lncRNA完成学习教程.pptx

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1、OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对基因的调控lncRNA与临床疾病第1页/共41页A.是一类转录本长度超过 200 nt(核苷酸单位)的功能性 RNA 分子1;B.位于细胞核或胞质内;C.它们缺乏编码蛋白的能力;D.以 RNA 形式在多种层面上(如表观遗传学、转录调控及转录后调控等方面)调控基因的表达水平。lncRNA的定义第2页/共41页OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对基因的调控lncRNA与临床疾病第3页/共41页 编码蛋白质的基因结

2、构发生中断而转变成编码蛋白质的基因结构发生中断而转变成 lncRNAsA第4页/共41页染色质重组的结染色质重组的结果果，即两个未转录的基因与另一独立的基因并排，即两个未转录的基因与另一独立的基因并排重重组组而产生含多个外显子的而产生含多个外显子的 lncRNAsB第5页/共41页非编码基因复制过程中的反移位产物非编码基因复制过程中的反移位产物C第6页/共41页 局部的串联复制子邻近产生局部的串联复制子邻近产生D第7页/共41页 基因组中插入一个转座成分而产生有功能的非编码基因组中插入一个转座成分而产生有功能的非编码 RNAE第8页/共41页OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源

3、lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对基因的调控lncRNA与临床疾病第9页/共41页据其在基因组上相对于蛋白编码基因的据其在基因组上相对于蛋白编码基因的 位置位置lnc RNAlnc RNA正义正义双向双向基因间基因间反义反义 antisensesense intergenicbidirectionalintronic第10页/共41页OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对基因的调控lncRNA与临床疾病第11页/共41页2023/3/18lncRNA 起初人们认为起初人们认为RNA聚合酶聚合酶转

4、录的副产物转录的副产物无生物学功能无生物学功能 基因转录的基因转录的“噪音噪音”JUNK DNA!lncRNA的功能的功能第12页/共41页2023/3/18近期研究表明众多近期研究表明众多lnc RNAlnc RNA具有多种生物学功能具有多种生物学功能 1.1.参与参与X X染色体沉默、基因组印记、染色质修饰、染色体沉默、基因组印记、染色质修饰、转录激活、转录干扰、核内运输等多种重要调转录激活、转录干扰、核内运输等多种重要调控过程。控过程。2.2.以多种模式保护蛋白编码基因以多种模式保护蛋白编码基因:如受到严格如受到严格的功能限制以保护编码基因的开放式可读框的功能限制以保护编码基因的开放式可

5、读框(ORF);(ORF);或表现为基因序列的较短延伸或表现为基因序列的较短延伸,以保护以保护功能域和结构。功能域和结构。lncRNA的功能的功能第13页/共41页2023/3/183.Lnc RNA3.Lnc RNA含有高效的关键序列含有高效的关键序列,类似于启动子类似于启动子等调控因素等调控因素,具有具有比蛋白质更敏感比蛋白质更敏感的结构功能的结构功能限制。限制。4.4.一些进化后的人类基因保守区域可被转录成一些进化后的人类基因保守区域可被转录成lncRNA,lncRNA,如如HAR18,HAR18,在大脑皮质发育阶段早期在大脑皮质发育阶段早期神经元内表达。神经元内表达。lncRNA的功能

6、的功能第14页/共41页2023/3/185.5.研究显示研究显示,哺乳动物基因组序列中哺乳动物基因组序列中1%1%产生的转产生的转录本是可编码蛋白录本是可编码蛋白,而有而有4%4%9%9%产生的转录本产生的转录本是是lnc RNA,lnc RNA,其中许多其中许多 lnc RNAlnc RNA仅在特定的发仅在特定的发育阶段出现育阶段出现,或具有组织或细胞特异性或具有组织或细胞特异性,还有很还有很多多lnc RNAlnc RNA具有保守的二级结构、剪切形式以具有保守的二级结构、剪切形式以及精确的亚细胞定位。及精确的亚细胞定位。6.Lnc RNA6.Lnc RNA既有顺式调控作用，又有反式调控作

7、既有顺式调控作用，又有反式调控作用。用。lncRNA的功能的功能第15页/共41页2023/3/181 1、在编码蛋白基因的上游启动子区转录、在编码蛋白基因的上游启动子区转录,从而干扰邻近蛋白编码基因的表从而干扰邻近蛋白编码基因的表 达达(如酵母中的如酵母中的SER3SER3基因基因 ););2 2、抑制、抑制RNARNA聚合酶聚合酶,或介导染色质重构和组蛋白修饰或介导染色质重构和组蛋白修饰,而影响基因表达而影响基因表达;3 3、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链,进而干扰进而干扰mRNAmRNA的剪切的剪切,产生不产生不 同的剪切形式同的剪切形式;4 4、

8、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链、与编码蛋白基因的转录本形成互补双链,在在DicerDicer酶作用下产生内源性酶作用下产生内源性 的的siRNA(siRNA(小干扰小干扰RNA),RNA),调控基因的表达水平调控基因的表达水平;5 5、结合在特定蛋白质上调节相应蛋白的活性、结合在特定蛋白质上调节相应蛋白的活性;6 6、作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体、作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体;7 7、结合在特定蛋白上从而改变该蛋白的胞质定位、结合在特定蛋白上从而改变该蛋白的胞质定位;8 8、可作为小分子、可作为小分子RNA(RNA(如如miRNAmiRNA、piRNApiRNA、m

9、ascRNAmascRNA)的前体分子（如图）。的前体分子（如图）。lnc RNA的作用方式的作用方式第16页/共41页2023/3/18第17页/共41页OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对基因的调控lncRNA与临床疾病第18页/共41页2023/3/18 目目前前发发现现的的参参与与哺哺乳乳动动物物基基因因活活动动的的lnc lnc RNARNA已已有有上上千个千个,其调控基因表达的机制存在共性。其调控基因表达的机制存在共性。一一般般来来说说,lnc,lnc RNARNA主主要要从从3 3个个层层面面实实现现对对

10、基基因因表表达达的的调控。调控。调控基因表达调控基因表达其他其他转录调控转录调控表观遗传学表观遗传学转录后调控转录后调控第19页/共41页一、表观遗传调控一、表观遗传调控 2023/3/18 哺乳动物哺乳动物lncRNAlncRNA介导的表观遗传改变的研究最早介导的表观遗传改变的研究最早源于源于基因组印记基因组印记(genomic printing)(genomic printing)和和X X染色体失活染色体失活 (X chromosome inactive)(X chromosome inactive)两个方面两个方面,分别与分别与H19H19和和XistRNAXistRNA密切相关。密切

11、相关。近十年研究证实近十年研究证实lncRNAlncRNA与表观遗传调控密切相关与表观遗传调控密切相关,并并且发现了许多新的与基因调控有关且发现了许多新的与基因调控有关lncRNAlncRNA。第20页/共41页1.基因组印记 2.X染色体失活 第21页/共41页1.1.基因组印记基因组印记 2023/3/18 基基因因组组印印记记,通通常常为为共共价价标标记记的的DNADNA甲甲基基化化 (也也可可以以是是非非共共价价标标记记,如如DNA DNA-蛋蛋白白质质和和DNA DNA-RNA-RNA交交互互作作用用,核核基基因因组定位等组定位等),),还包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。还包括组蛋白

12、乙酰化、甲基化等修饰。虽虽然然印印记记基基因因只只占占人人类类基基因因组组的的不不到到5%5%,但但在在胚胚胎胎、胎胎儿儿的的生生长长和和出出生生后后的的发发育育中中却却起起着着至至关关重重要要的的调调节节作作用用,对行为和大脑的功能也有很大的影响。对行为和大脑的功能也有很大的影响。第22页/共41页2023/3/18 DNA DNA 甲基化参与基因印记的建立和维持甲基化参与基因印记的建立和维持,它发生在它发生在生殖细生殖细胞的印记控制区胞的印记控制区 (ICR)(ICR)。目前对这一领域的研究基本上是针对两个基因印记区目前对这一领域的研究基本上是针对两个基因印记区:1717号染色体近端的号染

13、色体近端的IGF2IGF2受体受体(Igf2r)(Igf2r)区和区和7 7号染色体远端的号染色体远端的Kcnq1Kcnq1区区,lncRNA lncRNA 在这些印记位点发挥重要作用。在这些印记位点发挥重要作用。LncRNA LncRNA 在印记区介导在印记区介导等位基因沉默。等位基因沉默。第23页/共41页2023/3/18 目目前前已已知知的的是是,高高达达半半数数的的哺哺乳乳动动物物基基因因都都能能转转录录,而而其其中中大大部部分分转转录录产产物物是是非非编编码码RNARNA2121 (包包括括lncRNA),lncRNA),已已有个别有个别lncRNAlncRNA被证明参与调控印记基

14、因表达。被证明参与调控印记基因表达。小小鼠鼠1717号号染染色色体体的的Igf2rIgf2r区区是是第第一一个个被被证证实实的的可可转转录录为为lncRNAlncRNA的位点。的位点。第24页/共41页2 2、X X 染色体失活染色体失活2023/3/18。X X染染色色体体失失活活的的选选择择和和起起始始发发生生在在胚胚胎胎发发育育的的早早期期这这一一过过程程被被X X失失活活中中(X-inactivation(X-inactivation center,XIC)center,XIC)所控制所控制,是一种反义链转录调控模式。是一种反义链转录调控模式。X X染染色色体体失失活活是是由由标标志志

15、性性的的约约17kb17kb大大小小的的lncRNAlncRNAXistXist顺式作用介导顺式作用介导,它在哺乳动物的它在哺乳动物的X X染色体失活中染色体失活中非常重要。非常重要。第25页/共41页2023/3/18 Xist(X inactive specific transcript)Xist(X inactive specific transcript)介导的介导的X X染染色体失活的特征总结来说就是丧失激活性的组蛋白修饰色体失活的特征总结来说就是丧失激活性的组蛋白修饰(如如乙酰化乙酰化)而获得抑制性的组蛋白修饰而获得抑制性的组蛋白修饰(如如H3K27H3K27的三甲基化的三甲基化)

16、,),导致失活染色体上的许多导致失活染色体上的许多CpGCpG岛启动子甲基化岛启动子甲基化,失活的染色失活的染色体依旧持续合成体依旧持续合成Xist,Xist,以维持本身的失活状态。以维持本身的失活状态。但有活性的但有活性的X X染色体染色体如何阻止如何阻止XistRNAXistRNA的结合机制还不的结合机制还不明确。明确。第26页/共41页2023/3/18 另有研究报道另有研究报道:X:X染色体失活尚存在另一机制染色体失活尚存在另一机制,即即与一种调控与一种调控性小非编码性小非编码RNARNA有关有关。XistXist和反义链转录本和反义链转录本TsixTsix退火复性后可退火复性后可形成

17、一形成一RNARNA二聚体二聚体,在在DicerDicer酶作用下酶作用下,被加工剪切成约被加工剪切成约24-42nt24-42nt大小的调控性大小的调控性siRNA,siRNA,这一机制对于失活的这一机制对于失活的X X染色体上的抑制性染色体上的抑制性异染色质的修饰是必需的异染色质的修饰是必需的,因为因为X X染色体失活过程中组蛋白、赖染色体失活过程中组蛋白、赖氨酸和三甲基色氨酸等都需要这些氨酸和三甲基色氨酸等都需要这些siRNA,siRNA,并且并且X X染色体激活时染色体激活时X X istist启动子区的启动子区的CpGCpG岛甲基化也需要它们。岛甲基化也需要它们。第27页/共41页2

18、023/3/18 以上机制或许可以推测以上机制或许可以推测lncRNAlncRNA和和RNARNA在染在染色质重塑方面的作用与联系色质重塑方面的作用与联系,同时提示同时提示RNARNA调控调控存在着一个更为复杂的、交互的网络。存在着一个更为复杂的、交互的网络。第28页/共41页二、转录调控二、转录调控 2023/3/18 LncRNA LncRNA 能够通过多种机制在转录水平进行调控能够通过多种机制在转录水平进行调控,表现在如下两个方面：表现在如下两个方面：1.LncRNA1.LncRNA的转录可以的转录可以干扰邻近基因的表达干扰邻近基因的表达。2.LncRNA 2.LncRNA 可作为可作为

19、共因子调节转录因子的活性共因子调节转录因子的活性。第29页/共41页1.LncRNA 的转录可以干扰邻近基因的表达的转录可以干扰邻近基因的表达2023/3/18 人人类类细细胞胞中中的的细细胞胞周周期期蛋蛋白白D1(CCND1)D1(CCND1)的的表表达达,DNADNA损损伤伤信信号号诱诱导导该该基基因因启启动动子子上上游游一一段段lncRNAlncRNA的的表表达达,它它可可调调节节RNARNA结结合合蛋蛋白白-TLS-TLS的的活活性性,接接着着TLSTLS抑抑制制CREBCREB结结合合蛋蛋白白和和p300p300的的活活动动,进进而而使使CCND1CCND1基基因因的的表表达沉默达沉

20、默第30页/共41页2.LncRNA可作为共因子调节转录因子的活性可作为共因子调节转录因子的活性2023/3/18 例如例如,小鼠的一段小鼠的一段lncRNA-Evf2转录自一段超保守的远端增转录自一段超保守的远端增强子强子,它可与转录因子它可与转录因子DLX2形成转录复合体形成转录复合体,并结合至一个增并结合至一个增强子上强子上,从而诱导邻近蛋白编码基因从而诱导邻近蛋白编码基因DLX6的表达。的表达。通过与影响启动子选择的抑制性复合物相互作用通过与影响启动子选择的抑制性复合物相互作用,封锁启动子封锁启动子区域来调控区域来调控RNA聚合酶聚合酶(RNA P)的活动从而干扰基因表达的活动从而干扰

21、基因表达,这可这可能是能是存在于真核细胞染色体上的上千种三倍体复合物结构控制存在于真核细胞染色体上的上千种三倍体复合物结构控制启动子作用的普遍机制启动子作用的普遍机制。第31页/共41页三、转录后调三、转录后调控控 2023/3/18 LncRNALncRNA在转录后水平可与在转录后水平可与mNRAmNRA形成双链形成双链RNARNA复合物复合物,以掩以掩盖盖mRNAmRNA的主顺式作用元件的主顺式作用元件,从而调控基因表达。从而调控基因表达。例如例如,lncRNA-Zeb2(,lncRNA-Zeb2(即即Sip1)Sip1)能够和能够和HOXHOX位点转录的位点转录的mRNAmRNA的的一一

22、 个内含子的个内含子的5 5端剪切位点形成双链端剪切位点形成双链2626,从而防止该内含子从而防止该内含子被剪切被剪切(图图2E)2E)。该区域含有对于。该区域含有对于Zeb2Zeb2蛋白表达所必须的核糖蛋白表达所必须的核糖体结合点体结合点,Zeb2,Zeb2通过这种方式能够提高通过这种方式能够提高Zeb2Zeb2蛋白的表达量。蛋白的表达量。这一例子说明这一例子说明lncRNAlncRNA可以指导可以指导mRNAmRNA亚型的选择性剪接亚型的选择性剪接。第32页/共41页2023/3/18 另外另外,lncRNA,lncRNA的复性的复性(退火退火)具有靶向作用具有靶向作用,使蛋白受体复合使蛋

23、白受体复合物能够识别正义链物能够识别正义链mRNAmRNA转录本转录本,这一作用类似于这一作用类似于RNARNA诱导的沉诱导的沉默复合物默复合物(RISC)(RISC)通过通过siRNAsiRNA靶向作用于靶向作用于mRNA mRNA。来自于互补转录本甚至是来自于互补转录本甚至是lncRNAlncRNA的双链的双链RNA,RNA,结合延长的内结合延长的内部发夹结构部发夹结构,能够被加工成内源性能够被加工成内源性siRNAsiRNA以使基因表达沉默。以使基因表达沉默。第33页/共41页OutlineslncRNA的定义lncRNA的来源lncRNA的分类lncRNA的功能及作用分析lncRNA对

24、基因的调控lncRNA与临床疾病第34页/共41页 大量研究表明，大量研究表明，lncRNA从转录和转录后水平参与从转录和转录后水平参与蛋白质编码基因调控，这些基因包括蛋白质编码基因调控，这些基因包括发育相关基因发育相关基因及及疾病发生相关基因疾病发生相关基因。通过参与调控蛋白质编码基因，通过参与调控蛋白质编码基因，lncRNA既能影响既能影响细胞内信号转导途径细胞内信号转导途径，也能影响，也能影响生物体发育过程中生物体发育过程中的信号转导通路的信号转导通路27。基于上述研究结果，基于上述研究结果，lncRNA失调失调似乎成为似乎成为人类复人类复杂性疾病发病的杂性疾病发病的主要原因主要原因。第

25、35页/共41页lncRNAlncRNA失调相关疾病失调相关疾病2023/3/18 在在多多种种癌癌症症lncRNAlncRNA失失调调现现象象均均有有报报道道，例例如如白血病、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌和肝癌等等。白血病、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌和肝癌等等。通通过过对对阿阿尔尔茨茨海海默默病病的的研研究究识识别别了了一一个个-分分泌泌酶酶基基因因的的反反义义链链lncRNAlncRNA，-分分泌泌酶酶产产生生A A多多肽推动阿尔茨海默病的发展。肽推动阿尔茨海默病的发展。第36页/共41页2023/3/18 lncRNA(ATXN8OS)在在RNA水平上参与水平上参与8型脊髓小脑共济型脊髓小脑共

26、济失调症失调症(spinocerebellar ataxia type 8，SCA8)的发生的发生。在在强直性肌营养不良强直性肌营养不良中，转录出的中，转录出的lncRNA上的三核苷酸或上的三核苷酸或四核苷酸的重复扩展形成发夹结构，使剪接调节子远离它们正四核苷酸的重复扩展形成发夹结构，使剪接调节子远离它们正常的前体常的前体mRNA靶标。靶标。lncRNAlncRNA失调相关疾病失调相关疾病第37页/共41页2023/3/18 迄今为止迄今为止,人们对于哺乳动物细胞内人们对于哺乳动物细胞内lncRNA调调控机制的认识仍存在许多障碍控机制的认识仍存在许多障碍,包括它们的包括它们的数量比例数量比例及

27、它们的及它们的作用机制作用机制。因此提高对。因此提高对lncRNA等非编码转等非编码转录本的关注录本的关注,对真核细胞基因编程中进化更新和功能对真核细胞基因编程中进化更新和功能性性RNA家族的扩大是很重要的。家族的扩大是很重要的。第38页/共41页2023/3/18虽虽然然近近年年来来关关于于lncRNA的的研研究究进进展展迅迅猛猛，但但是是绝绝大大部部分分的的lncRNA的的功功能能仍仍然然是是不不清清楚楚。lncRNA与与许许多多临临床床疾疾病病密密切切相相关关，它它将将是是继继microRNA后后又又一研究热点。一研究热点。第39页/共41页谢谢谢谢第40页/共41页谢谢您的观看！第41页/共41页