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

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7.4.1 siRNA （small interfering RNA，小干扰 RNA）

[!IMPORTANT] 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

[!TIP]

  • 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

[!NOTE] 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

[!IMPORTANT] 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

特征miRNAsiRNA
来源内源性（自身基因编码）外源性（病毒、人工导入）或内源性双链RNA
前体结构单链发夹结构（pri/pre-miRNA）长双链RNA
加工酶Drosha（核内） + Dicer（胞质）Dicer（胞质）
互补性不完全互补（3'UTR结合）完全互补（靶mRNA切割）
主要功能内源基因调控（翻译抑制或降解）外源基因沉默（mRNA直接降解）
作用范围调控多个靶基因高度特异，单一靶标
  • 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

[!ATTENTION] 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