人类基因组的大部分被转录成不编码蛋白质的RNA这一发现从根本上改变了我们对基因调控的理解。非编码 RNA (ncRNA) 构成了一类丰富多样的调节分子，可在多个水平上控制基因表达，从染色质重塑和转录到 mRNA 稳定性和翻译。它们的失调会导致多种疾病，包括癌症、神经系统疾病和心血管疾病。

微小RNA

MicroRNA (miRNA) 是大约 22 个核苷酸的小 ncRNA，通过与目标信使 RNA 的 3 个非翻译区 (UTR) 中的互补序列结合来调节转录后基因表达。 miRNA 基因由 RNA 聚合酶 II 转录为含有发夹结构的初级 miRNA (pri-miRNA)，它们在细胞核中被微处理器复合体 (Drosha 和 DGCR8) 裂解，释放出约 70 个核苷酸的前体 miRNA (pre-miRNA)。 Pre-miRNA 通过 Exportin-5 输出到细胞质，并由 RNase III 核酸内切酶 Dicer 进一步加工，生成成熟的 miRNA 双链体。双链体的一条链被加载到 RNA 诱导沉默复合物 (RISC) 中，引导 Argonaute (AGO) 蛋白通过部分序列互补性（主要在种子区域（核苷酸 2-8）内）靶向 mRNA。 miRNA 结合通常会抑制翻译并促进 mRNA 去腺苷化和降解。单个 miRNA 可以调节数百个目标 mRNA，并且已鉴定出超过 2,600 个成熟的人类 miRNA，共同调节大约 60% 的蛋白质编码基因。 miRNA 参与几乎所有的生物过程，包括细胞增殖、分化、凋亡和免疫反应，并且 miRNA 表达谱对癌症具有诊断和预后价值。

长非编码 RNA

长非编码 RNA (lncRNA) 被定义为长度超过 200 个核苷酸的转录本，缺乏蛋白质编码潜力，尽管有些包含小的开放阅读框或产生功能性微肽。人类基因组包含大约 20,000 个 lncRNA 基因，其中许多基因以细胞类型特异性和发育调控的方式表达。 LncRNA 通过多种机制调节基因表达。在细胞核中，Xist（X 失活特异性转录本）通过覆盖未来失活的 X 染色体并招募染色质修饰复合物（包括 Polycomb 抑制复合物 2 (PRC2)）来介导女性 X 染色体失活，该复合物会沉积 H3K27me3 抑制标记。 HOTAIR 是一种来自 HOXC 基因座的 lncRNA，它将 PRC2 招募到特定的基因组位点，以反式沉默 HOXD 基因。 LncRNA 还可以充当分子支架，将多种蛋白质聚集在一起形成核糖核蛋白复合物；作为诱饵、隔离转录因子或 miRNA；以及促进增强子-启动子循环和转录激活的增强子相关RNA (eRNA)。 MALAT1（转移相关肺腺癌转录物 1）是一种高表达的核 lncRNA，通过调节富含丝氨酸/精氨酸的剪接因子磷酸化来调节选择性剪接，并与多种癌症类型的转移相关。

环状 RNA

环状 RNA (circRNA) 是一类通过反向剪接产生的共价闭合 RNA 分子，其中下游 5 剪接位点连接到上游 3 剪接位点，产生没有游离末端的环状转录物。 CircRNA 能够抵抗核酸外切降解，并且与线性 RNA 相比高度稳定。大多数circRNA的表达水平较低，但有些会积累到高丰度，特别是在大脑中，而且它们的表达在不同物种之间通常是保守的。 circRNA 最典型的功能是作为 miRNA 海绵：通过包含特定 miRNA 的多个结合位点，circRNA 隔离 miRNA 并防止它们抑制其目标 mRNA。 CDR1as（小脑变性相关蛋白 1 反义蛋白）也称为 ciRS-7，包含 60 多个保守的 miR-7 结合位点，对于斑马鱼和小鼠的正常大脑发育至关重要。 CircRNA还可以通过与RNA聚合酶II相互作用来调节转录，通过与线性剪接竞争来调节剪接，并且一些可以以不依赖帽的方式翻译以产生蛋白质或肽。 CircRNA 失调与癌症、神经系统疾病、心血管疾病和衰老有关。

Piwi 相互作用 RNA

Piwi 相互作用 RNA (piRNA) 是 24-31 个核苷酸的小 ncRNA，主要在生殖细胞中表达，在转座子沉默和基因组完整性中发挥作用。 piRNA 与 PIWI 蛋白（Argonaute 蛋白的一个亚类）结合，并通过碱基配对引导它们与互补的转座子转录物结合，通过 DNA 甲基化和组蛋白修饰或转录后切割导致转录沉默。 piRNA 途径对于通过抑制转座子活性来维持种系基因组完整性至关重要，其破坏会导致动物模型中的不育和生殖细胞肿瘤。 piRNA 是由 piRNA 簇转录的长单链 RNA 前体生成的，经过核酸内切酶 Zucchini 处理，然后加载到 PIWI 蛋白中。在小鼠中，三种 PIWI 蛋白（MIWI、MILI、MIWI2）在精子发生的不同阶段发挥作用。新的证据表明，piRNA 和 PIWI 蛋白也可能在包括癌细胞在内的体细胞组织中发挥作用，它们的表达与几种癌症类型的不良预后相关。

小干扰 RNA

小干扰 RNA (siRNA) 是 20-25 个核苷酸的双链 RNA，可介导 RNA 干扰 (RNAi)，这是一种由外源双链 RNA（例如病毒 RNA 或实验引入的构建体）触发的保守基因沉默机制。合成 siRNA 被广泛用作敲除基因表达的研究工具，并正在被开发为治疗药物。在 RNAi 途径中，长双链 RNA 被 Dicer 切割成 siRNA，然后加载到 RISC 中。与 miRNA 不同，siRNA 通常与其靶标具有完美的互补性，从而导致 Argonaute 介导的靶标 mRNA 的核酸内切切割。由转座子、重复元件或聚合转录产生的内源 siRNA 可调节某些生物体中的转座子沉默，并可能在植物和无脊椎动物的抗病毒防御中发挥作用。

NcRNA 在疾病和治疗中的应用

ncRNA 的失调与许多人类疾病有关。在癌症中，miRNA 可以充当癌基因（oncomiR，例如 miR-21、miR-155）或肿瘤抑制基因（例如 let-7 家族、miR-34），并且 miRNA 表达特征用于肿瘤分类和预后。包括 PCA3 在内的 LncRNA 被用作诊断生物标志物，通过在尿液中测量 PCA3 来检测前列腺癌。针对 ncRNA 的治疗策略正在积极开发中。针对 lncRNA 或 pri-miRNA 的反义寡核苷酸 (ASO) 可以抑制其功能，而 miRNA 模拟物则可以恢复抑癌 miRNA 的表达。第一个基于 RNAi 的治疗药物 patisiran（一种靶向转甲状腺素蛋白的 siRNA）于 2018 年被批准用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白介导的淀粉样变性。几种 miRNA 靶向疗法，包括 miravisen（一种治疗丙型肝炎的抗 miR-122），已进入临床试验阶段。人们正在探索基于 CRISPR 的方法来编辑 ncRNA 基因或调节其表达，而工程化的 circRNA 显示出作为治疗性蛋白质的持续表达载体的前景。