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非编码RNA之snRNA和snoRNA最新研究进展

来源:本站原创 2017-10-31 20:34

2017年10月31日/生物谷BIOON/---细胞内有小核RNA(small nuclear RNA, snRNA)。它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体(spilceosome)的主要成分。现在发现有五种snRNA,其长度在哺乳动物中约为100-215个核苷酸。snRNA一直存在于细胞核中,与40种左右的核内蛋白质共同组成RNA剪接体,在RNA转录后加工中起重要作用。

小核仁RNA(small nucleolar RNAs, snoRNA)是一类中等长度的非编码小RNA,它们的长度在60-300nt不等,能与核仁核糖核蛋白结合形成snoRNP复合物。在脊椎动物中编码snoRNA的基因主要存在于蛋白编码基因或非蛋白编码基因的内含子区域,并且经过进一步的转录后加工处理形成成熟的snoRNA。snoRNA参与的生物学过程主要有rRNA的加工处理,RNA剪接和翻译过程的调控以及氧化应激反应。近期的研究表明snoRNA还参与到遗传性疾病、人类的变异、造血、代谢以及癌症的过程中。

1.上海生科院等首次绘制哺乳动物大脑snRNA和snoRNA表达图谱
doi:10.1093/gbe/evw038

图片来自Genome Biology and Evolution, doi:10.1093/gbe/evw038

2016年3月23日,国际学术期刊Genome Biology and Evolution 发表了中国科学院上海生命科学研究院计算生物学研究所Philipp Khaitovich研究组的研究论文“Changes in snoRNA and snRNA abundance in the human, chimpanzee, macaque and mouse brain”。该研究首次绘制了哺乳动物大脑snRNA和snoRNA表达图谱,发现哺乳动物大脑snRNA和snoRNA表达水平存在广泛差异。

snRNA和snoRNA是功能和进化保守的转录调控元件,但长期以来缺乏其在人脑转录组水平的系统研究。Philipp Khaitovich研究组与俄罗斯莫斯科大学教授Mikhail S. Gelfand合作,利用高通量测序技术系统地测定了人、黑猩猩、恒河猴和小鼠大脑前额叶皮质组织中snRNA和snoRNA的表达量,通过比较分析发现snRNA和snoRNA在基因家族水平上非常保守,但是其中U1和SNORA29表达量在人脑中却发生了巨大变化。SNORA29 在人脑中表现为特异表达缺失,并且实验发现SNORA29在非人灵长类的神经元中特异表达,提示其在人脑认知功能形成中的潜在作用。同时,该研究发现与mRNA的表达主要受启动子调控不同,二级结构稳定性是snoRNA表达调控的重要机制。

该研究是对snRNA和snoRNA在人脑进化中作用的多物种系统性研究,对于探寻人脑认知功能的分子调控机制具有重要意义。

2.Cell:研究发现负责处理snRNA的新蛋白
doi:10.1016/j.cell.2005.08.019


我们知道对mRNA进行处理、拼接的蛋白称为剪接体(spliceosome)。而剪接体本身需要一些小核RNA(small nuclear RNA,snRNA)参与。这些snRNA不会翻译出任何蛋白,但是对于调控遗传活动起到重要作用。它是如何加工产生的一直是个迷,最近来自Wistar研究所的研究人员解开了这个迷题。他们发现了一种新的、负责处理snRNA的蛋白,这种蛋白被命名为整合体(Integrator)。文章发表在10月21日的Cell杂志上。

在最新的研究中,研究人员发现了一种多蛋白的复合物,起名为整合体(Integrator)。整合体在加工snRNA过程中起到重要作用,它一方面结合了RNA聚合酶的CTD部位,另一方面结合了snRNA基因。整合体在这里起到桥梁的作用,它连接着RNA聚合酶的CTD部位和目的基因,在snRNA被转录出来后通过整合体可以加工成为成熟的snRNA,等待被运输到胞质中包装到剪接体中。 非常有趣的是,这个整合体至少包含12个亚基,每个亚基都是以前从来没有发现过的。据分析,整合体在进化上表现为一个保守的复合物,在人类、蠕虫和果蝇身上都可以找到。

3. Cell: snRNA修饰酶可调控可变剪接和SAM合成
doi:10.1016/j.cell.2017.05.003

在一项新的研究中,来自美国和中国的研究人员发现了RNA修饰酶 METTL16 的新的底物:U6 snRNA 和 MAT2A 3'UTR中保守的发夹结构hp1。在 SAM 充足的条件下,METTL16 可快速结合到hp1,甲基化以后快速解离,因此主要倾向于产生内含子保留型的 isoform;在 SAM 缺乏的情况下,METTL16 不能很有效地甲基化(酶的周转效率不足),METTL16 在 hp1 上的停留时间增加,可促进 SAM 合成酶 MAT2A 的可变剪接(Intron Retention),从而调控细胞内 SAM 含量的稳态。

4.Nature:揭示U6 snRNP在pre-mRNA剪接中的作用
doi:10.1038/nature12803


前体信使RNAs (pre-mRNAs) 被剪接体(它由五个被称为snRNPs的子复合物组成)和其他辅助因子处理。每个snRNP含有一个由7个成分构成的蛋白环结构和一个相关的RNA分子。施一公及同事获得了U6 snRNP的Lsm蛋白环在有和没有一个包含U6 snRNA的3′端的 RNA两种情况下的晶体结构。这些数据揭示了RNA末端的四个尿嘧啶是怎样被几个U6 Lsm蛋白识别的,也将这些相互作用与Sm蛋白在其他snRNPs中与RNA的接触区分了开来。

5. Nat Genet:一种管家型snoRNA分子是著名癌分子K-RAS的开关
doi:10.1038/ng.3452

研究人员发现一对原以为只是充当细胞管家的RNA分子,在超过四分之一的常见人类癌症中缺失。相关研究结果发表在在11月23日《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上。斯坦福大学医学院的研究人员Siprashvili Z是这项研究的资深作者。主要作者是斯坦福高级研究员Zurab Siprashvilli博士。

研究人员研究的RNAs是。Siprashvilli和同事们则对了解一类称作为小核仁RNA(snoRNAs)的非编码小RNA分子在人类癌症形成中所起的作用感兴趣。

为此,他们比较了21种不同癌症类型中的5,473个肿瘤基因组及周围正常组织的基因组。在许多方面,癌细胞代表了生物学的西部荒原。这些细胞在缺乏正常生物检查点的情况下放肆地分裂,由此它们以比正常高得多的速度发生突变或丧失基因。随着基因组中不断累积错误,事情变得越来越失控。

研究人员发现在12种常见人类癌症,包括皮肤癌、乳腺癌、卵巢癌、肝癌和肺癌中,10-40%的肿瘤缺失一对称作为SNORD50A/B的snoRNAs。他们指出肿瘤缺失SNORD50A/B的乳腺癌患者,和相比正常组织,肿瘤中这些RNAs分子水平降低的皮肤癌患者,比同类患者存活下来的可能性更小。

Siprashvilli着手寻找了更多有关KRAS和SNORD50A/B互作的信息。他发现当他在实验室中培养的人类黑色素瘤和肺癌细胞中删除SNORD50A/B时,细胞更快速地分裂,显示出更多的癌性状。

最后,他们证实当SNORD50A/B结合KRAS时,它会抑制KRAS蛋白结合一种称作为法尼基转移酶(farnesyltransferase)的活化分子的能力。法尼基转移酶改变KRAS蛋白使得它能够去到细胞膜等待外部生长及分裂信号。

Khavari 说:“通常情况下,SNORD50A/B和法尼基转移酶协同作用来平衡KRAS的功能,使得它能够适当响应外部信号。当缺失SNORD50A/B时,平衡会向着KRAS过度激活倾斜。”

6. Science:首次研究单个基因中不同的突变组合对细胞存活的影响
doi:10.1126/science.aaf0965

在一项新的研究中,来自英国爱丁堡大学的研究人员揭示出上千个基因突变如何影响细胞的存活机会。相关研究结果于2016年4月14日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Network of epistatic interactions within a yeast snoRNA”。该研究得到英国医学研究委员会(MRC)和惠康基金会的资金资助。

这项涉及酵母的研究揭示出在单个基因(即U3 snoRNA)中的不同突变组合如何能够影响细胞存活或死亡。

在这项研究中,研究人员生产60000个酵母菌株,其中每个酵母株在基因U3(编码一种核仁小分子RNA )中具有不同的突变组合。

他们然后观察这些酵母细胞以便发现这些突变对它们的存活产生什么影响,以及不同的基因突变组合是否有助酵母变得更好或更坏。

在一些情况下,不同突变的影响相互抵消,酵母细胞存活下来。其他突变的影响叠加在一起,从而极大地降低酵母细胞的生存机会。

这项研究发现,具有最大组合影响的基因突变在酵母细胞DNA的三维结构中往往彼此在位置上比较接近。

7. 我国科学家发现一种snoRNA抑制mRNA 3’末端加工
doi:10.1093/nar/gkx651


在一项新的研究中,我国中山大学医学院生物教研室的姚成果团队与美国加州大学欧文分校的Yongsheng Shi教授团队通过生化分析和大规模测序,发现mRNA 3'末端加工复合体和部分snoRNA相互作用。相关研究结果于2017年7月26日在线发表在Nucleic Acids Research期刊上,论文标题为“A snoRNA modulates mRNA 3’ end processing and regulates the expression of a subset of mRNAs”。

这些研究人员对其中的一种snoRNA---富含U/A的SNORD50A---进一步开展体外实验和体外实验,结果表明SNORD50A在mRNA 3'末端加工中主要发挥着一种竞争性抑制的用,并最终影响mRNA水平的表达。

8. 生物物理所揭示RNA剪接复合体核心组分snRNP的组装机制
doi:10.1101/gad.291377.116

2016年11月10日,《基因与发育》(Genes & Development)杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所许瑞明研究组关于剪接复合体核心组分snRNP组装机制的研究进展,文章题为Structural basis for snRNA recognition by the double-WD40 repeat domain of Gemin5。

前体mRNA剪接是一个高度动态的复杂过程,随着剪接反应的进程剪接体复合物随之重组和解离。剪接体组装的基石是5种富含尿嘧啶的小核核糖核酸-蛋白质复合物(U1,U2,U4/ U6和U5 snRNP),它们的核心分别由各自的小核RNA (snRNA)以及结合在其保守Sm序列上的七个不同Sm蛋白所组成。snRNP的正确组装是RNA剪接复合体形成的必要前提,然而其中的分子机制并不清楚。

在体内,snRNP的组装需要SMN复合物的参与。SMN复合物中的SMN和Gemin2结合Sm蛋白,Gemin5结合snRNA。目前关于后者的机制认识缺乏,揭示Gemin5与snRNA的作用方式和识别特征,对于全面了解SMN复合物介导snRNP组装的分子机制具有重要意义。

许瑞明研究组通过体外生化实验确定了Gemin5与U4 snRNA的结合区域,并解析了1.9 Å分辨率的Gemin5蛋白N端与snRNA底物的复合物晶体结构。结构显示,Gemin5蛋白N端形成双7叶β-螺旋桨状WD40结构域,横跨这两个WD40顶端的连续的碱性区域结合了U4 snRNA中Sm序列的前六个碱基。研究还发现紧邻Sm序列5’端的一个腺嘌呤对于蛋白的结合也起到重要作用。针对相关氨基酸残基和碱基的一系列定点突变实验结果验证了Gemin5与snRNA之间的序列特异性结合模式,并提示了介导两者相互作用的关键因素。

9.Nature:剪接体U4/U6.U5 tri-snRNP的结构
doi:10.1038/nature14548


U4/U6.U5tri-snRNA是一种1.5兆道尔顿的组装前剪切体复合体,由U5核内小RNA(snRNA),大范围碱基配对的U4/U6snRNA,以及30余种蛋白质构成(包括核心成分Prp8,Brr2和Snu114)。前体信使RNA底物与U1和U2核内小核糖体蛋白质颗粒(snRNPs)结合,tri-snRNP与之相联合,并在U4和U6(U4/U6)snRNA解旋触发下,发生大量组成和构象上的改变,转化为催化活性剪切体。本文使用冷冻电子显微镜术,在5.9埃(Å)分辨率下对酿酒酵母的tri-snRNP进行单颗粒重建,以揭示其RNA和蛋白质组分的基本完整组构。U4snRNA 3‘茎环与U4/U6snRNA茎环I间的单链区为解旋而进入Brr2解旋酶活性部位。Snu114和Prp8 的氨基末端结构域置于U5snRNA处以将环I插入Prp8活性位点腔,其中环I排列着剪切相关的外显子。该结构为剪接体的激活过程和活性位点提供了重要视角。

10. 国内长非编码RNA又一篇Cell!9张图带你看完sno-lncRNA的研究历程
doi:10.1016/j.cell.2017.04.011

5月4日,上海生化所的陈玲玲研究员在cell上发表题为《SLERT Regulates DDX21 Rings Associated with Pol I Transcription》的文章,该研究揭示了长非编码RNA SLERT通过松弛DDX21的环形结构,从而促进Pol I转录 rRNA的重要作用。

值得注意的是,SLERT是一个sno-lncRNA。Sno-lncRNA是一类新型的长非编码RNA,它们的序列中包含完整的snoRNA序列,并且该序列对sno-lncRNA的稳定性和亚细胞定位至关重要。sno-lncRNA在2012年由陈玲玲课题组率先鉴定出来,至今,已有3篇有关sno-lncRNA功能的文章在顶级期刊上发表,均出自该课题组。

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