非編碼RNA的解釋及其在生物醫學研究的應用

目錄了解非編碼 RNAncRNA的分類與作用管家 ncRNA：調節性 ncRNA： 小 ncRNA：長非編碼 RNA (lncRNA)：探索癌症生物學中 miRNA 的複雜性miRNA 在癌症中的作用研究 ncRNA 的工具

RNA 常常被其更著名的表親 DNA 所掩蓋。傳統上，我們認為 RNA 是蛋白質的藍圖，攜帶 DNA 的指令，將其轉化為生命的組成部分。然而，這並不是故事的全部。一類 RNA 分子通常被稱為「沉默調節因子」—非編碼 RNA (ncRNA)。

了解非編碼 RNA

ncRNA 是一類不同的 RNA 分子，從 DNA 轉錄而來，但不翻譯成蛋白質。儘管 ncRNA 不參與蛋白質編碼，但它們構成了細胞 RNA 池的重要組成部分。事實上，它們可佔真核細胞總 RNA 含量的 70% 至 90% 或更多。這種流行強調了它們在細胞調節和功能中的關鍵作用，與負責蛋白質合成的信使 RNA (mRNA) 不同。

ncRNA的分類與作用

圖 1：ncRNA 的類型

ncRNA 依其生物學作用大致分為兩類：管家 RNA 和調節 RNA。

管家 ncRNA：

看家 ncRNA 是在細胞中廣泛表達的基本成分。它們主要監督基本的細胞功能。範例包括：

核醣體 RNA (rRNA) 和轉移 RNA (tRNA)： 這些分子構成了哺乳動物細胞中大部分的 ncRNA，在蛋白質合成中扮演著不可或缺的角色。

小核 RNA (snRNA) 和小核仁 RNA (snoRNA)： snRNA 和 snoRNA 對於內含子剪接、RNA 加工和核醣體 RNA 修飾至關重要，對細胞維護有顯著貢獻。由於尺寸緊湊，兩者也被歸類為小型 ncRNA。

調節性 ncRNA： 與管家對應物相比，調節性 ncRNA 在表達和功能上表現出顯著的多樣性。它們進一步分為小ncRNA（< 200 nt）和長ncRNA（> 200 nt）。

小 ncRNA:

此類別包含多個類別，包括：

微小RNA (miRNA)： 這些單鏈分子通常長 18-22 個核苷酸，透過靶向 mRNA 在轉錄後調節基因表達，導致翻譯抑製或降解。 miRNA 在發育、細胞增殖、分化和疾病發病機制中發揮關鍵作用。

小幹擾 RNA (siRNA)： siRNA 是雙股 RNA 分子，長度約 20-25 個核苷酸，可高度特異性地介導 RNA 幹擾，使其成為基因沉默和治療介入的寶貴工具。

Piwi 交互作用 RNA (piRNA)： 這些 24-31 個核苷酸長的 ncRNA 是動物特有的，通常透過與 PIWI 蛋白結合在轉錄和轉錄後層級上調節基因表現。

長非編碼 RNA (lncRNA)：

lncRNA長度超過200個核苷酸，通常摺疊成三維結構，具有多種調控功能。範例包括：

基因間 lincRNA、內含子 ncRNA、正義與反義 lncRNA、雙向 ncRNA： 這些亞類透過基因組位置、作用機製或對 DNA 標靶的影響來描述，例證了 lncRNA 在轉錄、轉錄後和表觀遺傳層面上調節基因表現的多功能性。

天然反義轉錄物 (NAT)： 作為其他 RNA 分子的補充，NAT 透過與有義 RNA 對應物結合來調節基因表現和功能，影響其活性。

環狀 RNA (circRNA)： 憑藉其閉環結構，circRNA 高度穩定，可抵抗降解並發揮多種作用——充當 microRNA 海綿、RNA 結合蛋白隔離物或轉錄和剪接的調節劑。 CircRNA 參與多種生物過程，包括細胞增殖、分化、老化以及癌症和神經系統疾病等各種疾病的發病機制。探索癌症生物學中 miRNA 的複雜性

miRNA 是研究最多的 ncRNA，是一類普遍存在的 ncRNA，複雜地參與基因表現的調控。研究已經闡明了它們在許多疾病中的普遍作用，特別是癌症，它們的失調很常見。在複雜的癌症生物學領域，miRNA 作為雙重角色出現，表現出腫瘤抑制和致癌特性。此外，miRNA 生物合成的關鍵因素與多種癌症有關。 miRNA 失調及其相關生物遺傳機制的這種融合強調了 miRNA 對癌症的發生、進展和治療反應的深遠影響。值得注意的是，miRNA 與癌症的特徵有著錯綜複雜的聯繫，包括持續增殖、逃避生長抑制劑、抵抗細胞死亡、血管生成、侵襲和轉移，進一步凸顯了它們在塑造惡性表型方面的多方面參與。

圖 2：microRNA 與癌症特徵之間的關聯。 每個標誌都顯示了影響某些類型癌症中特定細胞功能的 microRNA 的三個例子。圖片來源：Pichler M 與 Calin GA， doi：10.1038/bjc.2015.253轉載下 知識共享許可

miRNA 在癌症中的作用

腫瘤發生： miRNA 透過充當腫瘤抑制基因或癌基因，在癌症發展中發揮關鍵作用。例如，miR-34 透過下調參與細胞週期進展的基因發揮腫瘤抑制因子的作用，從而抑制不受控制的細胞分裂，這是癌症的一個標誌。相反，像 miR-21 這樣的致癌 miRNA 透過靶向調節細胞週期抑制劑或凋亡激活劑的基因來促進腫瘤發生，從而培育促癌環境。

轉移： 癌症擴散到遠端器官（稱為轉移）是治療的重大挑戰。 miRNA 透過調節上皮-間質轉化 (EMT) 顯著影響這一過程，EMT 是一種細胞轉化，上皮細胞獲得間質細胞的遷移和侵襲特性。例如， miR-10b，由 EMT 促進因子 Twist1 控制，促進轉移，在轉移性乳癌中表達升高。

此外，研究人員正在探索 miRNA 特徵——一組獨特的 miRNA，有可能預測腫瘤的轉移潛力。識別這些特徵可以為了解癌症侵襲性提供有價值的見解並指導治療決策。

生物標記： 可靠的癌症生物標記至關重要，而 miRNA 則顯示出巨大的潛力。它們在體液中的穩定性使它們成為非侵入性檢測方法的有吸引力的目標。調查中 具體套裝 miR10b、miR-135b、miR-196a 和 miR-203 等 miRNA 的研究有望用於各種癌症的早期癌症檢測和預後。

化學抗藥性： 化療抗藥性會導致治療無效，而miRNA在調節腫瘤細胞的藥物敏感性中發揮關鍵作用。它們可以透過以下方式促進化學抗藥性： 各種機制，包括影響腫瘤幹細胞、促進血管生成、改變藥物標靶、調節抗藥性相關蛋白。了解 miRNA 如何影響化療抗藥性對於識別高風險患者和製定克服此挑戰的策略至關重要。此外，miRNA 譜可以預測患者產生化療抗藥性的可能性，從而實現個人化治療方法。

治療潛力： 基於 miRNA 的療法代表了癌症治療的變革性方法。一種策略是使用合成的 miRNA 模擬物替換下調的腫瘤抑制 miRNA，以恢復其功能並抑制癌細胞生長。例如，合成 miR-34a 類似物 儘管安全性問題導致臨床試驗終止，但已在小鼠模型中顯示出抗腫瘤作用。另一個有前景的策略是利用 miRNA 拮抗劑來阻斷致癌 miRNA 的功能。例如， 抗miR-10b 臨床前研究已證明可抑制乳癌轉移。雖然基於 miRNA 的療法尚處於早期階段，但它們在未來的癌症治療中具有巨大的潛力。

研究 ncRNA 的工具

ncRNA 的研究需要多種複雜的工具和技術來分離、表徵和分析這些難以捉摸的分子。在這裡，我們深入研究了該領域研究人員使用的一些關鍵方法：

1.RNA分離： 分離 RNA 是研究 ncRNA 的基礎步驟。苯酚-氯仿萃取、柱純化試劑盒和自動化平台等技術使研究人員能夠從各種來源（包括細胞、組織和生物體液）中提取高品質的總 RNA。此分離過程對於後續分析至關重要，包括定量 PCR (qPCR)、微陣列分析和 RNA 定序。

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2.定量PCR（qPCR）： 定量 PCR 是定量 ncRNA 表現量的基礎技術，具有高特異性和敏感性。 qPCR 利用螢光標記探針或 DNA 結合染料，能夠準確測量生物樣本中的 ncRNA 豐度。針對特定 ncRNA 的客製化設計引子使研究人員能夠量化它們在不同實驗條件或疾病狀態下的表達，從而為它們在細胞過程和病理學中的作用提供有價值的見解。

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3.RNA測序： RNA 定序 (RNA-seq) 徹底改變了轉錄組學領域，允許以高通量方式全面分析 ncRNA 表現。這種新一代定序技術能夠辨識已知和新型 ncRNA、差異性表現分析以及 RNA 亞型的特性。 RNA-seq 資料集提供了對 ncRNA 轉錄組的複雜性和動態的深入了解，有助於發現調控網絡和疾病相關特徵。

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4.Northern印跡： Northern 印跡仍然是分析 RNA 表現和大小分佈的經典技術。雖然與 qPCR 和 RNA-seq 相比不太常用，但 Northern blotting 在檢測特定 ncRNA 物種並評估其豐度和分子量方面具有優勢。透過使用與目標 ncRNA 互補的標記探針，Northern 印跡可提供不同實驗條件或組織中 ncRNA 表現模式的定性和半定量資訊。

Croyez 高範圍 RNA Ladder

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5. 螢光原位雜交（FISH）： 螢光原位雜交能夠實現細胞或組織內 ncRNA 的可視化和定位。透過使用與特定 ncRNA 序列互補的螢光標記探針，FISH 使研究人員能夠在空間上繪製 ncRNA 表現模式和亞細胞分佈圖。該技術為 ncRNA 的空間調控及其在細胞組織和功能中的潛在作用提供了寶貴的見解。

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6.生物資訊學工具： 生物資訊學在分析和解釋實驗測定產生的 ncRNA 數據方面發揮關鍵作用。計算工具和演算法有助於 ncRNA 發現、ncRNA 標靶預測、功能註釋和路徑分析。這些工具使研究人員能夠整合不同的數據集、識別調控網絡並揭示 ncRNA 和細胞過程之間複雜的相互作用。

結論

總之，我們對 RNA 的探索揭示了比最初描述的簡單信使分子更豐富的景觀。以 miRNA 為代表的 NcRNA 表現出調節基因表現和影響複雜細胞過程的非凡能力。如同所討論的，miRNA 在癌症生物學中表現出令人著迷的雙重性，既充當腫瘤抑制基因，又充當癌基因。它們作為早期癌症檢測和基於化療抗藥性譜的個人化治療策略的強大生物標記的潛力為未來的臨床應用帶來了巨大的希望。

揭開這個錯綜複雜的世界的秘密需要專門的工具。值得慶幸的是，研究人員開發了一套複雜的生物資訊工具和濕實驗室技術，專門用於研究 ncRNA。這些工具使科學家能夠分離、定序和分析這些不同分子的表達模式，從而更深入地了解它們在健康和疾病中的作用。

毫無疑問，在這些不斷發展的工具的推動下，對 ncRNA 功能複雜性的進一步研究將繼續揭示它們對人類健康和疾病的深遠影響，為新型治療幹預措施鋪平道路。

參考

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