内有与之匹配的 siRNA，该 siRNA 便作为扩增的引物，以 mRNA 为模版合成 dsRNA，产生新的 RISC

c）siRNA 的生物学意义

1. 在转录水平、转录后水平参与基因的表达调控

2. 维持基因组的稳定

3. 保护基因组免受外源核酸侵入

病毒与宿主的 RNAi 军备竞赛

• 宿主可以病毒 RNA 为模版，通过 RDRP 合成病毒的双链 RNA，经过 Dicer 切割组装成 RISC，降解病毒 RNA，从而抑制病毒对宿主细胞的破坏。这样的 siRNA 可通过胞间连丝、韧皮组织传播，增强其他组织抗病毒能力

• 病毒也进化出与宿主抗病基因序列相似的 RNA，借助相似的机制生成 RISC，降解宿主细胞抗病基因的 mRNA，这样的 siRNA 也会在宿主体内传播，增加了其他组织的易感性

7.4.2 miRNA

2024 年诺贝尔生理学或医学奖：
发现 miRNA 及其在转录后基因调控中的作用

miRNA：是一类重要的，行使基因功能但不编码蛋白质的基因

a）miRNA 的生物合成

1. RNA 聚合酶 II 产生较长的 miRNA 初级转录产物 pri-miRNA

2. 第一次切割：产生 pre-miRNA

3. 第二次切割：产生 ds miRNA

4. 双链解链形成成熟的 21 nt 左右的 ssRNA

两次切割都需要的酶

• RNase III

• dsRNA 结合蛋白

b）miRNA 的功能

1. 装载成 RISC 后使互补配对的 mRNA 降解

2. miRNA 可抑制 mRNA 的翻译，降低靶基因的蛋白质水平，但不影响 mRNA 的水平

c）辨析 miRNA 与 siRNA

• miRNA

  • 内源性：由生物体自身基因组编码，通常位于基因内含子或非编码区域。

  • 加工过程：

    1. 细胞核内由RNA聚合酶Ⅱ转录为初级miRNA（pri-miRNA），形成发夹结构。

    2. 经Drosha酶切割为前体miRNA（pre-miRNA），转运至细胞质。

    3. 细胞质中由Dicer酶进一步加工为成熟的单链miRNA（约21-23 nt）。

• siRNA

  • 外源性或内源性双链RNA：来源于病毒感染、人工导入的双链RNA（如RNAi技术），或内源性转座子等。

  • 加工过程：

    1. 长双链RNA直接在细胞质中被Dicer酶切割为siRNA双链（约21-23 nt）。

    2. 双链siRNA解链后，一条链（引导链）整合入RISC复合体

7.4.3 lncRNA（long non-coding RNA，长链非编码 RNA）

lncRNA：长度大于 200 bp 的非编码 RNA

lncRNA 调控基因表达的形式

1. 信号分子

2. 诱饵分子

3. 引导分子

4. 骨架分子

🕹️ 1｜信号分子

• 大部分 lncRNA 由 RNA 聚合酶 II 负责转录

• lncRNA 表现出细胞类型特异表达的特征，能响应各种外界刺激，表明其表达会在转录水平调控

🕹️ 2｜诱饵分子

• 作为诱饵分子的 lncRNA 转录并结合在蛋白质靶点上，作为一种“分子过滤器”，进一步诱导 RNA 结合蛋白与之结合

🕹️ 3｜引导分子

• 作为 RNA 结合蛋白的引导分子，进一步介导核糖体蛋白复合体定位在特定的靶点上

🕹️ 4｜骨架分子

• lncRNA 能作为一个中心平台，招募相关生物学过程中的分子组分进一步调控基因表达