帶你走進(jìn)神秘的長鏈非編碼RNA.doc

帶你走進(jìn)神秘的長鏈非編碼RNA長鏈非編碼RNA(lncRNA)是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過200nt的RNA分子，它們并不編碼蛋白，而是以RNA的形式在多種層面上（表觀遺傳調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等）調(diào)控基因的表達(dá)水平。 lncRNA起初被認(rèn)為是基因組轉(zhuǎn)錄的“噪音”，是RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，不具有生物學(xué)功能。然而，近年來的研究表明，lncRNA參與了X染色體沉默，基因組印記以及染色質(zhì)修飾，轉(zhuǎn)錄激活，轉(zhuǎn)錄干擾，核內(nèi)運(yùn)輸?shù)榷喾N重要的調(diào)控過程，lncRNA的這些調(diào)控作用也開始引起人們廣泛的關(guān)注。哺乳動物基因組序列中4%9%的序列產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是lncRNA（相應(yīng)的蛋白編碼RNA的比例是1%），雖然近年來關(guān)于lncRNA的研究進(jìn)展迅猛，但是絕大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。 生物學(xué)功能 許多l(xiāng)ncRNA都具有保守的二級結(jié)構(gòu)，剪切形式以及亞細(xì)胞定位，這種保守性和特異性表明它們是具有功能的。但lncRNA的功能相對于microRNA和蛋白質(zhì)的功能來說更加難以確定，因?yàn)槟壳安⒉荒軆H根據(jù)序列或者結(jié)構(gòu)來推測它們的功能。根據(jù)它們在基因組上相對于蛋白編碼基因的位置，可以將其分為(1) sense, (2) antisense, (3) bidirectional, (4) intronic, (5) intergenic這5種類型。這種位置關(guān)系對于推測lncRNA的功能有很大幫助。圖1. 根據(jù)lncRNA在基因組上的位置，可將其分為5種類型：1. sense, 2. antisense, 3. bidirectional, 4. intronic, 5. intergenic。圖中編碼RNA和非編碼RNA外顯子分本別用藍(lán)色和紅色表示。近年來通過對已發(fā)現(xiàn)的lncRNA的研究表明，lncRNA能夠在多種層面調(diào)控基因的表達(dá)水平，其調(diào)控機(jī)制開始為人們所揭示（圖2）。圖2. lncRNA的作用機(jī)制。根據(jù)今年來所發(fā)現(xiàn)的lncRNA的作用機(jī)制，lncRNA主要可能具有以下幾個(gè)方面的功能：1）通過在蛋白編碼基因上游啟動子區(qū)（桔）發(fā)生轉(zhuǎn)錄，干擾下游基因（藍(lán)）的表達(dá)（如酵母中的SER3基因）。2）通過抑制RNA聚合酶II或者介導(dǎo)染色質(zhì)重構(gòu)以及組蛋白修飾，影響下游基因（藍(lán)）表達(dá)（如小鼠中的p15AS）。3）通過與蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補(bǔ)雙鏈（紫），進(jìn)而干擾mRNA的剪切，從而產(chǎn)生不同的剪切形式。4）通過與蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補(bǔ)雙鏈（紫），進(jìn)一步在Dicer酶作用下產(chǎn)生內(nèi)源性的siRNA，調(diào)控基因的表達(dá)水平。5）通過結(jié)合到特定蛋白質(zhì)上，lncRNA轉(zhuǎn)錄本（綠）能夠調(diào)節(jié)相應(yīng)蛋白的活性。6）作為結(jié)構(gòu)組分與蛋白質(zhì)形成核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體。7）通過結(jié)合到特定蛋白上，改變該蛋白的胞質(zhì)定位。8）作為小分子RNA，如miRNA，piRNA的前體分子轉(zhuǎn)錄（Jeremy E. Wilusz et al, 2009, Genes Dev.）。 一般來說，lncRNA主要從以下三種層面實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控： 1. 表觀遺傳學(xué)調(diào)控 lncRNA招募染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合體到特定位點(diǎn)進(jìn)而介導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)沉默。例如來源于HOXC基因座的lncRNA HOTAIR，它能夠招募染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合體PRC2并將其定位到HOXD位點(diǎn)，進(jìn)而誘導(dǎo)HOXD位點(diǎn)的表觀遺傳學(xué)沉默。同樣，Xist，Air，Kcnq1ot1這些lncRNA都能夠通過招募相應(yīng)的重構(gòu)復(fù)合體，利用其中的甲基轉(zhuǎn)移酶如Ezh2或者G9a等實(shí)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)沉默。 2. 轉(zhuǎn)錄調(diào)控lncRNA能夠通過多種機(jī)制在轉(zhuǎn)錄水平實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的沉默，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：lncRNA的轉(zhuǎn)錄能夠干擾臨近基因的表達(dá)。例如在酵母中，SER3基因會受到其上游lncRNA SRG1的轉(zhuǎn)錄的干擾；lncRNA能夠通過封阻啟動子區(qū)域來干擾基因的表達(dá)。例如，DHFR上游的一個(gè)lncRNA能夠和DHFR的啟動子區(qū)域形成RNA-DNA3螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)錄因子TFIID的結(jié)合，從而抑制DHFR的基因表達(dá)；lncRNA能夠與RNA結(jié)合蛋白作用，并將其定位到基因啟動子區(qū)從而調(diào)控基因的表達(dá)。例如，CCND1啟動子上游一個(gè)lncRNA能夠調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白TLS的活性，進(jìn)而調(diào)控CCND1的表達(dá)；lncRNA能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性，里例如lncRNA Evf2能夠與轉(zhuǎn)錄因子Dlx2形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體從而激活Dlx6的表達(dá)；lncRNA也能夠通過調(diào)節(jié)基本轉(zhuǎn)錄因子來實(shí)現(xiàn)調(diào)控基因的表達(dá)。例如，Alu RNA能夠通過抑制RNA聚合酶II來實(shí)現(xiàn)廣譜的基因抑制。 3. 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 lncRNA能夠在轉(zhuǎn)錄后水平通過與mNRA形成雙鏈的形式調(diào)控基因的表達(dá)。例如，Zeb2 antisense RNA能夠和Zeb2 mRNA內(nèi)含子5剪切位點(diǎn)區(qū)域形成雙鏈，從而抑制該內(nèi)含子的剪切。而該區(qū)域含有對于Zeb2蛋白表達(dá)所必須的核糖體結(jié)合位點(diǎn)，Zeb2 antisense RNA通過這種方式，能夠提高Zeb2蛋白的表達(dá)量。 LncRNA與疾病大量的研究表明，在腫瘤細(xì)胞中，某些特定的lncRNA的表達(dá)水平會發(fā)生改變。這種表達(dá)水平的變化能夠作為癌癥診斷的標(biāo)志物（有時(shí)是非常靈敏的診斷標(biāo)志物，如前列腺癌中的DD3，表1）和潛在的藥物靶點(diǎn)（圖3）。圖3 近來在對阿茲海默癥的研究中找到的一個(gè)lncRNA，BACE1AS，它編碼分泌酶基因的反義鏈RNA。分泌酶能夠產(chǎn)生淀粉樣蛋白，后者的累積是阿茲海默癥的主要誘因。作為BACE1反義鏈的BACE1AS能夠在各種外界壓力刺激條件下，增加BACE1 mRNA的穩(wěn)定性（通過防止BACE1受到核酸酶降解的方式），從而導(dǎo)致更多的淀粉樣蛋白累積，并促進(jìn)BACE1AS的表達(dá)，這個(gè)正反饋循環(huán)將會加速阿茲海默癥的發(fā)展。但是，當(dāng)使用了特異性針對BACE1AS的siRNA降低BACE1AS的表達(dá)水平后，淀粉樣蛋白的表達(dá)水平也同時(shí)下降了，這表明BACE1AS是一個(gè)非常理想的治療阿茲海默癥的藥物靶點(diǎn)（Mohammad Ali Faghihi, et al. 2008. Nature Medicine）。 表1. 與疾病相關(guān)的一些lncRNA(Kannanganattu V. Prasanth, et al. 2007. Genes Dev.)LncRNAs 疾病類型Disease/disorder 參考文獻(xiàn)與癌癥相關(guān)的lncRNABC1多種癌組織中均發(fā)生上調(diào)Chen et al. 1997a; Iacoangeli et al. 2004BCMSB細(xì)胞瘤Wolf et al. 2001DD3前列腺癌Bussemakers et al. 1999H19肝癌和乳腺癌Looijenga et al. 1997; Lottin et al. 2002HIS-1骨髓性白血病Askew et al. 1994HOST2卵巢癌Rangel et al. 2003MALAT-1非小細(xì)胞肺癌，肝癌等Ji et al. 2003; Lin et al. 2006; Yamada eta al. 2006NC612前列腺癌A.P. Silva et al. 2003OCC1結(jié)腸癌Pibouin et al. 2002PCGEM1前列腺癌Srikantan et al. 2000SRA乳腺癌Lanz et al. 1999與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的lncRNABC200阿茲海默癥Lukiw et al. 1992DISC2精神分裂癥Millar et al. 2000, 2004; Blackwood et al. 2001IPWPrader-Willi綜合癥Wevrick et al. 1994PSZA11q14精神分裂癥Polesskaya et al. 2003RAY1/ST7自閉癥Vincent et al. 2002ZNF127ASPrader-Willi綜合癥Jong et al. 1999與其它類型疾病相關(guān)的lncRNA22k48DiGeorge綜合癥Pizzuti et al. 1999COPG2IT1Russell-Silver綜合癥Yamasaki et al. 2000DGCR5DiGeorge綜合癥Sutherland et al. 1996H19Beckwith-Wiedemann綜合癥Sparago et al. 2004LIT1Beckwith-Wiedemann綜合癥Niemitz et al. 2004MESTIT 1Russell-Silver綜合癥T. Li et al. 2002; Nakabayashi et al. 2002; Sonkoly et al. 2005展望生物通 相對于蛋白編碼序列以及小分子RNA，lncRNA的研究還僅僅只是處于起步階段，其功能與調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明。目前研究成果所展現(xiàn)出的lncRNA繁多的分子生物學(xué)功能，如調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄模式，調(diào)控蛋白活性，改變RNA的剪切模式等等，為人們提出了一個(gè)從未涉足的調(diào)