自1958年分子生物学领域的“中心法则”被提出以来，多种类型的RNA相继被发现。其中，信使RNA（mRNA）扮演着将DNA中的遗传指令传递给蛋白质的关键角色，而这一过程得到了诸如小核RNA（snRNA）、核糖体RNA（rRNA）以及转运RNA（tRNA）等管家非编码RNA（ncRNA）的协助。在过去的四十年间，一系列具有调节基因表达功能的ncRNA逐渐成为基因调控网络中的核心成员。在这些调节性非编码RNA中，小RNA（small RNA）和长非编码RNA（lncRNA）是当前研究最为深入的两种类型，它们对RNA生物学乃至其他相关领域产生了深远的影响。尽管small RNA的作用机制已经相对清晰，但lncRNA则展现出更为多样化的作用模式，其详细机制仍待进一步探索。
为庆祝Cell杂志创刊50周年，2024年11月14日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的陈玲玲研究员与韩国首尔大学的V. Narry Kim教授受邀在Cell上发表了一篇题为Small and Long Noncoding RNAs: Past, Present, and Future的综述，全面而深入地回顾了small RNA与lncRNA从最初发现至今的历程，详细梳理了它们在作用机制上的研究进展，以及对这些RNA在生理与病理学功能上的认识。同时，文章还前瞻性地探讨了非编码RNA领域未来可能的研究方向，为读者呈现了一幅清晰且富有洞察力的知识画卷。
在早期ncRNA的研究历程中，有几个重要的里程碑事件。在大肠杆菌中，科学家们首次发现了具有调控功能的ncRNA——micF，它通过与特定的mRNA配对来调节基因表达。另一个值得注意的细菌ncRNA是6S RNA，它能够与RNA聚合酶的sigma 70亚基结合，从而干扰转录过程。在真核生物领域，lncRNA H19的发现标志着lncRNA研究的开端。H19是一种母系印记的转录本，虽然具有mRNA的特征，但并不具备编码蛋白质的能力。此外，早期在植物中观察到的基因沉默现象，以及在秀丽隐杆线虫中发现的lin-4和let-7 miRNAs，都进一步证明了small RNA在基因调控中的重要作用，并确立了RNA干扰（RNAi）这一重要机制。这些发现不仅揭示了small RNA在不同物种和生物过程中的普遍性和相似性，还极大地扩展了我们对真核生物基因调控机制的理解。small RNA和lncRNA在基因调控中展现出的多样性和复杂性，为后续的研究奠定了坚实的基础。
图1.sRNA和lncRNA的关键发现
miRNAs作为small RNA类ncRNAs的一种，通过与Ago家族蛋白结合，指导目标核酸的沉默，这一过程可能起源于真核生物的共同祖先，用于防御外来遗传物质。动物中存在多种small RNA类型，其中miRNA对体细胞和生殖细胞系的发展至关重要。相比蛋白编码基因或miRNAs，lncRNAs的进化保守性更为复杂，部分lncRNAs在远缘物种间保守性低，但部分lncRNAs则保守或快速进化，可能与它们在物种特异或谱系特异角色中的协同演化有关。
图2.sRNA和lncRNA的进化特征和保守性
miRNA的生物合成始于RNAPII转录产生的长初级转录本，经过Drosha和Dicer两个RNase III型酶的加工成为成熟miRNA。miRNA基因启动子与编码基因启动子相似，可实现精细的转录调控。此外，miRNA的多种RNA修饰，如非模板化的尿苷酸化和腺苷酸化，主要发生在前体阶段，影响Dicer加工，进而显著影响miRNA的生物合成和功能。
图3.sRNA和lncRNA的生物合成
miRNA主要通过与目标mRNA的“种子”区域配对来抑制转录后表达，有效靶向需超过6个核苷酸匹配。miRNA根据互补程度以不同模式进行基因沉默。相比之下，lncRNA的作用机制更复杂多样，涉及RNA与蛋白质、DNA和其他RNA的相互作用，在染色质结构、转录调控等多个方面发挥作用，如XIST在X染色体失活、NEAT1在核旁斑点形成、以及NORAD在DNA损伤响应中的角色。
图4. lncRNA的作用模式
部分lncRNAs在生物合成过程中可作为miRNA前体，经Drosha和Dicer酶处理生成成熟miRNA，如H19 lncRNA产生两种miRNA。此外，lncRNAs还可能影响miRNA加工。功能上，有些lncRNAs能吸附miRNA，解除其对靶基因的抑制，尽管这一作用在生理条件下的效果仍有争议。这些相互作用展示了small RNA和lncRNA在基因表达调控中的复杂性和多样性。
ncRNA包括small RNA、lncRNA和circRNA，是基因调控的关键因子，影响多种生物学功能，其功能异常与疾病密切相关。ncRNA失调可能由遗传、表观遗传或转录因子障碍引起，且其在疾病组织中的表达或活性与健康组织不同，有望成为疾病生物标志物。目前，ncRNA在癌症、心血管疾病等重大疾病中的作用正被广泛研究，未来可能成为治疗新靶点。
图6.ncRNA的病理生理作用
随着技术的飞速进步和跨学科研究的深入，我们对ncRNA的理解正以前所未有的速度扩展，迎来了一个崭新的时代。从small RNA到lncRNA，这些曾经神秘的分子正逐渐揭开它们复杂而迷人的面纱。
近年来，一系列创新技术如改良的RNA探针、荧光RNA适配体、CRISPR-Cas系统以及超分辨率显微镜等，使研究人员能够动态可视化丰富的lncRNA，深入揭示以RNA为中心的亚细胞结构和生物过程。同时，单细胞RNA测序和空间转录组测序技术的突破，使研究人员能够在原始组织和分子环境中对mRNA和ncRNA进行全面分析，进一步加深我们对ncRNA生物学的理解。
尽管lncRNA因其结构不稳定、易受RNA酶影响以及具有免疫原性而面临治疗手段发展的挑战，但其在病理生理过程中的关键作用以及潜在的治疗应用前景仍然令人振奋。随着对lncRNA功能和结构的深入理解，以及化学修饰、递送技术的不断进步，结合这些前沿技术，相信未来会有更多针对疾病或组织特异性lncRNA的创新治疗手段问世。
下一篇文章将为您介绍华大时空组学基于随机探针技术开发的时空转录组FFPE产品方案，该方案可同时实现mRNA和ncRNA的原位捕获。同时为您展示该方案在肺癌FFPE样本中对ncRNA的应用探索案例。敬请关注。
参考文献：Chen LL, Kim VN. Small and long non-coding RNAs: Past, present, and future. Cell. 2024 Nov 14;187(23):6451-6485. doi: 10.1016/j.cell.2024.10.024. PMID: 39547208.
内容 | 赵芳、康芮
审核 | 庄雯、黎晓玲
