来源公众号： 卢镇岳斋聊生物学

摘要：非编码 RNA 是一类重要的生物分子，包括 microRNA、lncRNA、circRNA 和 tRNA 衍生片段等。它们在基因表达调控、细胞分化、发育和疾病发生发展中发挥着关键作用。本文对这些非编码 RNA 的发现历程、具体结构、实际功能、作用机制、相互作用、生理效应、病理效应及最新研究技术进行了详细的分析和总结。深入了解非编码 RNA 的特性和功能，有助于揭示生命活动的奥秘，为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

关键词：非编码 RNA；结构；功能；作用机制；研究技术

一、microRNA

（一）发现历程

·早期发现：microRNA 的研究起源较早，早在 20 世纪 90 年代，科学家就开始发现一些小分子 RNA 在基因表达调控中发挥重要作用。

·重要突破

　　·miR-1 和 miR-124 的发现：1993 年，Lee 等人在秀丽隐杆线虫中发现了第一个 microRNA——miR-1，随后在 2000 年左右，陆续发现了多个其他的 microRNA。

　　·大规模发现：随着高通量测序技术的发展，越来越多的 microRNA 被发现。例如，通过对人类基因组的测序分析，发现了数千个 microRNA 基因。

（二）具体结构

·基本结构：microRNA 是一类长度约为 20 – 25 个核苷酸的单链 RNA 分子，具有典型的茎环结构。

·成熟过程

　　·转录：microRNA 基因在细胞核中被转录成初级转录本（pri-miRNA），长度通常在几百个核苷酸左右。

　　·加工

　　　　·Drosha 酶切割：pri-miRNA 在细胞核内被 Drosha 酶切割成约 70 个核苷酸的前体 miRNA（pre-miRNA）。

　　　　·Exportin 5 转运：pre-miRNA 从细胞核中转运到细胞质中。

　　　　·Dicer 酶切割：在细胞质中，pre-miRNA 被 Dicer 酶切割成成熟的 microRNA 双链。

　　　　·形成 RISC 复合物：成熟的 microRNA 双链与蛋白质复合物 RISC（RNA-induced silencing complex）结合，其中一条链被降解，另一条链作为引导链参与基因表达调控。

（三）实际功能

·基因表达调控

　　·转录后调控：microRNA 通过与靶 mRNA 的 3’UTR 区域互补配对，抑制靶 mRNA 的翻译，从而实现基因表达的调控。

　　·降解靶 mRNA：在某些情况下，microRNA 也可以介导靶 mRNA 的降解，从而更彻底地抑制基因表达。

·细胞分化和发育

　　·调控细胞命运决定：microRNA 在细胞分化和发育过程中发挥着重要作用，通过调控靶基因的表达，影响细胞的分化方向和发育进程。

　　·参与胚胎发育：例如，在小鼠胚胎发育过程中，一些 microRNA 的表达水平发生变化，对胚胎的发育和器官形成具有重要影响。

（四）作用机制

·碱基配对互补：microRNA 与靶 mRNA 的互补配对是其发挥作用的关键机制。互补配对的程度和位置决定了 microRNA 对靶 mRNA 的调控效果。

·蛋白质复合物参与

　　·RISC 复合物：microRNA 与 RISC 复合物中的蛋白质结合，形成具有催化活性的复合物，从而实现对靶 mRNA 的调控。

　　·其他蛋白质：一些其他蛋白质也可能参与 microRNA 的作用机制，如 AGO 蛋白等。

（五）相互作用

·与 mRNA 相互作用

　　·直接结合：microRNA 与靶 mRNA 直接结合，形成 RNA-RNA 双链结构，从而抑制靶 mRNA 的翻译。

　　·间接调控：microRNA 还可以通过与其他 RNA 分子的相互作用，间接调控靶 mRNA 的表达，如通过与长链非编码 RNA（lncRNA）的相互作用，影响 lncRNA 对靶 mRNA 的调控。

·与蛋白质相互作用

　　·结合 AGO 蛋白：microRNA 与 AGO 蛋白结合，形成 RISC 复合物，参与基因表达调控。

　　·参与信号通路：一些 microRNA 与蛋白质的相互作用还参与了细胞内的信号通路，如 MAPK 信号通路等，从而进一步调节细胞的生理功能。

（六）生理效应

·细胞代谢调节

　　·能量代谢：microRNA 可以调控参与能量代谢的基因表达，如胰岛素样生长因子信号通路中的基因，从而影响细胞的能量代谢。

　　·物质代谢：在脂质代谢、碳水化合物代谢等方面，microRNA 也发挥着重要的调节作用。

·细胞增殖和凋亡

　　·抑制细胞增殖：一些 microRNA 可以抑制细胞增殖相关基因的表达，从而抑制细胞的增殖。

　　·促进细胞凋亡：通过调控凋亡相关基因的表达，microRNA 可以促进细胞的凋亡，维持细胞的稳态。

（七）病理效应

·疾病发生发展

　　·癌症：在癌症发生发展过程中，许多 microRNA 的表达水平发生变化。例如，miR-21 在多种癌症中高表达，通过抑制肿瘤抑制基因的表达，促进癌细胞的增殖和转移。

　　·心血管疾病：microRNA 与心血管疾病的发生发展也密切相关，如在动脉粥样硬化、心肌梗死等疾病中，一些 microRNA 的表达水平发生改变，参与了疾病的病理过程。

·药物抵抗

　　·癌症治疗抵抗：癌细胞可以通过改变 microRNA 的表达水平，产生对化疗药物的抵抗性，从而影响癌症的治疗效果。

（八）最新研究技术

·高通量测序技术

　　·RNA-seq 技术：RNA-seq 技术可以高通量地检测细胞中 microRNA 的表达水平，为研究 microRNA 的功能和作用机制提供了重要的技术支持。

　　·small RNA 测序技术：small RNA 测序技术可以专门用于检测细胞中 microRNA 的表达情况，具有高灵敏度和高特异性的特点。

·生物信息学分析技术

　　·miRNA 靶基因预测：利用生物信息学分析技术，可以预测 microRNA 的靶基因，从而深入了解 microRNA 的作用机制。

　　·miRNA 表达谱分析：通过对不同组织和细胞中 microRNA 的表达谱进行分析，可以揭示 microRNA 在基因表达调控中的网络关系。

二、lncRNA

（一）发现历程

·早期研究：lncRNA 的研究相对较晚，早期被认为是基因组中的 “转录噪声”，没有明确的生物学功能。

·重要发现

　　·逐渐认识其重要性：随着研究的深入，越来越多的研究发现 lncRNA 在基因表达调控、细胞分化、发育和疾病发生发展中发挥着重要作用。

　　·特定 lncRNA 的发现：例如，在 2007 年，研究人员发现了 HOTAIR（HOX antisense intergenic RNA）这一重要的 lncRNA，它在癌症发生发展中具有重要作用。

（二）具体结构

·长度和结构特点：lncRNA 的长度通常大于 200 个核苷酸，具有多种结构特点，如线性、茎环结构等。

·分类

　　·根据来源分类：可以分为基因间 lncRNA、内含子 lncRNA、反义 lncRNA 等。

　　·根据功能分类：可以分为信号分子 lncRNA、调控因子 lncRNA、诱饵 lncRNA 等。

（三）实际功能

·基因表达调控

　　·转录调控：lncRNA 可以通过与 DNA、RNA 聚合酶等相互作用，调控基因的转录表达。

　　·转录后调控：与 microRNA 类似，lncRNA 也可以通过与靶 mRNA 的相互作用，调控靶 mRNA 的翻译和稳定性。

·细胞分化和发育

　　·维持细胞干性：在干细胞中，一些 lncRNA 的表达水平较高，可能参与了干细胞的干性维持和分化调控。

　　·胚胎发育：lncRNA 在胚胎发育过程中也发挥着重要作用，如在神经系统发育、心血管系统发育等方面。

（四）作用机制

·多种机制参与

　　·碱基配对互补：部分 lncRNA 可以与靶 mRNA 的互补区域结合，从而调控靶 mRNA 的表达。

　　 ·蛋白质相互作用

　　　　·与转录因子结合：lncRNA 可以与转录因子结合，调节转录因子的活性，从而影响基因的表达。

　　　　·与信号分子结合：一些 lncRNA 可以与细胞内的信号分子结合，参与信号转导通路，调节细胞的生理功能。

　　·表观遗传调控：lncRNA 可以通过与染色质修饰酶结合，参与表观遗传调控，如 DNA 甲基化、组蛋白修饰等，从而影响基因的表达。

（五）相互作用

·与 mRNA 相互作用

　　·直接结合：部分 lncRNA 可以与靶 mRNA 直接结合，形成 RNA-RNA 双链结构，从而调控靶 mRNA 的表达。

　　·间接调控：lncRNA 还可以通过与其他 RNA 分子的相互作用，间接调控靶 mRNA 的表达，如通过与 miRNA 的相互作用，影响 miRNA 对靶 mRNA 的调控。

·与蛋白质相互作用

　　·结合多种蛋白质：lncRNA 可以与多种蛋白质结合，如转录因子、信号分子、染色质修饰酶等，参与细胞内的多种生物过程。

　　·形成复合物：lncRNA 与蛋白质结合后，可以形成复合物，发挥特定的生物学功能。

（六）生理效应

·细胞代谢调节

　　·代谢通路调控：lncRNA 可以调控参与代谢通路的基因表达，如糖代谢、脂代谢等，从而影响细胞的代谢水平。

　　·能量平衡：在维持细胞能量平衡方面，lncRNA 也发挥着重要作用。

·细胞增殖和凋亡

　　·调节细胞周期：lncRNA 可以通过调控细胞周期相关基因的表达，调节细胞的增殖和分化。

　　·抑制细胞凋亡：一些 lncRNA 可以抑制细胞凋亡相关基因的表达，从而抑制细胞的凋亡，促进细胞的存活。

（七）病理效应

·疾病发生发展

　　·癌症：在癌症发生发展过程中，许多 lncRNA 的表达水平发生变化。例如，HOTAIR 在乳腺癌、肺癌等多种癌症中高表达，通过调控多个基因的表达，促进癌细胞的增殖和转移。

　　·心血管疾病：lncRNA 与心血管疾病的发生发展也密切相关，如在动脉粥样硬化、心肌梗死等疾病中，一些 lncRNA 的表达水平发生改变，参与了疾病的病理过程。

·神经疾病

　　·神经系统发育异常：一些 lncRNA 在神经系统发育过程中发挥着重要作用，如在神经元分化、突触形成等方面。当这些 lncRNA 的表达出现异常时，可能导致神经系统发育异常，从而引起神经疾病。

　　·神经退行性疾病：在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中，也发现了一些 lncRNA 的表达变化，参与了疾病的发病机制。

（八）最新研究技术

·RNA 测序技术

　　·全转录组测序：全转录组测序可以同时检测细胞中 mRNA、lncRNA、circRNA 等多种 RNA 分子的表达水平，为研究 lncRNA 的功能和作用机制提供了全面的信息。

　　·单分子实时测序：单分子实时测序技术可以直接对单个 RNA 分子进行测序，能够检测到低丰度的 lncRNA，为研究 lncRNA 的表达和功能提供了更高的灵敏度。

·生物信息学分析技术

　　·lncRNA 预测和鉴定：利用生物信息学分析技术，可以预测和鉴定新的 lncRNA 基因，为研究 lncRNA 的功能和作用机制提供了更多的候选基因。

　　·lncRNA 功能预测：通过对 lncRNA 的序列特征、表达模式等进行分析，可以预测 lncRNA 的功能，为进一步的实验研究提供指导。

三、circRNA

（一）发现历程

·早期发现：circRNA 的发现相对较晚，早期被认为是 RNA 加工过程中的副产物，没有明确的生物学功能。·

重要突破

　　·首次报道：1976 年，Sanger 等人在研究噬菌体 MS2 RNA 时，首次发现了 circRNA 的存在。

　　·大量发现：随着高通量测序技术的发展，越来越多的 circRNA 被发现。近年来，研究表明 circRNA 在基因表达调控、疾病发生发展中具有重要作用。

（二）具体结构

·结构特点

　　·环状结构：circRNA 是一类具有环状结构的 RNA 分子，其首尾相连，形成一个封闭的环状结构。

　　·稳定性高：circRNA 的结构相对稳定，不易被核酸酶降解，因此在细胞中具有较高的稳定性。

·形成机制

　　·** backsplicing 反应 **：circRNA 的形成主要通过 backsplicing 反应，即前体 mRNA 的 5′ 端与 3′ 端连接形成环状结构。

　　·剪接体参与：剪接体在 circRNA 的形成过程中发挥着重要作用，通过对前体 mRNA 的剪接，促进 circRNA 的形成。

（三）实际功能

·基因表达调控

　　·miRNA 海绵作用：circRNA 可以通过与 miRNA 结合，作为 miRNA 的海绵，调节 miRNA 的活性，从而影响基因的表达。

　　·蛋白质结合：一些 circRNA 可以与蛋白质结合，参与蛋白质的运输、定位和翻译等过程，从而调节细胞的生理功能。

·细胞分化和发育

　　·细胞命运决定：circRNA 在细胞分化和发育过程中发挥着重要作用，通过调控靶基因的表达，影响细胞的分化方向和发育进程。

　　·胚胎发育：在胚胎发育过程中，circRNA 的表达水平发生变化，对胚胎的发育和器官形成具有重要影响。

（四）作用机制

·多种机制协同作用

　　·miRNA 海绵作用：circRNA 通过与 miRNA 结合，形成 RNA-RNA 双链结构，从而抑制 miRNA 对靶 mRNA 的调控，发挥 miRNA 海绵的作用。

　　·蛋白质相互作用

　　　　·直接结合：circRNA 可以与蛋白质直接结合，调节蛋白质的活性和功能。

　　　　·间接调控：circRNA 还可以通过与其他 RNA 分子的相互作用，间接调控蛋白质的表达和功能。

　　·基因表达调控：circRNA 可以通过与启动子、增强子等区域结合，调控基因的表达。

（五）相互作用

·与 mRNA 相互作用

　　·竞争 miRNA 结合位点：circRNA 可以与 mRNA 竞争 miRNA 的结合位点，从而调节 mRNA 的表达。

　　·调节 mRNA 的稳定性：circRNA 还可以通过与 mRNA 结合，调节 mRNA 的稳定性，影响 mRNA 的翻译效率。

·与蛋白质相互作用

　　·结合 RNA 结合蛋白：circRNA 可以与 RNA 结合蛋白结合，形成复合物，参与细胞内的多种生物过程。

　　·调节蛋白质的活性：circRNA 与蛋白质结合后，可以调节蛋白质的活性和功能，从而影响细胞的生理功能。

（六）生理效应

·细胞代谢调节

　　·代谢通路调控：circRNA 可以调控参与代谢通路的基因表达，如糖代谢、脂代谢等，从而影响细胞的代谢水平。

　　·能量平衡：在维持细胞能量平衡方面，circRNA 也发挥着重要作用。

·细胞增殖和凋亡

　　·调节细胞周期：circRNA 可以通过调控细胞周期相关基因的表达，调节细胞的增殖和分化。

　　·抑制细胞凋亡：一些 circRNA 可以抑制细胞凋亡相关基因的表达，从而抑制细胞的凋亡，促进细胞的存活。

（七）病理效应

·疾病发生发展

　　·癌症：在癌症发生发展过程中，许多 circRNA 的表达水平发生变化。例如，circ_00007259 在肝癌中高表达，通过调控多个基因的表达，促进癌细胞的增殖和转移。

　　·心血管疾病：circRNA 与心血管疾病的发生发展也密切相关，如在动脉粥样硬化、心肌梗死等疾病中，一些 circRNA 的表达水平发生改变，参与了疾病的病理过程。

·神经疾病

　　·神经系统发育异常：一些 circRNA 在神经系统发育过程中发挥着重要作用，如在神经元分化、突触形成等方面。当这些 circRNA 的表达出现异常时，可能导致神经系统发育异常，从而引起神经疾病。

　　·神经退行性疾病：在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中，也发现了一些 circRNA 的表达变化，参与了疾病的发病机制。

（八）最新研究技术

·RNA 测序技术

　　·高通量测序：高通量测序技术可以快速、准确地检测细胞中 circRNA 的表达水平，为研究 circRNA 的功能和作用机制提供了重要的技术支持。

　　·链特异性测序：链特异性测序技术可以区分 circRNA 的正义链和反义链，从而更深入地了解 circRNA 的生物功能。

·生物信息学分析技术

　　·circRNA 预测和鉴定：利用生物信息学分析技术，可以预测和鉴定新的 circRNA 基因，为研究 circRNA 的功能和作用机制提供了更多的候选基因。

　　·circRNA 功能预测：通过对 circRNA 的序列特征、表达模式等进行分析，可以预测 circRNA 的功能，为进一步的实验研究提供指导。

四、tRNA 衍生片段

（一）发现历程

·早期研究：tRNA 衍生片段的研究相对较少，早期被认为是 tRNA 加工过程中的副产物，没有明确的生物学功能。

·重要发现

　　·逐渐受到关注：近年来，随着研究的深入，tRNA 衍生片段在基因表达调控、疾病发生发展中发挥着重要作用，逐渐受到科学家的关注。

　　·特定片段的发现：例如，tRF-5022B 在骨关节炎的研究中被发现，其表达水平与疾病的发生发展密切相关。

（二）具体结构

·结构特点

　　·来源和分类：tRNA 衍生片段包括 tRFs（tRNA-derived fragments）和 tiRNAs（tRNA-derived stress-induced RNAs）等，它们是由 tRNA 经过加工后产生的。

　　·长度和序列特征：tRNA 衍生片段的长度通常在 20 – 30 个核苷酸左右，具有特定的序列特征。

·形成机制

　　·tRF 的形成·3′ 端加工：tRF 是通过从 tRNA 的 3′ 端删除部分序列而产生的。

　　·D 环和 T 环加工：tRF-5 是通过在 D 环进行 5′ 端切割产生的，tRF-3 是通过在 T 环进行 3′ 端切割产生的。

　　·tiRNA 的形成：tiRNAs 是通过在成熟 tRNA 的反密码子环进行切割而产生的。

（三）实际功能

·基因表达调控

　　·mRNA 翻译调控：tRNA 衍生片段可以通过与 mRNA 结合，影响 mRNA 的翻译效率，从而调节基因的表达。

·蛋白质合成调控：tRNA 衍生片段还可以与蛋白质合成机器相互作用，调节蛋白质的合成过程。

　　·细胞应激反应

　　·应激信号传递：tRNA 衍生片段在细胞受到应激刺激时，能够迅速产生，参与应激信号的传递和调节。

　　·细胞适应性反应：通过调节基因表达和蛋白质合成，tRNA 衍生片段可以帮助细胞适应应激环境，维持细胞的稳态。

（四）作用机制

·多种机制协同作用

　　·碱基配对互补：tRNA 衍生片段可以与 mRNA、蛋白质等分子通过碱基配对互补的方式相互作用，从而发挥其生物学功能。

　　·蛋白质相互作用

　　　　·与翻译因子结合：tRNA 衍生片段可以与翻译因子结合，调节翻译过程。

　　　　·与信号分子结合：一些 tRNA 衍生片段可以与细胞内的信号分子结合，参与信号转导通路，调节细胞的生理功能。

　　·表观遗传调控：tRNA 衍生片段还可以通过与染色质修饰酶结合，参与表观遗传调控，如 DNA 甲基化、组蛋白修饰等，从而影响基因的表达。

（五）相互作用

·与 mRNA 相互作用

　　·直接结合：tRNA 衍生片段可以与 mRNA 直接结合，形成 RNA-RNA 双链结构，从而影响 mRNA 的翻译效率。

　　·间接调控：tRNA 衍生片段还可以通过与其他 RNA 分子的相互作用，间接调控 mRNA 的表达，如通过与 miRNA 的相互作用，影响 miRNA 对 mRNA 的调控。

·与蛋白质相互作用

　　·结合翻译相关蛋白质：tRNA 衍生片段可以与翻译相关的蛋白质结合，如核糖体蛋白、翻译起始因子等，参与蛋白质的合成过程。

　　·调节蛋白质活性：tRNA 衍生片段与蛋白质结合后，可以调节蛋白质的活性和功能，从而影响细胞的生理功能。

（六）生理效应

·细胞代谢调节

　　·代谢通路调控：tRNA 衍生片段可以调控参与代谢通路的基因表达，如糖代谢、脂代谢等，从而影响细胞的代谢水平。

　　·能量平衡：在维持细胞能量平衡方面，tRNA 衍生片段也发挥着重要作用。

·细胞增殖和凋亡

　　·调节细胞周期：tRNA 衍生片段可以通过调控细胞周期相关基因的表达，调节细胞的增殖和分化。

　　·抑制细胞凋亡：一些 tRNA 衍生片段可以抑制细胞凋亡相关基因的表达，从而抑制细胞的凋亡，促进细胞的存活。

（七）病理效应

·疾病发生发展

　　·癌症：在癌症发生发展过程中，tRNA 衍生片段的表达水平发生变化。例如，tRF-5022B 在骨关节炎中低表达，可能参与了骨关节炎的发病机制。

　　·心血管疾病：tRNA 衍生片段与心血管疾病的发生发展也密切相关，如在动脉粥样硬化、心肌梗死等疾病中，一些 tRNA 衍生片段的表达水平发生改变，参与了疾病的病理过程。

　　·神经疾病

　　　　·神经系统发育异常：一些 tRNA 衍生片段在神经系统发育过程中发挥着重要作用，如在神经元分化、突触形成等方面。当这些 tRNA 衍生片段的表达出现异常时，可能导致神经系统发育异常，从而引起神经疾病。

　　　　·神经退行性疾病：在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病中，也发现了一些 tRNA 衍生片段的表达变化，参与了疾病的发病机制。

（八）最新研究技术

·RNA 测序技术

　　·高通量测序：高通量测序技术可以快速、准确地检测细胞中 tRNA 衍生片段的表达水平，为研究 tRNA 衍生片段的功能和作用机制提供了重要的技术支持。

　　·定量 PCR 技术：定量 PCR 技术可以对特定的 tRNA 衍生片段进行定量分析，具有高灵敏度和高特异性的特点。

·生物信息学分析技术

　　·tRNA 衍生片段预测和鉴定：利用生物信息学分析技术，可以预测和鉴定新的 tRNA 衍生片段基因，为研究 tRNA 衍生片段的功能和作用机制提供了更多的候选基因。

　　·tRNA 衍生片段功能预测：通过对 tRNA 衍生片段的序列特征、表达模式等进行分析，可以预测 tRNA 衍生片段的功能，为进一步的实验研究提供指导。

五、总结展望

（一）研究现状总结

·多种非编码 RNA 参与生物过程：非编码 RNA 在基因表达调控、细胞分化、发育和疾病发生发展中发挥着重要作用，包括 microRNA、lncRNA、circRNA 和 tRNA 衍生片段等。

·研究技术不断发展：随着高通量测序技术、生物信息学分析技术等的不断发展，为非编码 RNA 的研究提供了有力的技术支持，使得我们能够更深入地了解非编码 RNA 的结构、功能和作用机制。

（二）未来研究方向

·功能机制研究深入

　　·相互作用网络解析：进一步深入研究非编码 RNA 与其他生物分子之间的相互作用网络，揭示非编码 RNA 在基因表达调控中的复杂机制。

　　·动态变化研究：研究非编码 RNA 在不同生理和病理条件下的表达和功能变化，探讨其在疾病发生发展中的作用机制。

·临床应用探索

　　·疾病诊断标志物：开发基于非编码 RNA 的疾病诊断标志物，提高疾病的诊断准确性和早期诊断能力。

　　·治疗靶点开发：探索非编码 RNA 在疾病治疗中的应用，开发新的治疗靶点和治疗方法。

·技术创新发展

　　·研究方法改进：不断改进非编码 RNA 的研究方法，提高研究的准确性和可靠性。

　　·新技术应用：结合新兴技术，如 CRISPR-Cas9 基因编辑技术、光遗传学技术等，深入研究非编码 RNA 的功能和作用机制。非编码 RNA 的研究是当前生物学领域的热点之一，随着研究技术的不断发展，我们对非编码 RNA 的认识也在不断深入。未来，我们需要进一步加强非编码 RNA 的研究，深入了解其结构、功能和作用机制，为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。同时，我们也需要加强非编码 RNA 与其他生物分子之间的相互作用研究，揭示生命活动的奥秘。

来源：非编码 RNA 的试题情境满满了。