rRNA、非编码RNA和调控性非编码RNA参与的基因表达调控《玩转太极拳之二十四式》作者龙殿法的生物化学笔记
核糖体RNA是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总重量的80%以上。rRNA有确定的种类和保守的核苷酸序列。rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，它将蛋白质生物合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白质因子募集在一起，为蛋白质生物合成提供了必需的场所。
原核细胞有三种rRNA，依照分子量的大小分为5S、16S和23S（S是大分子物质在超速离心沉降中的沉降系数）。它们与不同的核糖体蛋白结合分别形成了核糖体的大亚基和小亚基。真核细胞的四种rRNA也利用相类似的方式构成了真核细胞核糖体的大亚基和小亚基。
人们已经完成了rRNA的核苷酸测序，并解析了它们的空间结构。rRNA的二级结构有许多茎环结构，真核细胞18SrRNA的二级结构。这些茎环结构为核糖体蛋白结合和组装在rRNA上提供了结构基础。原核细胞16SrRNA的二级结构也有众多相类似的茎环结构。
将纯化的核糖体蛋白和rRNA在试管内混合，它们就可以自动组装成具有活性的大亚基和小亚基。大亚基和小亚基进一步组装成核糖体。大小亚基的结合区域的沟槽是mRNA的结合部位。核糖体有三个重要的部位，它们分别是A位:结合氨酰-tRNA的氨酰位；P位:结合肽酰-tRNA的肽酰位;和E位:释放已经卸载了氨基酸的tRNA的排出位o
组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
除tRNA和rRNA外，真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运以及调控基因表达。
1. 催化小RNA 催化小RNA也称为核酶，是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA统称，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。
2. 核仁小RNA snoRNA定位于核仁，主要参与rRNA的加工。tRNA的核糖C-2’的甲基化过程和假尿嘧啶化修饰都需要snoRNA的参与。
3. 核小RNA snRNA参与了真核细胞mRNA的成熟过程。一个snRNA与大约20种蛋白质组成了细胞的核小核糖核蛋白o由于它们富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。研究比较清楚的snRNA有U1、U2、U4、U5、U6和U7。它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的接点，切除内含子。这些snRNA的5’-端有一个与mRNA相类似的5’-帽结构。
4. 胞质小RNA scRNA存在细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能。例如，SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成。
调控性非编码RNA参与了基因表达调控
调控性非编码RNA按其大小分为非编码小RNA（sncRNA）、长非编码RNA（lncRNA）和环状RNA（circRNA）。虽然这一类RNA通常不编码蛋白质，但是它们仍然表现出了许多重要的生物学功能:转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等，因此，在胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及在疾病的发生和发展进程中都有非编码RNA的参与。
（一）非编码小RNA的特征和作用
通常认为，sncRNA的长度小于200nt。sncRNA包括微RNA（miRNA）、干扰小RNA（siRNA）和piRNAo
微RNA是近年来研究较多的内源性sncRNA，它在真核生物中大量存在，长度在20~25nt之间。在细胞核中，编码miRNA的基因由RNA聚合酶Ⅱ转录生成长度约为几千个碱基的初级转录本pri-miRNA。在细胞核内，pri-miRNA在蛋白质复合体的作用下经过了第一次的加工。这个蛋白质复合体由Drosha和Pasha两个蛋白质组成，它们分别是RNaseⅢ蛋白和双链RNA结合蛋白。pri-miRNA在Drosha的作用下被加工成含有60-70nt具有发夹结构的miRNA前体opre-miRNA在RanGTP/Exportin-5转运蛋白的协助下从核内转运到细胞质中。在细胞质中，pre-miRNA被RnaseⅢ酶家族中的成员Dicer所识别，并通过对茎环结构的剪切和修饰，在细胞质内形成大约20个碱基对长的miRNA:miRNA*双链。这种miRNA:miRNA*双链与Argonaute家族蛋白形成RNA诱导的沉默复合体，其中的miRNA*被降解，miRNA则被保留在miRISC中，最终形成成熟的单链miRNAo
微RNA对基因表达的调控作用表现在转录后水平上，主要是通过两种机制下调靶基因的表达。这两种机制的选择主要取决于miRNA与靶基因mRNA序列的互补程度。如果miRNA与靶基因mRNA完全互补，miRNA将与靶基因mRNA的可读框中的序列形成完全互补的RNA双链，miRISC将双链中的mRNA降解，沉默基因转录后的表达。如果miRNA与靶基因mRNA不完全互补，则miRNA将与靶基因mRNA的3’非翻译区的序列形成非完全互补的杂交双链，miRISC紧紧地结合在杂交双链上，特异性地抑制基因表达。miRNA参与了细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多种过程。
siRNA有内源性和外源性之分，内源性siRNA是由细胞自身产生的。外源性siRNA来源于外源入侵的基因表达的双链RNA，经Dicer切割所产生的具有特定长度和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以与AGO蛋白结合，并诱导这些mRNA的降解。siRNA还有抑制转录的功能。利用这一机制发展起来的RNA干扰技术是用来研究基因功能的有力工具。
piRNA是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的一类长度约为30nt的小RNA。这类小RNA与PIWI蛋白家族成员结合才能发挥其调控作用，故称为piRNA。piRNA主要存在哺乳动物生殖细胞和干细胞中，通过与PIWI蛋白家族成员结合形成piwi复合物来调控基因沉默。
(二) 长非编码RNA的特征和作用
长非编码RNA是一类长度为200~100000个核苷酸的RNA分子。它们不编码任何蛋白质。以前它们被认为是基因组转录过程中的“噪声”而被忽略掉，现在越来越多的证据表明它们是一类具有特殊功能的RNA。
IncRNA由RNA聚合酶II转录生成，经剪切加工后，形成具有类似于mRNA的结构。IncRNA有poly尾巴和启动子，但序列中不存在可读框。IncRNA可以来源于蛋白质编码基因、假基因以及蛋白质编码基因之间的DNA序列。IncRNA定位于细胞核内和细胞质内。IncRNA具有强烈的组织特异性与时空特异性，不同组织之间的IncRNA表达量不同，同一组织或器官在不同生长阶段，IncRNA表达量也不同。
IncRNA的作用机制有以下几种:①结合在编码蛋白质的基因上游启动子区，干扰下游基因的表达;②抑制RNA聚合酶H或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达;③与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，干扰mRNA的剪切，形成不同的剪切形式;④与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，在Dicer酶的作用下产生内源性siRNA;⑤与特定蛋白质结合，IncRNA转录本可调节相应蛋白质的活性;⑥作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；⑦结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位;⑧作为小分子RNA的前体分子。由此可见，lncRA具有调控的多样性，可从染色质重塑、转录调控及转录后加工等多个层面上实现对基因表达进行调控。
长非编码RNA与人类疾病的发生密切相关，现已得知，包括癌症以及退行性神经疾病在内的多种严重危害人类健康的重大疾病都与长链非编码RNA的序列和空间结构的异常、表达水平的异常、与结合蛋白相互作用的异常等密切相关。
(三) 环状RNA的特征和作用
2012年，美国科学家在研究人体细胞的基因表达时，首次发现了环形RNA分子。截至目前，人们已经在哺乳动物转录组中发现了数以千计的环状RNA，这似乎表明环状RNA而非线性RNA分子是
更普遍的现象。环状RNA是一类特殊的RNA分子。与传统的线性RNA不同，circRNA分子呈封闭环状结构，没有5’-端和3’-端，因此不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解。已知的circRNA分子或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分。circRNA几乎完全定位于细胞核中。circRNA具有序列的高度保守性，具有一定的组织、时序和疾病特异性。由于circRNA的首尾连接，没有尾巴，因此circRNA容易在传统的分离过程被丢弃掉。这是为什么以前circRNA一直没有被发现的主要原因。
小鼠、人类和斑马鱼的各个组织都可以表达circRNA分子，这些circRNA分子富含miRNA的结合位点，在细胞中起到miRNA海绵的作用，通过结合miRNA，进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用，升高靶基因的表达水平，产生相应的生物学效应，这一作用机制被称为竞争性内源RNA机制。通过与疾病关联的miRNA相互作用，circRNA在疾病中发挥着重要的调控作用。这说明circRNA很可能就是一类新的调控性內源竞争性RNA，从而使得环状RNA在作为新型临床诊断标记物的开发应用上具有明显优势。