rna组学及mirna.ppt

RNA组学与转录后调控,,基因组 转录组 蛋白组,,,,The study of proteins expressed by genomes Completion of the sequencing of the 1st draft of human genome indicates there are approximately 250,000 proteins in the human genome Only 2-5% of proteins in human genome have been identified,RNA组和RNA组学,RNA组（RNome）指一种生物体或一个细胞或组织中的全部的RNA分子 RNA组学（RNomics）指以RNA组为研究对象，研究细胞内所有RNA分子的结构和功能及其在不同生理条件下动态变化规律的科学RNA有催化功能 rRNA有转肽酶活性 RNA编辑、RNA的再编码 RNA作为端粒酶的组成成份在维持端粒DNA长度中的模板作用等等 这使得人们逐渐接受生命可能起源于RNA而非DNA的观点，逐渐认识到RNA的生物学功能远非仅仅传递遗传信息那么单一。

RNA在基因表达中有调控功能,转录,转录是指DNA指导的RNA合成 反应是以DNA为模板，在RNA聚合酶催化 下，以四种三磷酸核苷（NTP）即ATP、GTP、CTP及UTP为原 料，各种核苷酸之间的3′、5′磷酸二酯键相连进行的聚合反应合成反应的方向为5′→3′ 转录作用过程可以分为三个阶段：起始、延长及终止转录后的调控,转录作用产生出的 mRNA、tRNA、rRNA及小分子RNA的初级转录本全是前体RNA，而不是成熟的RNA，它们没有生物学活性，还要在酶的作用下，进行加工才能变为成熟的，有活性的RNA 调控方式： 1. 5′-末端帽子的生成 2. 3′-末端多聚A尾的生成 3. 剪接作用 4. RNA编辑 5. 甲基化修饰 6. microRNA,真核生物mRNA的一般结构,,,,,,,一些基因组中蛋白编码部分与非编码部分的比例 生物 基因组长度 蛋白编码部分 非编码部分 基因数 （kbp） （％） （％） 真细菌 U. urelyticum 751 88 12 577 E. coli 4,639 84 16 4,000 M. leprae 3,268 73 27 2,584 古细菌 P.horikoshii 1,739 87 13 1,636 M.jannaschii 1,665 83 17 1,599 S.solfataricus 2,992 77 23 2,610 真核生物 E.cuniculi 2,900 90 10 2,000 S.cerevisae 12,000 71 29 5,651 S.pombe 12,463 57 43 4,824 A.thaliana 115,410 29 71 25,500 C.elegans 97,000 27 73 18,424 D.melanogaster 180,000 13 87 13,600 H. sapiens 3,000,000 2 98 24,500,Coding RNA mRNA中的编码区（即开放阅读框，open reading frame, ORF),Non-coding RNA (ncRNA) 除ORF以外的所有RNA品种和片段,,,ncRNA的数量,反转座子基因占基因组的45％ 可变剪接占多外显子基因的41－60％ 反向转录的占基因总数的10－20％ 最新估计的蛋白质基因数为24500个，占基因组的约1.5%,自私的RNA( Selfish RNA) RNA既是自身复制的模板，又是催化分子 RNA是蛋白质生物合成的中心位置，控制着肽键形成的催化功能 RNA将绝大部分贮存遗传信息的功能交给DNA时，自私RNA (selfish RNA)的优先复制特性成为柔性生物进化的空间 人基因组中，大部分DNA组来自RNA反转座子的作用以及依赖于RNA的阅读和改写遗传信息的过程 ncRNA处于生命的中心，既控制编码RNA的翻译，又可随时产生新的ncRNA。

生物的基因组构建、贮存和表达RNA,,1998年109次香山会议 中国科学家提出了RNA组计划,PNAS, December 19, 2000 vol 97 no. 26 14035-14037,,RNomics的内涵,研究所有以RNA为终产物基因的时空表达谱和其生物学含义,,欧美已启动以非编码RNA为主要目标的科学计划,欧盟的 “RNA调控网络与健康和疾病”计划 （RNA in health and disease “Ribonet” ) 美国国家人类基因研究所提出 “DNA 百科全书”计划 (Encyclopedia of DNA elements) 中国的 “调控RNA与人类疾病”973计划（屈良鹄） 中国的 “表观遗传学”973计划（裴钢）,MicroRNA,★ (1)长度为21nt左右核苷酸的内源性单链小分子RNA；(2)存在65nt左右的发夹结构前体；(3)基因座位在蛋白质基因间隔区；(4)其DNA序列在近源物种间高度保守 ★ miRNA具有十分重要的调控功能，它们主要参与基因转录后水平的调控 能够通过与靶mRNA特异性的碱基配对引起靶mRNA的降解（植物中较为常见）或者抑制其翻译（动物中较为常见），从而影响了靶mRNA的表达。

★ 目前发现miRNA是一个庞大的小分子调控RNA家族，广泛存在于各种动植物中，参与细胞增殖和分化、细胞凋亡、胚胎发育、形态建成以及疾病发生等一系列重要的生命过程 ★ 最近发现一系列与肿瘤发生相关及人类病毒编码的miRNA，揭示miRNA在哺乳动物基因表达调控中具有重要作用microRNA的发现与发展,◇ 1993年，Dr. Victor R. Ambros 虫中发现了第一个miRNA lin4，与线虫的发育相关Cell 75:843(1993) ◇ 2001年，虫、果蝇和人cDNA文库中鉴定出96种与lin-4和let-7相似的长度约为21～22nt的非编码小分子RNAScience 294:853-864(2001) ◇ microRNA首先虫中发现，9年后发现在多种生物中发挥基因调控作用，引起科学界广泛关注 Nature 420:732(2002) 2002年，MicroRNA赢得Science杂志评选的十大科技突破第一名 Science 298:2296(2002) ◇ 至2005年9月，在动物、植物、病毒中已鉴定出 miRNA 共 2909 个 http://www.sanger.ac.uk/Software/Rfam/mirna ? 2011 年,计算机预测各种生物中miRNA基因的数目,计算机预测各种生物中miRNA靶基因的数目,Starbase， 中山大学 ,miRNAs的重要特点: 时序特异性与组织特异性,斑马鱼胚胎发育过程中90种miRNAs的表达谱(microarray)。

miRNAs在受精后早期一直到卵裂开始(12hpf)并不表达，受精后一天陆续表达，直到器官发生基本完成（96hpf)，大多数miRNAs 的表达达到最高峰 Science 309(5732):310-311,2005.,哺乳动物miRNAs的组织特异性 Nat. Rev. Genet. 5(7):522-31,2004.,miRNA的表达及作用机制,Lin-4和let-7，由前体加工而来；成熟分子通过与各自靶基因lin-14和lin-41 mRNA 3’UTR不完全反义互补, 抑制lin-14和lin-41 mRNA的翻译 2001年，发现RNAi中siRNA的成熟酶Dicer也是lin-4和let-7形成所必需，提示RNAi和miRNA途径存在交叉 2002年，发现拟南芥的miRNA-39与靶基因mRNAs完全互补，并导致mRNAs在互补区中间切断提示miRNA功能只取决于它与靶mRNA 3’UTR之间的互补程度 2003年，发现pre-rRNA(核糖体RNA)的形成过程中的一类RNase III类核酸酶Drosha负责 pri-miRNAs的加工 2003年，发现pre-miRNA的出核运输依赖于Exportin-5。

2004年，发现pri-miRNAs末端有poly(A)尾；注入alpha amanitin(蝇蕈素)使人类细胞的pri-miRNAs水平剧减提示miRNAs基因由RNA polymerase II转录microRNA的产生和作用机制,1. miRNA基因在染色体上的分布,,Molecular Cell 16(6) , 2004,非编码的外显子,独立转录单元,编码蛋白质的外显子,编码蛋白质的内含子,2. miRNAs的发生和作用机制模型,(1) 核内由RNA polymerase II转录pri-miRNAs，由Drosha加工为 pre-miRNAs； (2) pre-miRNAs由Exportin-5在Ran-GTP存在下转运出核； (3) 细胞质中由Dicer剪切加工,后解链成熟为 miRNAs； (4) miRNAs与多种蛋白结合，形成RNA介导的沉默复合体(RISC)，作用于靶基mRNA的3’UTR，如果miRNA与3’UTR存在完全互补，则导致mRNA切断降解，如果互补程度不高,则引起靶mRNA翻译抑制Nat. Rev. Genet. 5(7):522-31,2004.,Cell 118(1), 2004,3. RNase III的作用特点,,,,RISC,在miRNA的加工过程中，首先合成Pri-miRNA，接着形成茎环型的中间物Pre-miRNA，在Exportin-5的作用下，将茎环型的中间物Pre-miRNA加工为双链miRNA-miRNA，双链解开后，成熟的单链miRNA随后进入RISC（RNA Induced Silencing complex）,RISC 还含有其他一些蛋白质组分，包括Vasa内含子基因蛋白质(VIG)、脆弱X蛋白的果蝇同源物(DmFXR)、Tudor-SN、潜在的RNA 解旋酶Dmp68 及Gemin3 等。

这些蛋白质成分不是RISC核酸酶活性必需的，可能具有其他作用RISC是一至少由5个分子组成的超分子结构（AGO2，VIG-1，ARMI，AUB 及FXR相关分子） 当RISC结合至mRNA时，mRNA被降解而不能被翻译其他参与RNAi的成分还有RNA依赖的RNA聚合酶、解螺旋酶、dsRNA核酸内切酶[19]以及Exportin-5等，Exportin-5介导siRNA前体的出核转运,RISC的作用机制,AGO2的作用机制,RISC中其中一个组分核酸内切酶Argonaute2（AGO2）负责依靠siRNA其中一条链去寻找互补的mRNA链，然后对其进行切割○ 第一种以线虫lin-4。