在以前的文章中我们谈到表观遗传学的神奇，表观遗传学是研究基因表达发生了可遗传的改变,而DNA序列不发生改变的一门生物学分支,对细胞的生长分化及肿瘤的发生发展至关重要。表观遗传学的主要机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰及新近发现的非编码RNA。
正如宇宙间存在着许多既看不到也感觉不到的“暗物质”“暗能量”一样，人类基因组中也存在大量被称为基因组“暗物质（dark matter）”的非编码序列，包括基因间非编码序列、内含子非编码序列等。所谓基因组“暗物质”，其实就是基因组中的非编码RNA——不包含用于制造蛋白质的版图，构成了超过 95% 的人类基因组。之前的研究认为，非编码RNA不编码蛋白质，属于“垃圾”RNA。而随着研究的深入，科学家逐渐发现，非编码RNA含有丰富的信息，是生命体中有待探索的“暗物质”。目前已发现很多非编码RNA具有的重要生物学功能。随着研究的不断深入，RNA的“才能”也被逐一挖掘，它可以是具有催化作用的酶类物质，可以抵抗感染，可以作为基因调控因子。同时，越来越多的证据表明，一系列重大疾病的发生发展与非编码RNA调控失衡相关。
2012年“DNA 元件百科全书”数据库计划（ Encyclopedia of DNA Elements ，ENCODE）发表了他们的结果：人类基因组 80% 的成分有至少一种生化功能。很多过去被认为并非基因的成分，实际上或者可以转录为 RNA，或者作为转录因子结合位点，或者是 DNA 化学修饰的靶点，以多种形式对真正基因的表达起到了关键的调节作用。基因和非基因的界限正在逐渐模糊。ENCODE 还让人们重新认识了 RNA 的作用。RNA曾被认为只是细胞中的信使分子或是蛋白质合成的中间产物，但ENCODE 发现大部分 RNA 本身就是终产物，具有许多不同的形态和出人意料的功能，不会再翻译成蛋白质，但在健康和疾病的细胞生物学中发挥着重要作用RNA。在过去的20年里，发现了许多新的非编码RNA，如神秘的非编码长链RNA（lncRNA）、非编码环形RNA（ciRNA）、微小的RNA（miRNA）等。在近十余年的生命科学研究中非编码调控RNA可谓是研究最火的领域之一，研究者的大量研究表明非编码RNA在表观遗传学的调控中扮演了越来越重要的角色。下面我们就来一一介绍lncRNA、ciRNA和miRNA。
一、lncRNA
基因间非编码序列转录产生线形长非编码RNA分子，具有5’帽子和3’尾巴结构。长链非编码RNA(Long non-coding RNA, lncRNA)是长度大于 200 个核苷酸的非编码 RNA，已经发现lncRNA与发育、癌症、疼痛和炎症有关。
2013年中科大吴缅和梅一德教授研究组揭示：一种长片段非编码RNA，通过调控肿瘤细胞瓦伯格效应，导致肿瘤恶变。研究成果发表在国际著名学术期刊《细胞》子刊《分子细胞》上。吴缅教授研究组发现，一个叫lincRNA-p21的长片段非编码RNA分子，可以被低氧诱导因子HIF-1α(一种重要的调控肿瘤细胞发生发展的蛋白分子)诱导表达。正常情况下，这种低氧诱导因子与蛋白分子VHL结合，并被后者降解，使该因子在肿瘤细胞中的表达水平不至于太高，从而抑制肿瘤过快生长和转移。但在低氧情况下，被诱导表达的lincRNA-p21分子通过分别结合HIF-1α和VHL，来阻止相关复合物的形成，从而促进肿瘤细胞的瓦伯格效应（即在有氧状态下，肿瘤细胞也会优先进行糖酵解，而不是通过产能效率更高的氧化磷酸化途径为细胞生长提供能量），使肿瘤发生恶变。
lncRNA在发育和基因表达中发挥的复杂精确的调控功能极大地解释了基因组复杂性之难题，同时也为人们从基因表达调控网络的维度来认识生命体的复杂性开启了新天地。人们对lncRNA(Long noncoding RNAs, LncRNAs) 的认识还处在初级阶段。有文献研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物 基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA(相应的蛋白编码RNA的比例是1%)，虽然关于lncRNA的研究进展迅猛，但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的，随着研究的推进，各类 lncRNA 的大量发现，lncRNA 的研究将是 RNA 基因组研究非常吸引人的一个方向。另外，lncRNA 在剂量补偿效应(Dosage compensationeffect)、表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等众多生命活动中发挥重要作用，成为遗传学研究热点。
二、ciRNA
环形RNA分子最近数十年才引起研究人员注意，而此前的研究主要集中于线形RNA分子。
最早的环形RNA分子在20世纪70年代于RNA病毒中发现，大规模测序证实了哺乳动物细胞内存在环形RNA，其通过“外显子反向剪接成环(back splice circularization)”形成，定位于细胞浆中，可以调控microRNA的功能。近年我国青年科学家陈玲玲研究组的研究成果发现了来源于内含子的环形非编码RNA新分子(circular intronic RNA, ciRNA)，验证其在多种人源细胞内稳定存在，揭示其成环关键核酸序列及机制(即利用这些成环关键核酸序列诱导线形RNA成环)。同时发现与人类一系列重大疾病的发生发展有关。成熟的ciRNA定位在细胞核内并调控其本位基因的转录速度。
更为重要的是，研究还揭示了部分ciRNAs定位在其转录位点附近，并通过和RNA转录聚合酶Ⅱ复合物的互相作用，顺式调节其本位基因的表达水平。这些环形非编码RNA新分子与已知的细胞浆环形RNA在产生来源、加工生成、细胞内定位以及功能调控方面均有显著不同：ciRNAs来自于内含子序列，其生成依赖特定的成环关键核酸序列;成熟的ciRNAs定位在细胞核内并调控其本位基因的转录速度。因此，该项研究工作发现的内含子来源的环形RNA分子，在结构和概念上都是一类新型的长非编码RNA分子，进一步丰富了人们对真核细胞转录组表达调控多样性的认识。
科学家揭示内含子来源环形RNA新分子及其转录调控功能机制
三、miRNA
MicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约20~25个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。MiRNA，以及miRISCs（RNA诱导基因沉默复合物）在动物和植物中广泛表达。大多数miRNA 基因以单拷贝、多拷贝或基因簇(cluster) 的形式存在于基因组中。
miRNAs在物种进化中相当保守，在植物、动物和真菌中发现的miRNAs只在特定的组织和发育阶段表达，miRNA组织特异性和时序性，决定组织和细胞的功能特异性，表明miRNA在细胞生长和发育过程的调节过程中起多种作用。尽管第一个microRNA 早在1993 年被发现，一直到最近几年这类基因的多样性和广泛性才被揭示出来。据推测脊椎动物基因组有多达1000个不同的 microRNAss，调控至少 30%以上的基因表达。
microRNA
主要特点
1.广泛存在于真核生物中, 是一组不编码蛋白质的短序列RNA , 它本身不具有开放阅读框架(ORF) ;
2.通常的长度为18～25 nt , 但在3′端可以有1～2 个碱基的长度变化;
3.成熟的miRNA 5′端有一磷酸基团, 3′端为羟基, 这一特点使它与大多数寡核苷酸和功能RNA 的降解片段区别开来；
4.多数miRNA 还具有高度保守性、时序性和组织特异性。
MicroRNA存在多种形式，最原始的是pri-miRNA，长度大约为300~1000个碱基;pri-miRNA经过一次加工后，成为pre-miRNA即microRNA前体，长度大约为70~90个碱基;pre-miRNA再经过Dicer酶酶切后，成为长约20~24nt的成熟miRNA。实际研究中，pre-miRNA应用最早，也最广泛，很多商业化的MicroRNA库都是pre-miRNA形式的。近几年来，研究发现microRNA的双臂对成熟miRNA的形成有着十分重要的作用，所以天然的pri-miRNA形式越来越多地被研究者采用。
作用机理
与靶mRNA不完全互补的miRNA在蛋白质翻译水平上抑制其表达（哺乳动物中比较普遍）。然而，最近也有证据表明，这些miRNA也有可能影响mRNA的稳定性。使用这种机制的miRNA结合位点通常在mRNA的3’端非编码区。如果miRNA与靶位点完全互补（或者几乎完全互补），那么这些miRNA的结合往往引起靶mRNA的降解(在植物中比较常见)。通过这种机制作用的miRNAs的结合位点通常都在mRNA的编码区或开放阅读框中。每个miRNA可以有多个靶基因，而几个miRNAs也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个miRNA来调控多个基因的表达，也可以通过几个miRNAs的组合来精细调控某个基因的表达。随着miRNA调控基因表达的研究的逐步深入，将帮助我们理解高等真核生物的基因组的复杂性和复杂的基因表达调控网络。
目前只有一小部分miRNAs生物学功能得到阐明。这些miRNAs调节了细胞生长，组织分化，因而与生命过程中发育、疾病有关。通过对基因组上miRNA的位点分析，显示其在发育和疾病中起了非常重要的作用。一系列的研究表明：miRNAs在细胞生长和凋亡，血细胞分化，同源异形盒基因调节，神经元的极性，胰岛素分泌，大脑形态形成，心脏发生，胚胎后期发育等过程中发挥重要作用。例如，miR-273和lys-6编码的miRNA，参与线虫的神经系统发育过程；miR-430参与斑马鱼的大脑发育；miR-181控制哺乳动物血细胞分化为B细胞；miR-375调节哺乳动物胰岛细胞发育和胰岛素分泌；miR-143在脂肪细胞分化起作用miR-196参与了哺乳动物四肢形成，miR-1与心脏发育有关。另有研究人员发现许多神经系统的miRNAs在大脑皮层培养中受到时序调节，表明其可能控制着区域化的mRNA翻译。对于新的miRNA基因的分析，可能发现新的参与器官形成、胚胎发育和生长的调节因子，促进对癌症等人类疾病发病机制的理解。
除了基因组内的暗物质之外，科学家一直都在推测蛋白质暗物质的性质，即蛋白质中完全未知的领域，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）开展的一项研究，定位了这些暗物质区域的界限，使得我们更进一步发现所有蛋白质的完整结构和功能。这项研究工作发表在2015年11月份的《PNAS》杂志。这项研究取得了一些令人惊讶的结果，包括近一半的真核生物蛋白质组是暗物质，并具有意想不到的功能，包括与分泌组织、二硫键结合、低的进化保守性以及与其他蛋白之间鲜为人知的相互作用。自然界中存在大量的微生物，因无法在实验室中培养，而几乎不为人所知，也因此被称为“生命的暗物质”。 几十年来，已经构成研究人员一个特别挑战的菌群是Candidate Phylum TM7，据认为它能引起炎性粘膜病，因为它在患有牙周炎的人群中非常普遍。2014年12月，加州大学洛杉矶分校（UCLA）牙医学院、J. Craig Venter研究所和华盛顿大学牙科学院的科学家们取得的一项里程碑式结果，阐述了TM7在牙周炎等疾病进展中的作用。他们的研究结果揭示了TM7在生物学、生态学和医学中的重要性，并可能带领我们更好地了解其他难以捉摸的细菌，相关研究结果发表在《PNAS》杂志（PNAS：微生物“暗物质”如何致病？）。此前一年，J. Craig Venter研究所（JCVI）的研究人员在《PNAS》发表的一项研究中，利用一种新颖的微型宏基因组学方法，已经成功获得了“候选TM6门”（Candidate phylum TM6）约90%的基因组（JCVI科学家破译“生命的暗物质”）。
以上结果显示，基因组、蛋白质、微生物中，都含有我们不为了解的暗物质，并且科学家们对于揭示这些暗物质的研究已经取得了较大的进展。宾夕法尼亚大学的研究人员又将目光转向了病毒组研究。他们发表在《mBio》杂志上的研究显示，健康人类皮肤上的绝大多数DNA病毒是前所未见的，属于病毒“暗物质”。
