LncRNA:从“转录噪声”到科研高地的逆袭

【字体: 时间:2017年01月06日 来源:生物通

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  2002年日本学者Okazaki在对小鼠cDNA文库进行测序时,第一次发现并鉴定了一类较长的转录产物,并将其命名为长链非编码RNA,然而在这种非编码RNA被发现后的很长时间里,由于它不参与蛋白质的编码,当时认为不具有生物学功能,科学家们都普遍认为lncRNA仅仅是基因的“转录噪声”相比于过去十年间sncRNA的风生水起,lncRNA由于序列长度,研究方法的限制而受到了忽视。

  

生物通报道:2002年日本学者Okazaki在对小鼠cDNA文库进行测序时,第一次发现并鉴定了一类较长的转录产物,并将其命名为长链非编码RNA,也就是我们所知的LncRNA。然而在这种非编码RNA被发现后的很长时间里,由于它不参与蛋白质的编码,当时认为不具有生物学功能,科学家们都普遍认为lncRNA仅仅是基因的“转录噪声(transcriptional noise)”。相比于过去十年间sncRNA(短链非编码RNA,包括microRNA、siRNA、snoRNA 和 PiwiRNA等)的风生水起,lncRNA由于序列长度,研究方法的限制而受到了忽视。

一般认为,长度大于200nt的ncRNA就可以定义为LncRNA,这是一种和信使RNA结构相似的,缺乏开放阅读编码框的非编码RNA,是RNA聚合酶II的转录产物,主要分布在细胞核和细胞质中。根据lncRNA 编码转录物的长度,lncRNA可以大致分为五类:lncRNA、基因间区长链非编码RNA(long- integenic noncoding RNA, lincRNA)、位于基因间区的超长链非编码RNA(very long- integenic noncoding RNA)、宏RNA(macroRNA),以及与启动子相关联的 lncRNA(promoter-associated long RNA)。

虽然最初lncRNA被认为是基因组转录的 “噪音” ,是PolII转录的副产物,但近年来越来越多研究表明lncRNA广泛地参与基因表达的调控,在细胞的增殖、分化、凋亡以及肿瘤的发生、发展中发挥重要作用。而且有些lncRNA还可作为某些功能性sncRNA的前体物质,间接性参与靶基因的调控。

1.LncRNA的特点

结构特点:LncRNA分子的结构解析对LncRNA的功能及作用机制研究具有非常重要的作用,但是由于LncRNA处于生物体这个复杂的整体中,其自身会受到生物体的调控而发生相应的变化,加之数量庞大、分子量大、体外稳定性较差、难以结晶等特点,使得其结构研究很困难重重,目前仅有少量研究报道其结构。其一级结构即为LncRNA的核苷酸排列顺序,曾有报道指出LncRNA的 Gas5可直接与糖皮质激素上的DNA结合域结合,进而与含有糖皮质激素反应元件( glucocorticoid response elements) 目的基因竞争并调节其表达。2012年, Novikova等曾报道了人类SRA LncRNA的二级结构。但目前还没有更多关于空间结构( 三级结构及四级结构) 的研究报道,这是一个全新的未知领域。

LncRNA与mRNA的区别

 

mRNA

lncRNA

相同点

组织特异的表达

形成二级结构

经过转录后加工,如5’帽子、聚腺苷酸化、剪接

在疾病和发育中的重要作用

组织特异的表达

形成二级结构

经过转录后加工,如5’帽子、聚腺苷酸化、剪接

在疾病和发育中的重要作用

不同点

蛋白编码的转录本

物种之间高度保守

存在于细胞核和细胞质

总共20,000-24,000mRNA

表达水平:低至高

非蛋白编码,调控功能

物种之间保守性差

主要存在于细胞核

预计数量是mRNA3-100

表达水平:极低至中等

 

2.lncRNA的功能

随着新一代高通量测序技术的应用和发展, 大量具备丰富生物学功能的lncRNA在各类生物体中不断被发现。在动物体内, lncRNA广泛参与个体神经发育(2006)、 细胞周期调控(2011)、细胞防护 (2009)、肿瘤发生及转移(2014)等重要生理过程。

在植物中lncRNA的转录表达又常与植物开花(2012)、 雄性不育(2012)、 果实成熟(2015)、 生物和非生物胁迫应答(2015)密切相关。与动植物相比,关于lncRNA在微生物中的报道则相对较少,目前主要集中于病毒和寄生虫中, 常参与个体稳定遗传(014)、 宿主免疫系统规避(2015)、持续性感染(2015)等生物学功能的调控。

lncRNA可通过与DNA/RNA结合或与蛋白结合而行使其功能。一些lncRNA实际上是某些调控RNA(如microRNA或piwi RNA)的前体。与miRNA不同的是,lncRNA没有一种普遍的作用模式,它以许多不同的方式来调控基因表达和蛋白合成。研究发现,一些lncRNA参与了基因调控的基本过程,包括染色质修饰和结构以及直接的转录调控。基因调控可能以顺式(cis)或反式(trans)发生。lncRNA的转录后功能包括调控RNA加工事件,如剪接、编辑、定位、翻译和降解。

对于lncRNA在胚胎发育中的作用,Broad研究院的Mitchell Guttman曾这样描述,维持全能性的蛋白和促进分化的蛋白就像战士。它们各司其职,但需要一些东西来协调他们的行动。lincRNA则被认为是队长,带领不同蛋白,协同作战。

3.lncRNA的作用机制

目前认为,lncRNA 可通过以下几个水平上参与基因表达的调控:表观修饰水平调控、转录水平调控、转录后水平调控以及作为媒介参与生物学过程。

表观遗传水平调控:lncRNA 可通过 DNA甲基化或去甲基化、 RNA 干扰、组蛋白修饰、染色体重塑等,在表观修饰水平调控基因的表达, 例如 lncRNA HOTAIR通过与核染色质重塑复合物的相互作用在特定的基因位点诱导异染色质形成, 从而降低靶基因的表达。


转录水平调控:lncRNA 也可以依赖与靶基因的相对位置及序列特点, 例如通过将转录调控因子募集到邻近的靶基因启动子上的方式, 在转录水平上调控靶基因的表达。 lncRNA 能够通过多种方式在转录水平参与基因组调节。 如二氢叶酸还原酶( DHFR) 上游的 1 个 lncRNA 能够与 DHFR 的启动子区域形成稳定的 RNA—DNA 的三链结构, 进而抑制转录因子 TFIID 的结合, 从而抑制 DHFR 的基因表达]。

转录后水平调控:lncRNA 可以通过碱基互补配对与靶 mRNA 形成 RNA 二聚体, 阻碍其与转录因子或 mRNA加工相关因子的结合或直接募集翻译抑制蛋白, 从而调节mRNA 的剪接、 翻译和降解。

作为媒介参与生物学过程:LncRNA分子可以充当分子支架,将两个蛋白分子绑定在一起进而发挥特定的生物学功能,或者使特定的核糖核蛋白复合体定位到染色体的特定部位, 进而改变基因( 邻近基因、 远距离基因均可) 的表达, 发挥分子向导的作用,还可以响应来自细胞内或细胞外的信号, 充当特定信号通路的调节剂。

4.lncRNA与疾病

研究已发现lncRNA在多种癌症中差异表达,包括白血病、乳腺癌、肝癌、结肠癌和前列腺癌。lncRNA失调的其他疾病还包括心血管疾病、神经系统疾病和免疫介导的疾病。

心脏疾病:首先近年来长链非编码 RNA 在心脏分化过程中的作用得到证实, 在促进心肌细胞分化和维持心脏功能方面发挥着重要作用。 Han等人发现, Mha779 在心肌细胞特异性表达,并随胚胎发育进程逐渐升高, 特别在出生后表达显著增强。Mha779 在胚胎发育过程中的变化趋势与 Myh6/Myh7 的变化一致, 对维持心脏功能具有十分重要的作用。 进一步研究发现, Br91-HDAC-Parp 染色质抑制复合体可以靶向Myh6 与 Myh7 之间的启动子, 进而影响 Myh6 的功能, 而Mha779 可以结合并抑制 Brgl—HDAC-Parp 从而维持心脏功能。

神经退行性疾病及精神疾病:在神经退行性疾病及精神疾病方面,研究人员逐渐认识到哺乳动物脑中不仅存在大量 LncRNA的表达, 且许多神经系统疾病的发生发展也常常伴随着 LncRNA的异常表达, 有研究报道,BACE1 的反义转录本lncRNA BACE1AS在 AD 的发生发展中也扮演着非常重要的角色. 在应激条件下,BACE1AS 可与 BACE1mRNA 形成复合体以增加后者的稳定性,防止后者降解,从而有利于β-淀粉样蛋白的进一步聚集. 而进一步的实验研究也得出相似的结论,BACE1AS 在 AD 患者及 BACE1转基因小鼠中均高表达。

糖尿病:糖尿病也与lncRNA有关,一些研究发现了lncRNA在糖尿病的发生发展中的作用,如胰岛素样生长因子2 ( insulin like growth factor 2, IGF2) 反义转录本 IGF2AS 以及第 10号染色体丢失的磷酸酶基因诱导激酶 1[ PTENinduced putative kinase 1, PINK1的反义转录本naPINK1。高浓度的葡萄糖刺激可上调胰岛 β 中IGF2AS 的表达,暗示 IGF2AS 的表达可能与血糖浓度相关。

癌症:还有最为深入的就是lncRNA与癌症的关联。大量研究发现,lncRNA在肿瘤的发生发展过程中均具有极其重要的作用 ,它既可作为原癌基因促进肿瘤的生成,亦可作为抑癌基因来抑制肿瘤细胞的增殖、 迁移等。在许多癌症的发生发展中均伴随着lncRNA异常表达。如德国的研究人员发现了长链非编码RNA(MALAT1)促进肺癌转移的机制,并在《Cancer Research》杂志上发表了这一成果2。他们在体外培养的肺癌细胞中几乎完全沉默了MALAT1,发现它调节了许多与癌转移有关的基因。通过对MALAT1的阻断,他们有望开发出抑制癌转移的疗法。

第二军医大学的研究人员也揭示了一种与肝癌微血管浸润相关的长链非编码RNA,以及其促进血管生成的分子机制。这一lncRNA或可作为肝切除术后患者无复发生存率不良的预测因子。该研究成果发表在著名肝脏疾病杂志《Hepatology》上3。之前,这一课题组的研究人员也曾发现lncRNA-HEIH在乙型肝炎病毒(HBV)导致的肝癌(HCC)发生中起重要作用。

5.lncRNA的研究方法

近年来 lncRNA生物学作用机制不断被揭示,如能通过 RNA 序列识别、 靶 DNA 序列杂交、 转录因子结合等方式对靶基因进行调控, 如此多的 lncRNA 作用机制被报道与其研究方法的飞速发展密切相关。早期研究者主要通过芯片(Microarry)的方式对 lncRNA 的功能机制进行探究, 但 Microarry 只能用于识别已知lncRNA转录物。之后一些研究人员提出了改进的方法,比如Ncode

耶鲁大学Snyder小组提出的RNA-seq技术背景信号噪音更低,准确度更高,不仅能识别新lncRNA还能对其功能以及初级结构序列进行分析,目前已成功应用于斑马鱼,果蝇胚胎形成过程生物学功能的研究。目前在lncRNA研究中比较成熟的技术还有qRT-PCR、Northern blots、 荧光原位杂交(fluorescence in situhybridization, FISH)和RNA基因沉默(RNA interference, RNAi)等。

(生物通)

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