小非编码RNA由20～30个核苷酸（nt）构成，已被公认为是真核基因组表达和功能的关键调节因子。根据小ncRNA分子的起源、结构、所结合的效应子蛋白以及功能作用，可以分为三类：短链干扰RNA（short interfering RNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）和piwi互作RNA（piwi-interacting RNA，piRNA）。
siRNA来源于完全互补的长的双链RNA分子，经核酸内切酶Dicer加工而成。其作用主要针对外源或入侵的核酸起作用，如病毒、转座子和转基因等，常表现为维护基因组完整性的防卫者。也有报告称某些siRNA能在哺乳动物细胞中介导DNA甲基化和组蛋白修饰，进而导致转录基因沉默（transcriptionalgene silencing，TGS）。与siRNA不同，miRNA起源于不完全互补的发夹状双链RNA分子，也要经核酸内切酶Dicer或Drosha加工后成为内源性基因的调节因子。siRNA和miRNA要通过和阿格诺蛋白（Argonaute protein）家族成员AGO 1或AGO2结合来发挥表观遗传调控作用。阿格诺蛋白是RNA诱导的沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）的催化组分，小RNA分子通过序列互补将具有核酸内切酶活性的阿格诺蛋白导向特异性靶标，导致与该小RNA互补的mRNA降解。piRNA主要在动物生殖细胞发育过程中靶向逆转录转座子。piRNA与siRNA和miRNA有两点不同：一是piRNA的前体不是双链而是单链RNA分子；二是piRNA结合的是与阿格诺蛋白家族进化上有同源的Piwi蛋白成员，如MILI与MIWI2等。
1993年，美国发育生物学家安布罗斯（V.Ambros）等在秀丽线虫（Caenorhabditis elegans）中首次发现了第一个具有内源性调控作用的单链小非编码RNA分子lin-4，其功能是通过抑制发育时程基因LIN-14来控制幼虫正常发育。5年后，梅洛（C.C.Mello）和法艾尔（A.Z.Fire）等报道了外源性双链RNA（dsRNA）可通过RNA干扰（RNAi）机制特异性地沉默基因。1999年，在植物中发现基因的沉默伴随着20～25 nt RNA的出现。此后进一步发现，dsRNA可以直接转换成20～23 nt siRNA。
Dicer是dsRNA特异的RNaseⅢ家族核酶。内源或外源双链RNA前体分子在细胞内可被Dicer加工成典型的长度约为21 nt的双链分子。然后这个双链产物经过解旋，其中一条链作为指导链与AGO效应子蛋白稳定结合，形成不同种类的RNA诱导沉默复合体RISC，另一条链（过客链）则被丢失。根据沃森-克里克碱基配对原理，指导链识别靶向RNA分子，主要通过碱基互补配对来抑制靶mRNA的翻译或诱导其降解，导致转录基因沉默。最终，RISC可以分别通过抑制转录或翻译、促进异染色质形成，以及加速RNA或DNA降解等机制，从而实现对各种靶基因的表达调控（图5-4）。
迄今已知，大约30%的人基因表达受到miRNA的调节。miRNA可以通过直接靶向DNA、RNA或与组蛋白修饰酶等表观遗传机器而实现调节作用。最早发现miRNA对基因表达有调控作用的实验研究往往涉及恶性肿瘤的发生与发展，这里就以肺癌和前列腺癌细胞为例来简要说明miRNA对基因表达的调控作用。例如，最初在肺癌细胞株中发现，一个包括miR-29a、miR-29b和miR-29c的miRNA家族（miR-29s）可以直接调节DMNT3a和DMNT3b。miR-29表达可破坏从头DNA甲基化，从而导致肿瘤细胞的DNA普遍低甲基化。而在肺癌细胞中，由于肿瘤抑制基因（tumor suppressorgene，TSG）启动子超甲基化，是被表观沉默的。miR-29可使TSG启动子的CpG岛去甲基化使其重新表达，从而诱导肿瘤细胞凋亡和生长抑制。这些发现揭示，miRNA可以通过调节表观遗传过程来调节基因的表达。在急性髓系白血病细胞中，miR-29b除了直接作用于DMNT3a和DMNT3b外，还可以通过对DNMTl基因的转录激活子SP1的调控而间接沉默该基因。此外，miR-148a和miR-14b也参与调控DNMT3b的表达，通过结合到DNMT3b基因mRNA编码区域的一个特异位点，miR-148家族可以调节这个从头开始合成的DNMT，并与DNMT3b的几个不同剪切变异子的生成有密切关联。另一方面，由于miR-148a本身也受表观遗传的调控，其启动子在不同的肿瘤组织中表现为超甲基化状态。这些证据说明，作为靶向表观遗传机器的miRNA还存在着自我扩增的表观遗传环路。
图5-4 siRNA和miRNA的来源及功能途径
RAN-GTP是结合了GTP的Ras相关蛋白，GW182是一种支架蛋白。
miRNA也调节HDAC以及在表观遗传调控中起重要作用的多梳抑制复合物（polycomb repressive complex，PRC）基因的表达。HADC4是miR-1和miR-140调节的直接靶点，而miR-449a可与HDAC 1的3′-UTR区域结合。HADC 1在几类肿瘤细胞中被上调，miR-449a在前列腺癌细胞中重新表达，可使HDAC 1水平降低，诱导细胞周期阻滞、细胞凋亡以及衰老表型。多梳抑制复合物PRC2的催化亚基EZH2是组蛋白甲基转移酶，可通过使组蛋白H3第27位氨基酸残基赖氨酸三甲基化（H3K27me3）促使异染色质形成，导致多个肿瘤抑制基因的沉默。在前列腺癌细胞株和原发肿瘤组织中，miR-101在肿瘤发展中表达下调，与EZH2的增加存在负相关。进一步证据表明miR-101的确可以在前列腺和膀胱癌模型中直接靶向EZH2。miR-101介导的EZH2抑制阻止了肿瘤细胞的增殖和克隆形成。也揭示miR-101通过对肿瘤表观基因组的调节而具有某种类似肿瘤抑制基因的作用。miRNA对表观遗传的调节存在细胞或物种特异性。例如，在小鼠胚胎干细胞中，miR-290簇直接作用于DNMT3基因的抑制子RBL2。在Dicer缺失的胚胎干细胞中，miR-290簇不表达，而RBL2却过表达，从而导致染色体端粒重组和端粒的异常延长。若miR-290簇重新表达，则可以逆转这种现象。然而，在Dicer功能被抑制的人胚肾细胞HEK293中，miR-290簇缺乏对从头DNMT的调节作用。最近发现miR-155还可作为炎症信号和肿瘤细胞能量代谢之间的桥梁，从一个侧面提示慢性炎症和感染是肿瘤发生的一个重要诱因，约有1/4的肿瘤发生与炎症相关。
siRNA通过诱导异染色质的形成，也可以实现对基因表达的调控。对单细胞真核生物，如红色链孢霉（Neurospora crassa）的研究表明，编码H3 Lys9甲基转移酶的基因是DNA甲基化所必需的，即DNA甲基化修饰过程是接受来自染色质的指令的。实验进一步表明组蛋白的修饰又会受到RNA干扰（RNA interference，RNAi）的指令。在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中，含AGO1的效应子构成了RNA诱导转录沉默（RNA-induced transcription silencing，RITS）复合物，通过结合的siRNA可被导向特异的染色体位点，例如，着丝粒重复序列。RITS复合物与RNA多聚酶Ⅱ的直接相互作用可加速新生转录物对siRNA的识别。在组蛋白甲基转移酶（HMT）介导下，RITS复合物的结合可促进组蛋白H3第9位氨基酸残基赖氨酸（H3K9）的甲基化，进而诱导募集具有染色质结构域的Swi6蛋白（HP1在酵母中的同源蛋白），最终导致染色质浓缩。RITS对新生转录物结合也可激活RNA依赖的RNA聚合酶复合物（RDRC），RDRC利用其RdRP亚基（Rdpl）产生次级siRNA，进而加强和扩散沉默效应。
piRNA是在哺乳动物中发现的一种单链起源的长度为24～31 nt的小RNA分子，因能与Piwi蛋白偶联，被称为piRNA（piwi interacting RNA）。Piwi蛋白是阿格诺蛋白的一个亚家族，已知包括MIWI、MIWI2和MILI，也都是表观遗传调控因子。piRNA主要以限定模式在哺乳动物的生殖细胞中表达，其功能是在配子形成过程中沉默转座子和重复序列等“自私性”遗传元件、维持生殖细胞基因组的稳定性和完整性。2008年，日本学者仓持宫川（S.Kuramochi-Miyagawa）等证实，缺失piRNA相互作用蛋白MIL1和MIWI2可导致雄性生殖细胞逆转座子从头DNA甲基化丧失。提示在哺乳动物生殖细胞中存在RNA指导的DNA甲基化机制，为基因表达的表观遗传调节通路提供了新的证据。近年来在非生殖器官中也发现了Piwi蛋白的高表达，暗示piRNA还可能存在更广泛的调控作用。
三种具有表观遗传调控作用的小RNA分子的来源和行使功能途径可见图5-5。然而近年来一系列新的实验提示，除了多种小RNA分子外，真核细胞中还存在一个由长链非编码RNA分子广泛参与调节，并与组蛋白结构修饰和DNA甲基化系统组成的一个表观遗传修饰网络，能动地调控着具有组织和细胞特异性的基因表达模式。机体的表观遗传模式的变化在整个发育过程中是高度有序并严格受控的。
图5-5 三种小RNA的来源和表观遗传调控作用示意
（a）siRNA起源于长链RNA分子，经Dicer酶剪切为21～25 nt的双链RNA片段，Dicer酶和dsRNA结合蛋白将siRNA二聚体载入阿格诺蛋白（AGO2），然后沉默靶基因；（b）miRNA内源基因产生长度为65～70 nt且含有发夹结构的miRNA前体，经Drosha-DGCR8蛋白复合物加工产生miRNA前体，再经Dicer酶剪切为miRNA-miRNA*二聚体，其中miRNA*为过客链，miRNA为指导链，指导链miRNA载入阿格诺蛋白AGO 1发挥沉默靶基因作用；（c）piRNA起源于单链RNA前体，产生的piRNA意义链在性腺发育早期倾向与MILI结合，而次级反义链更倾向与MIWI2结合，次级反义piRNA可能直接裂解转座子的mRNA
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