编码还是非编码，这是个问题

经典的中心法则只是基因组表达功能分子的众多机制之一。基因组DNA普遍被转录，但只有其中小部分转录成的mRNA，翻译成约2万个蛋白质；其余的大部分不是“垃圾DNA”，而是被转录成非编码RNA（ncRNA），作为基因表达的复杂调节器，与蛋白质共同控制胚胎发育，维持生理状态，决定生物体复杂性，影响遗传性和非遗传性疾病的发生发展。

管家ncRNA

●核糖体RNA（rRNAs）、转移RNA（tRNAs）位于细胞质中，是蛋白质翻译机制的核心组成部分；

●小核RNA（snRNA）、小核仁RNA（snoRNAs）位于细胞核。snRNA是剪接体的RNA成分，snoRNAs是小核仁核糖核蛋白颗粒（snoRNPs）的RNA成分，其通过核苷修饰（主要是甲基化和假尿嘧啶化）负责pre-rRNA的成熟。

调控性ncRNA

●短ncRNA（<200 nt）：PIWI互作RNA和microRNA（miRNA）。miRNA（2024年诺奖赢家）可通过诱导沉默复合物（miRISC）靶向特定RNA降解，抑制基因表达。某些miRNA前体也可被翻译产生功能肽。

●长ncRNAs（≥500 nt）：长基因间非编码RNA（lincRNAs）、假基因RNA（PG）、天然反义转录物（NAT）和环状RNA（circRNA），可作为信号、向导、诱饵或支架，也可翻译功能肽或蛋白质，调控基因表达。

基因组可广泛转录的研究风潮还盛，基因组广泛翻译的研究又在学术界掀起新的浪潮。随着ncRNA及mRNA非编码区域的可翻译性陆续被发现，编码与非编码基因的绝对二元论已经过时，因为双功能基因既可表达编码产物，也可表达非编码产物。

近日，Cell Research期刊上发表了一篇综述，题为：Coding,or non-coding,that is the question。该综述在基因表达和分子机制方面讨论了双功能基因的复杂转录本，并强调了利用这种复杂性开发抗癌疗法的机遇和挑战。

一、双功能基因座表达mRNA和ncRNA

有些基因可互斥或共存的方式表达mRNA和ncRNA，因而既是编码，也是非编码的（图1）。这些基因座被定义为“杂交”或“双功能”的。

图1双功能基因座表达mRNA和ncRNA。

（1）mRNA和ncRNA的表达取决于外显子拼接

可变剪接（AS）使同一基因座可表达多个转录本，从而丰富转录组（蛋白质组）。有些基因座经历可变剪接，表达编码和非编码转录物（图1a），也有基因座通过反向剪接表达线性编码mRNA和非编码circRNA（图1b），且两种形式都可在癌症中发挥重要作用。

（2）正义mRNA和反义ncRNA的表达

在癌症中，有许多的基因座从两条DNA链转录，最终表达一个正义编码mRNA和一个反义非编码RNA，即NAT（图1c）。

（3）来自外显子的mRNA和来自同一pre-mRNA内含子ncRNA的表达

双功能基因座中，外显子转录成可翻译的mRNA，而内含子转录成ncRNA发挥非编码功能。这种ncRNA被称为“基因内的”，所在的编码基因被称为“宿主基因”。

这种表达方式在miRNA中很常见（图1d），很多miRNA基因位于编码蛋白质基因的内含子，可具有独立的启动子，形成独立的转录单位，但更多是从宿主基因的启动子开始，产生双功能的pre-mRNA：外显子拼接成为mRNA，内含子的pri-miRNA进一步加工成成熟的miRNA。因此，miRNA和宿主基因在调控通路中共同表达和参与。

二、双功能mRNA也发挥非编码功能

mRNA是蛋白质编码RNA，其主要命运是从细胞核输出到细胞质，然后被翻译成蛋白质。然而，mRNA也可发挥非编码功能。（图2）

图2双功能mRNA具有编码功能和非编码功能。

（1）5'UTR发挥非编码功能

例如，原癌基因c-MYC的P0转录本5’UTR可导致凋亡细胞死亡增加，可能是由于直接或间接通过RBP与P0-P2 RNA顺式相互作用，影响c-MYC2（p64）蛋白异构体的翻译。[1]

（2）CDS具有非编码功能

CDS是mRNA中注定要被翻译的区域，但有些CDS也发挥非编码功能。例如，DNA损伤传感器ATM使MDM2的Ser395位点磷酸化，可有利于其与抑瘤蛋白p53 mRNA CDS特定序列互作，促进p53 mRNA的翻译。[2-4]

（3）3'UTR发挥非编码功能

3'UTR是基因表达的转录后调控元件，具有顺式和反式两种功能。顺式功能主要与编码相关，涉及mRNA的稳定性、定位和翻译的调节；反式功能是发挥其非编码功能的机制，在mRNA处作为miRNA海绵，即ceRNA机制。

三、双功能ncRNA也发挥编码功能

在过去的几年里，polysome profiling、Ribo-seq和质谱等分析已提供不少证据，ncRNAs可含有ORF，且能翻译成ncRNA编码的肽（ncPEP）。（图3）

　　图3双功能ncRNA发挥非编码功能和编码功能。

（1）Pri-miRNA的翻译

miR-200a和miR-200b的pri-miRNA中短ORF存在，其编码肽可抑制迁移和EMT。[5]

（2）lincRNA的翻译

一些lincRNA含有ORF，可编码短肽。例如，LINC00665在大多数情况下，是一种致癌lincRNA，作为20多种miRNA的ceRNA，以及结合染色质重塑因子和调控转录，发挥非编码活性。而在三阴性乳腺癌中，它可表达52 aa的肽（CIP2A-BP），抑制TNBC细胞的迁移和侵袭。[6,7]

（3）PG的翻译

存在数十种假基因蛋白，它们大多由加工过的假基因表达，与亲本基因不共享相同的启动子。

（4）circRNA的翻译

circRNA的翻译也依赖于多聚核糖体，但在没有5’帽和3’polyA尾的情况下，翻译不依赖于帽结构。circRNA的翻译的三个主要机制：

①依赖于内部核糖体进入位点（IRES），可直接招募核糖体启动翻译。

②由N6-甲基腺苷（m6A）介导。至少13%的circRNA携带m6A修饰，并且每个circRNA只需一个修饰就足以促进m6A读取器YTHDF3以及eIF3A和eIF4s（A，B,G2）翻译起始因子的招募。

③当circRNA含有ATG而不含有终止密码子时，会发生滚动翻译，直到被称为-1程序性核糖体移框（-1 PRF）介导的脱框停止密码子（OSC）的机制中断。

四、双功能基因研究技术

（1）双功能基因转录研究

Nanopore全长转录组测序：无需打断RNA，无需拼接，可获得5’到3’全长转录本序列及其表达信息，在检测可变剪接（反向剪接）、融合基因、新基因预测等具有绝对优势，有利于发现双功能基因复杂转录本的发现。

ATAC-seq：通过转座酶对开放的核染色质区域进行切割，获得基因组中所有活跃转录的调控序列，通过生信分析，可挖掘潜在转录起始位点、增强子、沉默子等调控元件及相应的转录因子，有利于发现双功能基因，并研究其复杂的转录机制。

ChIP：通过超声或酶处理将染色质随机切割，利用特异性抗体对目的蛋白相结合的DNA片段进行免疫沉淀，提取目的DNA片断进行qPCR或测序分析，可针对性研究双功能基因的转录调控因子。

（2）非编码功能研究

ncRNA在生物体中可作为信号、向导、诱饵或支架等，影响核组织和基因组完整性、表观遗传修饰的染色质重塑、转录、RNA剪接和加工、mRNA稳定性和翻译、蛋白质翻译后修饰（如磷酸化）、亚细胞定位和活性，从而调控基因的表达。

ncRNA在发挥作用过程中大多数涉及与其它分子（蛋白质、DNA、其它类型的RNA）相互作用，因此，常用到以RNA为中心的分子互作研究技术，如RIP、RNA pull-down、荧光素酶报告检测技术等。此外，ncRNA的功能获得和丧失研究广泛应用到RNA过表达和敲低等技术。

（3）潜在编码RNA翻译研究

ncRNA或mRNA非CDS序列的翻译，尤其是circRNA的翻译陆续被报道，其翻译产物对癌症等疾病发挥重要作用，因此成为了新的研究热点。

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总结

基因组的复杂性远超编码蛋白质的遗传单位的简单组织。蛋白质是细胞和有机体结构的基石，但众多的非编码RNA也起重要作用，标准CDS外的序列也可编码各种长度的肽。编码和非编码产物功能和翻译机制调控的研究，对理解基因组中的多元化遗传单位是必不可少的。

双功能基因分类应独立于仅编码基因和仅非编码基因。然而，双功能基因分类需要更多的验证和研究。在基于这些基因的疗法开发中，需额外注意不同转录物发挥的功能，以免导致副作用或加重病情。基因组的广泛转录和翻译正为前所未有的科研发现、药物开发和疾病治疗铺平道路。

原文链接

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11369213/

参考文献

[1]Blume,S.et al.Inhibition of tumorigenicity by the 5′-untranslated RNA of the human c-myc P0 transcript.Exp.Cell Res.288,131–142(2003).

[2]Candeias,M.M.et al.p53 mRNA controls p53 activity by managing Mdm2 functions.Nat.Cell Biol.10,1098–1105(2008).

[3]Naski,N.et al.The p53 mRNA-Mdm2 interaction.Cell Cycle 8,31–34(2009).

[4]Gajjar,M.et al.The p53 mRNA-Mdm2 interaction controls Mdm2 nuclear trafficking and is required for p53 activation following DNA damage.Cancer Cell.21,25–35(2012).

[5]Fang,J.,Morsalin,S.,Rao,V.N.,Reddy,E.&Shyam,P.Decoding of non-coding DNA and non-coding RNA:pri-micro RNA-encoded novel peptides regulate migration of cancer cells.J.Pharm.Sci.Pharm.3,23–27(2017).

[6]Huang,X.et al.Circular RNA AKT3 upregulates PIK3R1 to enhance cisplatin resistance in gastric cancer via miR-198 suppression.Mol.Cancer 18,71(2019).

[7]Guo,B.et al.Micropeptide CIP2A-BP encoded by LINC00665 inhibits triplenegative breast cancer progression.EMBO J.39,e102190(2020).