核仁小RNA的功能及其在癌癥研究中的作用（一）

為什么研究snoRNAs?

引言

核仁小RNA(snoRNAs)是一類中等長度的非編碼小RNA,它們的長度在60-300nt不等，能與核仁核糖核蛋白結合形成snoRNPs 復合物[1]。在脊椎動物中編碼核仁小RNA的基因主要存在于蛋白編碼基因或非蛋白編碼基因的內含子區域，并且經過進一步的轉錄后加工處理形成成熟的核仁小RNA[2]。snoRNAs參與的生物學過程主要有rRNA的加工處理，RNA剪接和翻譯過程的調控以及氧化應激反應[3]。近期的研究表明snoRNAs還參與到遺傳性疾病[4]、人類的變異[5]、造血[6]、代謝[7, 8]以及癌癥[3, 9]的過程中。

snoRNAs的生物合成

snoRNAs主要包含兩個家族：C/D box snoRNAs 與H/ACA box snoRNAs (Fig.1A and Fig.1B)。大多數snoRNAs主要位于由RNA聚合酶II轉錄的基因的內含子區域（Fig.1C）[9]。但snoRNAs也可以來源于長鏈非編碼RNA（lncRNA）的內含子區域。例如GAS5 編碼9個不同的C/D box snoRNAs（snoRNDs74-81）[10]。從內含子上脫離后，pre-snoRNAs進一步的被核酸外切酶處理去除兩端的多余序列，進而形成成熟的snoRNAs.。snoRNAs內部的信號序列指導snoRNAs與相應蛋白結合形成snoRNP復合物來避免被酶切，進而發揮功能。
  

Fig1: The structure and biogenesis of snoRNAs. A. The 2′-O-methylated nucleotides located five nucleotides upstream of the D or D’ box sequences are indicated as red. B. Positions and consensus sequences of the conserved C, C’ box (UGAUGA), and D, D’ boxes (CUGA). The uridine residues selected for pseudouridylation are shown as. C. Biogenesis of snoRNAs ：The great majority of mammalian box C/D and H/ACA snoRNAs are processed from pre-mRNA introns. snoRNAs families are not independently transcribed but processed from the pre-mRNA introns, in most cases by exonucleolytic digestion of the debranched lariat. Box C/D snoRNAs contain four evolutionarily conserved, essential proteins, fibrillarin (methyltransferase), Nop56, Nop58, and 15.5kDa. Proteins common to H/ACA snoRNAs include dyskerin (pseudouridine synthase), Gar1, Nhp2, and Nop10p[9].

snoRNAs的功能

snoRNAs在核糖體RNA加工過程的作用

在核糖體RNA的加工過程中，snoRNAs發揮這兩個基本的作用：核糖體RNA的2′ -O –甲基化和假尿嘧啶化[11]。核糖體RNA的2′ -O –甲基化由C/D box snoRNAs來負責。 C/D box snoRNAs 包含有兩個短的序列元件，即位于5 " 末端的box C(RUGAUGA  R代表A或G)和3" 末端的box D(CUGA)。多數box C/ D snoRNAs基因的5" 和3" 末端都有4 － 5 nt 的反向重復序列，可以形成較為穩定的短莖結構，這一結構在snoRNAs的生物合成和核仁定位過程中起關鍵作用(Fig. 1A)[12]。大部分C/D box snoRNAs的中部，還具有類似于box C 和box D 的結構，通常分別表現出 1 － 2 nt的差異，被稱為box C" 和box D"[13]。核糖體RNA的假尿嘧啶修飾主要是由H/ACA box snoRNAs來完成的。H/ACA box snoRNAs 具有保守的“發夾- 鉸鏈- 發夾- 尾(hairpin-hinge hairpin -tail ) ”的二級結構( Fig.1B)[13] 。box H (ANANNA，N 代表任一核苷酸)位于單鏈形式的鉸鏈區，ACA 則一般位于3" 末端上游3個核苷酸處。H/ACA box snoRNAs的指導序列位于單個或者兩個發夾內部的“假尿嘧啶化泡”(pseudouridylation pocket) 內，它們可以與靶RNA上的被修飾位點兩翼序列各形成4 － 8nt 的互補配對。另外還有一種比較特殊的snoRNAs- SCARNAs，只特異存在于Cajal小體中，能夠對剪接體RNA進行2′ -O –甲基化和假尿嘧啶化修飾[14]。

snoRNAs作為miRNA前體

越來越多的實驗結果表明snoRNAs可以進一步被加工形成更短片段的RNA，并且這些短片段的snoRNAs具有類似miRNA的功能，這就表明snoRNAs可能作為miRNA的前體[15]。ACA45是第一個被報道能夠被降解成短片段的snoRNAs，它是通過與Ago蛋白的相互作用被發現的，而Ago作為miRNA RISC復合物的成員，這就表明ACA45的進一步的加工處理是依賴于Dicer酶的。進一步的實驗表明，降解產生的20-22nt的短片段RNA的作用機制類似與miRNA-抑制目的基因(CDC2L6)的表達[15]。近期報道發現11個C/D box snoRNAs能夠降解形成短片段RNA從而抑制靶基因的表達[16]。

snoRNAs在可變剪切過程中的作用

snoRNAs既能作為miRNA的前體也可以調節RNA的可變性剪切。研究報道HBII-52 C/D box snoRNAs上的18個核苷酸能夠與5-羥色胺受體5-HT (2C)的mRNA序列互補配對進而通過影響5-羥色胺受體5-HT (2C)的可變剪切來調控5-羥色胺受體的表達，最終導致Prader-Willi綜合征[17]。

snoRNAs在應急反應過程中的作用

核仁是細胞應對應急反應的主要參與者。不同的壓力條件能夠導致核仁的變化甚至破壞它。據報道，snoRNAs有助于細胞應對應急反應。在缺氧條件下，SNORD14A 和SNORD83B的表達水平得到顯著提高[18]。另有報道發現，棕櫚酸酯處理能夠導致細胞中SNORDs 32A, 33, 和35A的表達水平也顯著提高。細胞對棕櫚酸酯產生抗性是由于抑制了SNORDs 32A, 33, 和35A的表達，它們介導了由誘導劑引起的細胞死亡[7]。只有在細胞應急反應的早期過程中能夠在細胞質中檢測到snoRNAs的存在。例如，在代謝壓力的早期過程中，相互獨立的snoRNAs(SNORD3, SNORD13和 SNORD118)以及它們各自的靶向mRNA在細胞質中相互依存并且調節它們的翻譯。snoRNAs參與調節的細胞過程將會更加復雜。
  

Fig2: snoRNAs參與的細胞過程[19]