全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第7期
2010年7月
Vol. 22, No. 7
Jul., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)07-0594-04
关于非编码RNA 研究的一些思考
陈润生
(中国科学院生物物理学研究所，北京 100101)
摘 要：近年来大量的新的转录组实验结果表明基因组中的非编码序列绝大部分是可以表达的, 同时越来
越多的事实证明转录出来的非编码RNA，从长度为21~24 个核苷酸的microRNA 到长度为数千核苷酸的
Xist，都具有重要的生物学功能。本文主要表达了作者对未来非编码 RNA 研究方向与重点的一些想法。
关键词：生物信息学；非编码 R N A ；双色网络
中图分类号：Q 5 2 2　　文献标识码：A
Some reflection on the non-coding RNA research
CHEN Run-sheng
(Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: The results of large scale transcriptional analyses in recent years suggest that sequences in the
noncoding parts of the genome may be expressed in the form of noncoding RNAs. And accumulating evidence
suggest that noncoding RNA, from 21-24 nt microRNA in length to the length of knt magnitude Xist, has important
biological function. This paper mainly expresses some reflection on the future research direction and focus of
the non-coding RNA study.
Key words: bioinformatics; noncoding RNA; bicolour network
快速发展的基因组研究已经度过了二十个年
头。早期的研究把测序获得的基因组DNA序列作为
对象，综合运用数学、计算机科学和生物学的工
具，对这些信息进行分析和释读，希望找到基因组
序列中编码蛋白质的基因区及其上游的调控区等功
能元件以破译隐藏在 DNA 序列中的遗传语言规律，
为认识代谢、发育、分化、进化等重要生物学问
题提供依据。
进入21 世纪后，基因组学与生物信息学又有
了很大发展，在新一代测序设备，如454、Solexa、
SOLiD 等的帮助下，每天都可以获得数以亿计的碱
基数据。海量的基因组序列数据进一步证实了：
DNA 上编码蛋白质的区域(也就是通常说的基因)只
占人类基因组的一小部分，不会超过整个基因组的
3%，其余 97% 左右的 DNA 序列绝大部分仍不清楚
功能，最初科学家们习惯地把这部分 DNA 统称为
“J u n k ”D N A ，也就是基因组中的非编码序列。
近年来大量转录组的新实验结果表明，基因组中的
非编码序列是可以表达的，其表达产物就是非编码
R N A。而且，越来越多的事实证明，非编码 R N A
具有重要的生物功能，microRNA 的研究就是最突
出的例子。20 世纪90 年代，美国Dartmouth 医学
院Victor Ambros小组以线虫为对象用基因打靶技术
研究某些基因对其发育的影响。他们找到了一个对
发育有明显干扰的基因。通常线虫要通过四个幼虫
阶段才能成熟，这个基因的突变使其只停留在第一
阶段。令人们惊奇的是这个基因并不编码任何蛋白
质，而是编码一个microRNA。以后的研究证明，这
样的小 RN A 基因在果蝇、软体动物、鱼类以及人
体中都存在。 除了长度为21~24个核苷酸的microRNA
以外，其他的小RNA 也不断被发现。2006 年 7 月，
收稿日期：2010-06-24
通讯作者：E-mail: chenrs@suns.ibp.ac.cn
· 评述与综述 ·
595第7期 陈润生：关于非编码R N A 研究的一些思考
独立进行研究工作的两个小组发现了一类新的小
RNA，它们与Argonaute 家族的一个分支，即Piwi
类蛋白发生相互作用。这些睾丸特有的小RNA，被
称为piRNA，比以前所描述的小RNA 稍长一些，长
度为26~31 个核苷酸[1]。很多的非编码RNA具有生
物学功能，与这些功能性的非编码RNA 对应的基因
组序列被称为非编码基因。当今，非编码序列、非
编码基因和非编码RNA的研究已成为生物学领域的
研究热点，重新唤起了科学家们对“R N A 世界”
的重视及对“生命起源于 RNA 分子”这一命题的
兴趣。
1　大量长的功能非编码RNA 尚未发现
尽管长度小于 50 个核苷酸的非编码 RNA(如
microRNA 和 piRNA)等的研究已取得突破性进展，
但具有功能且长度大于50 个核苷酸的非编码RNA，
当前只是作为个别例子被发现。我们实验室使用
Affymetrix线虫全基因组 tiling array芯片，所做的
线虫转录组研究的结果表明[2]：长度在50~500个核
苷酸的全长非编码RNA有 1 000 多个，而长度更长
的非编码RNA 数量就更多。这表明即使在很简单的
多细胞生物中长非编码 R N A 的数量也远大于
microRNA和piRNA的数量。日本理化研究所(RIKEN)
对小鼠转录组所作的实验发现了几万个全长的非编
码RNA 克隆，它们的长度大部分为几百到几千核苷
酸，而功能未知[ 3 ]。“D N A 元件百科全书”计划
[Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE(http: //www.
genome.gov/ENCODE)]的研究结果也表明，人类基
因组中有 93% 的 DNA 都会转录成 RNA，众多转录
本为非编码RNA[4,5]。ENCODE 计划挑战了关于人类
基因组的传统理论，即我们的基因组不是由孤立的
基因和大量“无用 DNA 片段”组成的，而是一个
复杂的网络系统。单个基因、各种调控元件以及非
编码的其他类型的功能DNA序列之间有着复杂的相
互作用，共同控制着人类的生理活动。ENCODE 计
划促使我们重新考虑长期以来关于“基因”的概念
和对于基因组功能元件及组织机制的认识。
在哺乳动物中，对于生殖与发育极为重要的剂
量补偿现象就与名为 Xist 的长非编码 RNA 有关。
Xist基因表达产生长度为千核苷酸数量级的非编码
RNA 转录本，该转录本可以改变哺乳动物一条X 染
色体的构象，从而将整条染色体沉默掉[6]。这样一
种机制可以保证与X 染色体相关的基因表达在雄性
与雌性之间维持一种平衡。PCGEM1 是 2000 年被
发现的一个非编码基因，2004年这个基因被报道与
前列腺癌有关[7]。His-1是小鼠的一个非编码基因，
1999年科学家报道它与小鼠白血病有关，而且证明
这个基因参与了癌变代谢通路，并且参与了细胞周
期调控[8]。 MALAT-1的转录本是一条8 000多个核
苷酸长度的非编码RNA，2003年证明该基因与非小
细胞肺癌有关[9 ]。最为极端的一个例子是“疯牛
病”的致病蛋白Prion，在2003年Nature报道其正
常构象向病变构象的转换过程中，有可能要借助非
编码RNA的参与[10]。Prion 与疯牛病的传播在此前
一直被认为是蛋白质到蛋白质的信息传递，不经过
任何中介信使。Deleault等[10]这篇报道打破了这一
传统观念。这些例子说明长非编码RNA 不仅数量众
多且很多有明确的生物功能。
另一值得注意之点是：当 RNA 的长度增长时
它们也会折叠，并形成固定的空间结构。比如：
长度为70~80 个核苷酸的tRNA 就有三叶草样的结
构。可以设想有空间结构的非编码 RN A 并不是像
microRNA 那样通过碱基匹配来实现功能的。
所以，进一步开展非编码序列、非编码基因
和非编码 R N A 的研究，系统发现新的长非编码
RNA，研究它们的空间结构与功能，可能为我们带
来更多的创新机会。
2　非编码RNA 是生物网络的元件
在传统的分子生物学研究中，认为一个基因表
达一个蛋白，一个蛋白有一个结构，一个结构完成
一个功能，也就是遵从由序列到结构再到功能这样
一个思维方式。现在越来越多的事实说明，一个基
因的单独表达往往不能主宰一个生物学事件的发
生，一个事件的发生是一组基因的同时表达，是一
组蛋白质的协同作用。因此，实际上更真实表现生
物学功能的，应当是一组相关基因、一组相互作用
的蛋白质，这些相互作用着的蛋白质就必然构成一
个网络。所以真正能更真实说明生物学功能的应该
是一组组相互作用的生物大分子形成的网络，这就
是系统生物学所带来的思维上的变化和研究思路的
变化。
随着大量非编码 RNA 的发现，通过 RNA 与蛋
白质相互作用或RNA 与 RNA 相互作用来实现生物功
能的事例也越来越多, 如 snRNA U1、U2、U4、
U5、U6 同多达75 种蛋白质组成剪接复合物，负责
pre-mRNA 的剪接[11]；小鼠的 NRON RNA 同 11 种
蛋白质结合，控制 NFAT 蛋白的转运[12 ]。非编码
596 生命科学 第22卷
RNA 还可以通过与target RNA 序列匹配来定位靶
标，并进一步招募功能蛋白质来行使功能。如C/D
box snoRNA 通过其上的互补序列定位rRNA上的作
用位点，并招募蛋白质来对 rRNA 进行甲基化修
饰[13 ]；miR NA 通过其种子序列定位于特定 mRNA
的3’UTR (untranslated region)区域，并通过其招募
的RISC 蛋白复合物来控制mRNA 的稳定性或抑制
mRNA 的翻译[14]。大量非编码 RNA 的加入将使网
络结点迅速增加，网络规模成倍的扩大。更重要的
是非编码RNA 的加入增加了各种新的相互作用，使
网络的内容更加丰富。使用非编码RNA 构建网络还
有助于研究非编码 RNA 本身的功能。过去，人们
一直以为生物功能主要是由蛋白质实现的，因此，
以蛋白质为中心开展了大量的功能与调控研究，发
现了大量关于蛋白质产生、调控和代谢的pathway
及相关网络。这些发现为人类认识生命活动的本质
做出了巨大贡献。未来若干年对非编码RNA生物功
能的发现将会越来越多，对非编码RNA 与蛋白质的
相互作用的了解也，越来越多，并得到丰富的有非
编码RNA 参与的pathway 及相关网络。几年前，我
们就提出了双色网络的概念[15] ：它是指生物网络应
由蛋白质与功能RNA两类物质构成。因为这两类物
质的区别非常明显，在网络中可以简单地用两种颜
色的节点表示，故称为双色网络。当前有关生物网
络的研究都是只把蛋白质作为网络节点，但近年来
的大量新研究成果表明非编码RNA是许多生命过程
中富有活力的参与者。 一些科学家认为成千上万非
编码RNA分子组成了巨大的分子网络调节着细胞中
的生命活动，它们与蛋白质网络相对应，同时这两
类网络必然有紧密的相互作用从而构成更复杂的网
络。所以未来的网络至少是双色的才更符合生命活
动的实际。
为了探讨使用当前的实验数据构建双色网络的
可能性，我们进行了一些理论研究，提出了一个新
的假设：miRNA 可以调控一类特殊的非编码 RNA，
即mRNA-like RNA的转录水平，从而构造了一个同
时含有非编码RNA和蛋白质的调控网络[16]。实验发
现，基因组上存在着大量的长的非编码转录本。其
中一些和编码蛋白的mRNA 有相似之处：长度都很
长，都由RNA 聚合酶II转录，转录后都存在剪接、
加帽加尾现象，但是又没有蛋白编码框，因此被称
为mRNA-like非编码基因。少数mRNA-like 非编码
基因的功能已经得到证实，然而绝大部分 mRN A -
like 非编码基因的功能和作用机制仍然是未知的。
由于mRNA-like ncRNA (mlRNA)同 mRNA 在序列和
结构上的相似性，我们猜测 m l R N A 很可能也是
miRN A 的靶基因。为了验证这一猜想，借鉴了已
有对 miRNA 调控 mRNA 进行验证的方法，通过基
因芯片检测所预测miRNA靶基因的RNA水平来评估
预测结果的可靠性。整个工作选取了 FA NT O M 数
据库中收集的3.4万条mRNA-like 非编码RNA作为
研究对象。在这3.4万条序列中有约1.1万条序列在
20个组织中有基因表达谱数据。选取了8条已经确
认的存在组织特异性表达的 m i R N A 作为我们的
miRNA 研究集合。由于 miRNA 能够显著下调其靶
基因的RNA 水平，所以对于组织特异表达的miRNA
在其特异表达组织中其靶基因的表达水平应该显著
低于其他组织。我们所分析的 8 条 miRN A，根据
miRanda预测结果和靶位点序列保守性结果预测了它
们在1.1万条mRNA-like 非编码RNA集合上的靶基
因。然后，对预测靶基因的表达谱用Wilcoxon’s rank
sum test进行检验，结果表明有3条miRNA 在 4个
特异表达的组织中其靶基因的表达水平显著下调，
显著水平和miRNA 在 mRNA 上的调控水平相当，这
就验证了我们对miRNA 能够调控mRNA-like 非编码
RNA 的猜想。这一结果大大扩展了miRNA 参与的转
录后调控网络。更为有趣的是，结果表明在mRNA-
like 非编码RNA 中存在大量的miRNA-encoding
RNA，而microRNA 对这些自身的初级转录本也存
在调控关系，因此形成了一个复杂的microRNA 间
相互调控网络。
所以，关注非编码RNA与传统pathway 的相互
作用，将会使生物网络更加真实、更加完整。
3　非编码RNA 调节的多样性
非编码RNA在发挥生物学功能时的作用方式是
多种多样的，以下仅以miRNA 为例叙述其不同的调
节作用。m i R N A 是基因组编码的内源性小分子
RNA，在转录时它是以前体(pri-microRNA)的形式
被表达的，经过RNase III家族的Drosha和Dicer酶
的两次剪切后成为成熟的miRNA。miRNA 主要的生
物功能是在翻译水平对靶 m R N A 的表达进行负调
控，也就是抑制靶 mRN A 的表达。mi R N A 的负调
控作用是通过 RNA 诱导基因沉默复合物(RNA-in-
duced silencing complex, RISC)完成的，复合物的
核心成员是Ago家族蛋白。在这一过程中miRNA 作
为特征识别因子，将RISC复合物引导向互补的mRNA
目标，其识别位点存在于mRNA 的3 ’UTR。
597第7期 陈润生：关于非编码R N A 研究的一些思考
miRN A 的负调控作用不仅存在于靶 mRNA 的
3UTR 区，也可发生在5UTR 区。我们实验室使用
人乳腺癌细胞株进行的miRNA-10a 对 Hoxd4 基因表
达调节的研究结果显示，这一抑制作用是发生在
Hoxd4 基因的启动子区域[17]。
miRNA 不仅具有负调控作用，也可以激活基因
的表达。Vasudevan 实验室发现，在细胞周期过程
中，miRNA 效应在抑制作用和活化作用间摆动；在
静态细胞中(G0 期)，miRNA 活化翻译和上调基因表
达，而在其他细胞循环/增殖期则继续发挥抑制作
用[18,19]。miRNA 激活作用与富含腺嘌呤/ 尿嘧啶元
件(adenylate/uridylate-rich elements, AREs)相关。ARE
是 m i R N A 活化翻译的信号，在 m i R N A 指导下，
miRISC 复合物成员，如Ago、FXRP 被招募到 ARE
上，激活翻译、上调基因表达。A R E 元件是一种
mRN A 不稳定元件，位于 mRNA 3 U TR，对很多
m R N A 来说，它都是保守的。
Eiring等[20]的研究表明，miRNA不仅可通过调节
mRNA 的表达发挥生物作用，还可以通过调节蛋白
来发挥生物功能。俄亥俄州立大学的Danilo Perrotti
实验室及其合作者在以淋巴细胞白血病为对象，研
究miRNA 对 mRNA 表达的影响时发现：当miR-328
显著缺失时，激酶依赖性的MAPK1-hnRNP E2 路径
被激活，慢性粒细胞白血病原始细胞出现危象，如
果重新表达miR-328，它就会与核不均一核糖核蛋白
(heterogeneous ribonucleoproteins, hnRNPs)结合，将及
时挽救危象。这个相互作用的过程并不依赖microRNA
的种子序列，并且会激发CCAAT/ 增强子结合蛋白a
(CEBPA)mRNA 的释放，促使粒细胞分化。这些结
果表明，miRNA 具有控制细胞命运的双重路径，它
不仅像通常的那样，通过 m R N A 来发挥作用，还
通过调节蛋白质来发挥作用。
miRNA 的作用方式尚且如此复杂，其他非编码
RNA 行使功能的途径可能更为多样，特别值得注意
的是长非编码 RNA，且不要把经典 miRNA 的作用
方式作为定式。
4　NcRNA 与疾病紧密相关
非编码 RNA，特别是 miRNA 与疾病相关的研
究已数不胜数，有些已用于临床，这里不再赘述。
这里只想说，非编码 RN A 研究是一个紧密结合实
际，又可迅速用于实际的领域，应特别关注从基础
到应用的转化。
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