全 文 ：·综述与专论· 2014年第11期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
在生物体内，RNA 可以分为两大类 ：编码 RNA
和非编码 RNA（non-coding RNA，ncRNA）。ncRNA
是在生物体转录过程中大量产生的，对细胞的生长
是必须的，并非是转录的“垃圾”。ncRNA 种类繁
多、分布广泛、表达及调控模式复杂多样，在多种
生物体的整个重要生命过程中具有不可替代的作用。
通常，它们的长度变化很大，但都不直接参与蛋白
质合成，而是直接在 RNA 水平上发挥着十分重要的
调控作用，如细胞的生长和分化，个体的发育时序
调控，以及疾病的形成、发展、诊断和抑制等。常
见的疾病与这些非编码 RNA 的出错相关。因此，对
ncRNA 的深入研究将对基因功能开发、人类疾病防
收稿日期 ：2014-03-20
基金项目 ：国家自然科学基金项目（U1204305），河南师范大学博士科研启动费（11126/11129），河南省基础与前沿技术研究项目
（132300410455/14B180035）
作者简介 ：黄俊骏，女，副教授，研究方向 ：表观遗传学 ；E-mail ：jjhuang2012@163.com
非编码小 RNA 的多样性
黄俊骏  王华华  梁卫红
（河南师范大学生命科学学院，新乡 453007）
摘 要 ： RNA 是一类广泛存在的极其重要的生物大分子，它不仅种类繁多，而且不同种类的 RNA 在结构方面有着显著的
差异。RNA 种类和结构的多样性决定了 RNA 具有很多重要的生物学功能。随着对非编码 RNA（non-coding RNA，ncRNA）研究的
不断深入，ncRNAs 同样呈现出前所未有的复杂性和多样性。主要介绍了 tRNA、snRNA、scRNA、rRNA、siRNA、miRNA、piRNA
和 nat-siRNA 等两大类持家 ncRNA 和调控 ncRNA 的结构和功能，为便于了解生物体内小的非编码 RNA 的多样性，进一步挖掘和
利用 ncRNAs 提供一定的参考，促使人们对 RNA 的认识和地位作出新的思考。
关键词 ： 非编码小 RNA 小分子 多样性 结构 功能
The Diversity of Small Non-coding RNA
Huang Junjun Wang Huahua Liang Weihong
（College of Life Science，Henan Normal University，Xinxiang 453007）
Abstract: RNA is a ubiquitous family of large biological molecules that perform multiple vital roles. There are many RNA types
with different structure. RNA has many important biological functions for the diversity and structure. Non-coding RNA（ncRNA）show
unprecedented complexity and diversity along with further research on ncRNA. This paper mainly introduced the structure and function of two
categories, housekeeping ncRNA and regulation ncRNA, such as tRNA, snRNA, scRNA, rRNA, siRNA, miRNA, piRNA and nat-siRNA, in
order to understand the small ncRNA diversity in vivo. It provides accessible reference source of further mining and utilization of ncRNAs and
new insights on RNA recognition and status.
Key words: ncRNA Small molecules Diversity Structure Function
治及生物进化的探索有重要意义，并迅速成为当今
分子生物学最热门的前沿研究领域之一。
ncRNA 是指不翻译成蛋白质但是能够调节蛋白
质合成的 RNA 分子片段。与编码 RNA 分子相比，
非编码 RNA 通常是比较小的，长度不足 300 个核苷
酸，因此，它们也被称为小分子 RNA（sRNA），或
称为非信使 RNA（Non-messeneger RNA，nmRNA）、
小 分 子 非 信 使 RNA［Small non-messeneger RNA
（snmRNA） 或 tiny non-coding RNA（tncRNA）］、 小
分子调节 RNA［Small modulatory RNA（smRNA）或
small regulatory RNA］。尽管非编码 RNA 不翻译成蛋
白质，但是它们能够行使调节其他基因的功能。因
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此，转录非编码 RNA 的 DNA 序列也被称为 RNA 基
因或非编码调节基因。换言之，非编码 RNA 基因是
一种能够调节其他蛋白编码基因的 RNA 基因。在人
类基因组中，绝大多数的 DNA（约 95%）属于非编
码的类型。ncRNA 在遗传信息的载体（DNA 和染色
质）与表达产物（蛋白质）的相关生物过程中都有
着极其重要的作用。根据大小，ncRNA 可分为长链
ncRNA 和短链 ncRNA。前者在基因簇以至于整个染
色体水平发挥顺式调节作用，后者在基因组水平对
基因表达进行调控，其可介导 mRNA 的降解，诱导
染色质结构的改变，决定细胞的分化命运，还对外
源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。根
据功能，ncRNA 又可大致分成“持家 RNA”与“调
控 RNA”。本文主要从以上两大类 ncRNA 来介绍非
编码小 RNA 的多样性。
1 持家 RNA
持 RNA 在生物体内长期恒定表达，维持基本生
命必须的一类 ncRNA，主要包括以下三种。
1.1 转运RNA
转 运 RNA（Transfer rinucleic acid，tRNA） 是
ncRNA 中最典型的例子，它参与蛋白质的翻译过
程，是第一种被鉴定和描述的小分子 RNA［1］。在
翻译过程中，tRNA 主要是携带氨基酸进入核糖体，
在 mRNA 指导下合成蛋白质，即将核酸的密码子语
言翻译成蛋白质的氨基酸语言。tRNA 是细胞内分
子量最小的一类核酸，其分子量大小平均为 27 000
（25 000-30 000），由 70-90 个核苷酸组成，而且具
有稀有碱基的特点，稀有碱基除假尿嘧啶核苷与次
黄嘌呤核苷外，主要是甲基化了的嘌呤和嘧啶。这
类稀有碱基一般是在转录后，经过特殊的修饰而成
的。它的二级结构和三级结构均为一种具有四五个
结构域的四叶草结构，通过 X 射线衍射等结构分子
方法，发现两者分别具有倒 L 形的三位空间结构。
1.2 核内小分子RNA
核内小分子 RNA（Small nuclear RNA，snRNA）
是存在于真核细胞核中的小分子 RNA。snRNA 是一
类称为小核核蛋白体复合体（snRNP）的组成部分，
其功能是在 hnRNA 成熟转变为 mRNA 的过程中，
参与 RNA 的剪接，并且在将 mRNA 从细胞核运到
细胞浆的过程中起着十分重要的作用。现在发现有
5 种 snRNA，如胚胎干细胞 U2 snRNA，在哺乳动物
中其长度约为 100-215 个核苷酸。它的二级结构包
含一个茎环（内环）即一个茎封闭的内环和保守的
蛋白质结合位点［2］。
1.3 胞质小分子RNA
在真核细胞中，另一种类型的小分子 RNA 是
胞质小分子 RNA（Small cytoplasmic RNA，scRNA），
存在于细胞质中，大小在 100-300 碱基之间。同
snRNA 一样，在天然状态下与蛋白质相结合，其
主要作用参与蛋白质的合成和运输，如信号识别体
（Signal recognization particle，SRP） 颗 粒 就 是 一 种
由一个 7S RNA 和蛋白质组成的核糖核蛋白体颗粒，
主要功能是识别信号肽，并将核糖体引导到内质网。
2 调控 RNA
调控 RNA 的转录具有时空特异性，通常短暂表
达，如调控染色质结构与转录的 RNA、调控翻译的
RNA、调控蛋白功能的 RNA、调控蛋白定位的 RNA
等。这里主要介绍以下几种代表性的非编码小分子
RNA 的调控 RNA。
2.1 小核仁RNA
核糖体 RNA（Ribosomal RNA，rRNA）也是一
种 ncRNA，是核糖体的基本组成部分，由 DNA 转
录产生。在真核生物中，rRNA 在核仁中经过加工后，
再经过核膜外运，这种 RNA 可能产生核仁小分子
RNA（Small nucleolar RNA，snoRNA）。当然，在古
细菌中也发现了 snoRNA 的同源物。许多新鉴定的
snoRNA 是由内含子编码而成，它可引导 rRNA 或其
他 RNA 的化学修饰（如甲基化）作用，是近年来生
物学研究的热点。
snoRNA 是 ncRNA 中研究得最多，了解得最详
细的成员之一。根据保守序列和结构元件，snoRNA
可 分 成 3 类 ：box C/D snoRNA，box H/ACA snoRNA
以 及 MRP RNA。 通 常，box C/D snoRNA 的 功 能 为
指导 rRNA 或 snRNA 中特异位点的 2-O- 核糖甲基
化修饰 ；而绝大多数 box H/ACA snoRNA 指导 RNA
假尿嘧啶化修饰，即指导 RNA 分子由尿嘧啶向假
尿嘧啶的转换，同时发现在不同的物种中，其所作
用的对象亦不同，如在真核生物中的 boxH/ACA 类
2014年第11期 81黄俊骏等：非编码小 RNA的多样性
snoRNA 的作用对象为 rRNA 和 snRNA 等［3］，而在
古细菌中的 Box H/ACA snoRNA 同源物目前仅发现
作用于 rRNA［4］；作为核蛋白分子 RNaseMRP 的唯
一核酸成分的 MRP RNA，有着与前两类 snoRNA 不
同的、更加复杂的结构，目前仅发现于真核生物体内，
在所有真核生物 25S-28S rRNA 的产生中发挥作用［5］。
还有一些 snoRNA 能帮助 rRNA 的前体折叠，所以又
具有分子伴侣的功能。最新研究表明，snoRNA 能够
帮助确定细胞是否死于自杀，同时发现 snoRNA 并
不像以前认为的那样留在细胞核内，而是进入细胞
质，说明这种分子拥有很多研究人员未知的功能［6］。
2.2 小干扰RNA
小干扰 RNA（Small interfering RNA，siRNA）有
时称为短干扰 RNA（Short interfering RNA）或沉默
RNA（Silencing RNA），是一类包含正义和反义 RNA
的双链小分子，长度为 21-25 个核苷酸，由 Dicer
（RNase Ⅲ家族中对双链 RNA 具有特异性的酶）加
工而成，广泛存在于各种真核生物中重要的内源调
控 RNA。
siRNA 是 siRISC 的主要成员，引导一种内切酶
复合物剪切有同源序列的靶 mRNA，激发与之互补
的目标 mRNA 的沉默，引发同源 RNA 的降解，导
致靶 mRNA 水平降低和同源 DNA 的甲基化，其生
物功能主要涉及转录后基因沉默（Post-transcriptional
gene silencing，PTGS）和转录基因沉默（Transcriptional
gene silencing，TGS）［7］。siRNA 在生物学上有许多
不同的用途。目前已知 siRNA 主要参与 RNA 干扰
（RNAi）现象，以带有专一性的方式调节基因的表达。
在哺乳动物细胞内，30 bp 以上的 siRNA 诱导抗病毒
干扰素反应，整体性地抑制 mRNA 翻译［8］。但导入
短的 siRNA 到哺乳动物细胞中不会激活干扰素反应，
能诱导序列特异性的 mRNA 降解。此外，也参与一
些与 RNAi 相关的反应途径，如抗病毒机制或是染
色质结构的改变。RNAi 介导的转录后沉默提供了在
病毒生命周期的多个阶段抑制病毒和细胞内基因复
制的强有力的潜在工具，不过这些复杂机制的反应
途径目前尚未明了。
2.3 微小RNA
微小 RNA（micro RNA，miRNA）是近几年在
真核生物中发现的广泛存在的一类内源性的具有调
控功能的长度在 19-25 个核苷酸的内源性单链小分
子 RNA，转录自内含子或基因间序列，在进化上具
有保守性特征。通常，miRNA 5 端有一个磷酸基团
且多为尿嘧啶核苷酸，3 端为羟基，这是它与大多
数寡核苷酸和功能 RNA 降解片段的区分标志。
miRNA 的前体常形成分子内茎环结构，而且含
有大量的 U/G 碱基对，经过核酸酶的加工形成成熟
的 miRNA。miRNA 的前体大小在动植物中差别较
大 ：动物 miRNA 前体大约长 60-80 nt，而植物 mi-
RNA 前体长度变化很大，一般从几十到几百核苷酸。
miRNA 常常来自于前体的一条臂，5 端或 3 端 ；但
有些前体的两条臂均可被加工为成熟的 miRNA。
miRNA 的表达具有时序性和组织特异性，通过
与靶 RNA 特异互补位点的结合，抑制基因表达，调
控生物体的生长发育、形态变化、细胞分化、凋亡、
脂类代谢、激素分泌等多种生理过程［9］。从第一
个 miRNA 的发现至今，短短 10 余年的时间，有关
miRNA 的研究突飞猛进。目前，miRNA 数据库中成
熟 miRNAs 的数量已达 4 000 多条［10］。据预测估计，
miRNAs 的数量约为生物体中编码基因数量的 1%，
因此已验证的 miRNAs 还远远没有饱和。
2.4 piRNA
piRNA（Piwi-interacting RNA） 是 与 Piwi 蛋 白
相互作用的一类小型 RNA 分子，绝大多数长度大
约是在 29-30 个核苷酸，其 5 端也具有强烈的尿嘧
啶偏向性，3 端的 2氧是被甲基化修饰的，增加了
piRNA 的稳定性［11］。现发现的 piRNA 主要存在于
基因间隔区，而很少存在于基因区和重复序列区。
作为调节 RNA 之一，直到 2006 年才发现了这
种小 RNA［12］。piRNA 很可能在动物起源早期就已
经出现了，并且帮助生命进入了一个多细胞动物的
时代，产生了今天的生物体复杂性和多样性。因此，
piRNA 成为 ncRNA 的研究热点，进展飞速。研究表
明，piRNA 主要存在于哺乳动物的生殖细胞和干细
胞中，通过与 Piwi 亚家族蛋白结合形成 piRNA 复合
物（piRC）来调控基因沉默途径［13］。根据 Piwi 蛋
白已知的功能推测 piRNA 的功能可能有 3 个方面 ：
沉默转录基因过程、维持生殖系和干细胞功能以及
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调节翻译和 mRNA 的稳定性［14-16］。鉴于 piRNA 的
众多生物学功能，其研究不仅可以丰富小分子 RNA
的研究内容，同时，也有利于进一步了解生物配子
发生的分子调控及其机理，具有十分重要的理论价
值和应用前景。
属于 piRNA 家族之一的重复序列结合的 siRNA
（Repeat-associated siRNA，rasiRNA），通常由重复元
件编码，大部分都是转座子序列。这些重复元件位
于中心粒和端粒异染色质区域，编码的 miRNA 没有
发夹结构，但能调控染色质的性状。rasiRNA 最初
发现于果蝇和斑马鱼的胚胎发育时期［17，18］，后又在
果蝇的生殖系细胞中发现［19，20］rasiRNA 与 Piwi 蛋
白相结合，在生殖细胞中可能沉默逆转录转座子和
重复元件进而调节果蝇生殖系的发育。它的沉默机
制可能与 piRNA 的调节方式存在一定的关系，但有
两点不同之处 ：第一，piRNA 主要对应于单链基因
组位点，而 rasiRNA 是通过定义可转座元件在内的
重复位点来对应的 ；第二，piRNA 以高度特异链的
方式对应于基因组，但是 rasiRNA 在有义或反义定
位之内对应于重复区域，它们似乎是由长 dsRNA 前
体随机产生的。
2.5 天然反义siRNA
反式作用 siRNA（Trans-acting siRNA，tasiRNA）
和 天 然 反 义 siRNA（Natural-antisense siRNA，nat-
siRNA）是最先在拟南芥和小立碗藓中发现的新的
内 源 性 siRNA［21，22］， 是 植 物 体 内 最 主 要 的 内 源
siRNA，与上述的 siRNA 不同，此类内源性 siRNA
是细胞主动利用 RNAi 机制。
nat-siRNA 作为一类新的小 RNA，在病原诱导
的抗性中发挥作用。而 tasiRNA 作为一类植物特有
的小 RNAs，其成熟需 miRNA 介导的 TAS 基因转录
的剪切引发，之后通过 siRNA 途经形成，即其形成
机制和 siRNA 相似，作用机制和 miRNA 相似［23， 24］。
tasiRNA 将以往不相干的 miRNA 和 siRNA 联系在一
起，这样的生物过程对植物的研究是未知和新颖的，
而且它本身具有重要的生物学功能，在植物体内发
挥着重要的作用［21，24-27］。tasiRNA 常作用于非同源
基因的沉默，同时不产生扩增效应［21，28］。研究发现，
tasiRNA 在进化上比较保守，尤其是拟南芥的第三个
tasiRNA 基因编码区在白杨、葡萄、可可、苹果、大
豆、莲、玉米及水稻等高等植物中都存在高度同源
序列［21］，表明可能这种调控方式普遍存在高等植物
中，对其功能的研究也开始展开［29］。
目前，关于 tasiRNA 的生物合成途径已经基本
清楚，对功能的了解也正在进一步研究和逐步加深，
不断有新的发现，如在 mRNA 和染色质水平上发现
的一种新型的 ta-siRNAs 途径［30］，在小立碗藓的形
态建成过程中期重要作用［31］等，但是仍然存在许
多问题有待思考和解决。
3 小结
随着研究的深入发现，生命体内还存在许多具
有重要功能的小 RNAs［32］，在整个生命的调解过程
中发挥重要的作用，它们不仅仅局限于真核生物，
在原核生物中也发现了一系列的具有调节作用的小
RNA，在原核生物的生命过程中发挥了重要的调节
作用，一般作为环境变化的应答元件。同时它们在
细菌、真菌、哺乳动物等许多生物体的重要生命活
动中发挥着极广泛的调控作用，如在染色体的转录
与失活、基因的表达与关闭、细胞周期乃至个体发
育等过程中均具有重要的作用。我们有理由相信基
因转录后调控、基因敲除、人类疾病防治及生物进
化探索等众多的问题会随着研究的深入而逐步被阐
明。当然，如何鉴定与发现这些 RNA 是值得人们思
索的重要问题。
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（责任编辑 狄艳红）