梁佳萱

（湖南师大附中梅溪湖中学，湖南 长沙 410205）

1 非编码RNA简介

人类基因组计划是分子生物学领域一项承前启后的伟大工程。一方面，它揭示了人类2.5万个基因的生物学功能，找到了一千多万个基因变种，有力支持了经典遗传学；另一方面，人们也惊奇地发现编码蛋白质的序列只占人类基因组的1.5%，如此之多的非编码序列究竟有什么生物学功能？2003年9月，“DNA元件百科全书”（ENCODE）计划正式启动，研究发现人类基因组中有75%的序列会被转录成RNA，这些转录产物中有近74%为非编码RNA（ncRNA）。

ncRNA长短不一，种类繁多，功能多样。根据其生物学功能分为两类：看家型ncRNA和调控型ncRNA。miRNA、piRNA和lncRNA是几种主要的ncRNA类型，广泛参与基因转录和蛋白合成的调控，对细胞分化、个体发育和疾病发生等生命过程都有重要作用。本论文将对这几种ncRNA进行分类阐述，分析ncRNA走向临床应用的几种可能模式和技术瓶颈，对其应用前景进行展望。

2 非编码RNA的种类与功能

2.1 miRNA调节mRNA稳定性

miRNA是一类内源性单链RNA分子，其长度只有21～25个核苷酸。成熟的miRNA组装进RISC复合体中，通过碱基互补配对与目标mRNA的3'UTR结合，并指导RISC对mRNA进行降解或阻遏其翻译，从而在转录后水平上调节基因表达。一种miRNA可以调控几十到几百种靶基因的表达，一种基因也可能受到多个miRNA的共同精细调控。截至2014年6月miRBase数据库共收录223个物种的35828个成熟miRNA，其中包括人类的2588种miRNA。miRNA序列在不同物种间具有高度的保守性，其表达具有组织特异性和时序性，参与生长发育过程中的多种调节途径。对miRNA作用机制的深入研究将有望使miRNA成为新的疾病诊断标志物和药物靶标。

2.2 piRNA——生殖细胞基因组卫士

piRNA是一类动物生殖细胞特异的单链RNA分子，长度通常为24-30个核苷酸。转座子是一小段可以在基因组中移动的DNA序列，具有破坏功能基因的潜力，并参与癌症等多种疾病的发生过程。piRNA一般认为是由转座子的转录产物经过剪切形成的，通过与PIWI家族蛋白结合组成pi-RISC复合物，特异地识别转座子并抑制其活性，达到维持基因组稳定的目的。piRNA的种类在数百万量级，其表达同样具有严格的时序性，在精子形成过程中出现了两次高峰期，分别为前粗线期和粗线期。在粗线期精细胞内mRNA发生大规模降解，其分子机制依赖于pi-RISC介导的数千种mRNA的降解。

2.3 lncRNA——生物功能复杂的多面手

lncRNA是一类长度大于200个核苷酸的单链RNA分子，与mRNA结构相似，但缺少特异完整的ORF，所以一般认为lncRNA不编码蛋白质。目前ENCODE数据库中共收录人类和小鼠的lncRNA的数量分别是56018条和46475条。有证据表明lncRNA的产生机制可能有以下四种：（1）一个编码蛋白质的基因被插入另一段DNA序列而停止翻译，合并成为lncRNA；（2）非编码基因发生逆转录转座，介导基因重排而产生假基因lncRNA；（3）染色体重排使两个不转录序列合并，转录出lncRNA；（4）由ncRNA产生lncRNA。不难推测，lncRNA的序列保守性不是很严格，而序列多样性使其以多种模式参与基因表达和生理代谢调控。

2.4 非编码RNA的编码潜力与新基因产生假说

如前所述，lncRNA具有与mRNA非常类似的结构，只是缺少特异完整的ORF，但lncRNA又有着庞大的序列多样性，所以个别lncRNA就具备了翻译出蛋白或微肽的能力。2015年，UT Southwestern的Eric Olson实验室证实了一种骨骼肌特异的lncRNA编码了一条46AAs的微肽，该微肽形成跨膜α-螺旋，并抑制肌质网膜蛋白SERCA对钙离子的输运，调控肌肉收缩。Pri-miRNA是miRNA的前体，Combier JP实验室在许多pri-miRNA中鉴定出ORFs序列，并进一步预测出氨基酸序列，通过人工合成多肽和抗体进化成功证实了多肽产物的存在。

lncRNA与新基因的产生也有着密切关系。北京大学李川昀实验室在精细对比恒河猴和人类的基因组、转录组之后，发现人类特有的蛋白编码基因有43个，而猴和黑猩猩等物种基因组的对应区域只转录成lncRNA，并没有翻译出蛋白质。从猴子的视角看待人类演化的话，具有翻译潜力的lncRNA已经长期存在，在某些偶然因素作用下翻译出新蛋白，而新蛋白被赋予新的功能，原DNA序列就成为新基因。显然，这是一个逆自然选择的过程，却为新物种的产生提供了合理的解释。例如，人类特有的ARHGAP11B基因可以促进人脑干细胞产生更多神经元，脑容量相应扩大，为高级神经活动的发生发展提供基础。

3 非编码RNA的临床应用分析与展望

ncRNA的研究尚处于初级阶段，但随着第二代测序技术的发展与成熟，ncRNA的发现与功能研究呈现井喷式增长。RNA-seq技术可以高通量、无差别、高灵敏地检测各种RNA的转录水平，并开始在细胞亚群和单细胞水平上应用，对ncRNA的基础研究和临床应用都提供了重要的技术保障。

ncRNA在临床上的应用模式主要包括以下几种：（1）以miRNA、siRNA为基础的RNA干扰技术可以通过诱导mRNA降解的方式抑制靶蛋白的合成；（2）利用高特异性RNA适体与靶蛋白的结合起到抑制和拮抗的效果；（3）ncRNA广泛参与疾病的发生发展，同时具有序列保守性和组织特异性，已逐渐成为疾病诊断的新型标志物；（4）ncRNA表现出的重要调控功能也使其成为新药研发的重要靶标；（5）在脑医学领域用于克服药物成瘾性和耐药性。

目前ncRNA的临床应用尚处于摸索阶段，技术方面RNA-seq的成本依然较高，基础研究方面人们对ncRNA的生物学功能的认识还比较局限，而临床转化方面则面临更多的实际问题，如RNA的脱靶现象、降解问题、转运吸收和效能评估等。随着科研工作的推进和技术的革新，这些瓶颈终将被打破，ncRNA必将以丰富多彩的模式在临床上广泛应用。

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