（精選文檔）表觀遺傳與長鏈非編碼RNA

1、表觀遺傳學(xué)：長鏈非編碼RNA的研究進(jìn)展摘要：自從功能基因組學(xué)的飛速發(fā)展，人們越來越多地將目光集中在表觀遺傳學(xué)功能的研究。表觀遺傳學(xué)是一門研究基因表達(dá)發(fā)生了可遺傳的改變，而DNA 序列不發(fā)生改變的遺傳分支學(xué)科。表觀遺傳學(xué)的主要機(jī)制包括 DNA甲基化、組蛋白修飾及新近發(fā)現(xiàn)的非編碼RNA。非編碼RNA是指基因組轉(zhuǎn)錄而來卻不翻譯的RNA，主要包括小干涉 RNA、miRNA、piRNA 以及長鏈非編碼RNA。近年來，隨著 miRNA 的研究逐漸加深，長鏈非編碼RNA也慢慢引起研究者的重視，并且很快顯示出其在表觀遺傳學(xué)的重要作用，迅速成為一個研究熱點。表觀遺傳學(xué)是研究基因表達(dá)發(fā)生了可遺傳的改變，而DNA

2、序列不發(fā)生改變的一門生物學(xué)分支。而由其發(fā)生改變導(dǎo)致的變異即表觀遺傳變異，表觀遺傳變異(Epigenetic variation)是指在基因的DNA序列在沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導(dǎo)致了表型的變化。它是一種不符合孟德爾遺傳規(guī)律的核內(nèi)遺傳。因此，可以看出，個體的性狀是由細(xì)胞內(nèi)兩種遺傳信息所共同決定的，一種是DNA序列所提供的遺傳信息，而另外一種可以看作是由表觀遺傳學(xué)信息。其中，表觀遺傳學(xué)信息主要是在DNA序列信息上的調(diào)控，即調(diào)控DNA序列何時、何地、通過何種方式表達(dá)。表觀遺傳學(xué)的主要機(jī)制包括DNA甲基化、組蛋白修飾及非編碼RNA。DNA甲基化(DNA methylat

3、ion)是在 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA-methyltransferases，DNMTs) 的催化下，CpG 二核苷酸中的胞嘧啶被選擇性地添加甲基，形成5-甲基胞嘧啶。甲基化是基因組DNA的一種主要表觀遺傳修飾形式，是調(diào)節(jié)基因組功能的重要手段。體內(nèi)甲基化狀態(tài)有3種：持續(xù)的低甲基化狀態(tài)，如持家基因；誘導(dǎo)的去甲基化狀態(tài)，如發(fā)育階段中的一些基因；高度甲基化狀態(tài)，如女性的一條縊縮的x染色體。DNA甲基化主要是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶家族來催化。在細(xì)胞分化的過程中，基因的甲基化狀態(tài)將遺傳給后代細(xì)胞。組蛋白修飾(Histone modifications) 是指組蛋白的基礎(chǔ)氨基末端尾部突出于核小體，常在轉(zhuǎn)錄后

4、發(fā)生變化。主要包括組蛋白甲基化、乙?；c去乙酰化、泛素化、磷酸化和ADP核糖基化等。其中甲基化是組蛋白重要的修飾方式，多發(fā)生于組蛋白H3、H4的賴氨酸(K)和精氨酸(A) 殘基上，組蛋白賴氨酸甲基化既可以導(dǎo)致激活，也可以導(dǎo)致抑制，通常取決于它所位于的殘基情況。有染色質(zhì)免疫沉淀分析證明， H3 Lys9的甲基化與失活基因的啟動子有關(guān)，而 Lys4的甲基化則與x染色體的活性基因有關(guān)。這表明H 3氨基末端不同位點的甲基化分別與基因的失活與激活相關(guān)。非編碼RNA在基因表達(dá)中發(fā)揮重要作用，按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。短鏈RNA在基因組水平對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，其可介導(dǎo)mRNA的

5、降解，誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，決定著細(xì)胞的分化命運，還對外源的核酸有降解作用以保護(hù)本身的基因組。在miRNA的研究成熟后，研究者將目光轉(zhuǎn)向長鏈非編碼RNA，發(fā)現(xiàn)其在基因簇以至于整個染色體水平發(fā)揮重要的順式調(diào)節(jié)作用。本文將重點綜述長鏈非編碼RNA在表觀遺傳學(xué)中的調(diào)控機(jī)制及其作用。1 長非編碼RNA的簡介在某些特定情況下的細(xì)胞中，哺乳動物的常染色體中幾乎每一對核苷酸對都會發(fā)生轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象。能夠穩(wěn)定存在的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中信使RNA(messenger RNA, mRNA)不超過2%，其余絕大部分為非編碼RNA。其中長度大于200bp的非編碼RNA即為長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA, ln

6、cRNA)，在人體內(nèi)，lncRNA在數(shù)量上占全部非編碼RNA 轉(zhuǎn)錄的大部分。lncRNA起初被認(rèn)為是基因組轉(zhuǎn)錄的“噪音”，是RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，不具有生物學(xué)功能。近年來研究表明，lncRNA參與了X染色體的沉默，基因組印記，染色體修飾，轉(zhuǎn)錄激活，轉(zhuǎn)錄干擾及核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要調(diào)控過程，這些調(diào)控作用已經(jīng)廣泛引起人們的關(guān)注。根據(jù)傳統(tǒng)的遺傳學(xué)研究方法“基因-mRNA-蛋白質(zhì)-功能”這個策略以及傳統(tǒng)的研究技術(shù)手段，長鏈非編碼RNA很難被發(fā)現(xiàn)，即使偶然被發(fā)現(xiàn)，也會因為此區(qū)域不編碼蛋白質(zhì)，而被忽略。lncRNA的發(fā)現(xiàn)主要歸功于基因組和基因芯片等高新技術(shù)的研究，通過基因組測序，發(fā)現(xiàn)一些基因編碼RNA，但

7、這些RNA并不翻譯成為蛋白質(zhì)，其實就是非編碼RNA。此外，目前的基因芯片可以高密度檢測所有的RNA，發(fā)現(xiàn)了更多被遺漏的非編碼RNA，其中長鏈非編碼RNA占了大部分。2 lncRNA的生物學(xué)特性2.1缺乏長的進(jìn)化保守的開放閱讀框 lncRNA與mRNA有很多相似的特點和重疊的區(qū)域,因為基因組中所謂的轉(zhuǎn)錄熱點常常既轉(zhuǎn)錄mRNA，也轉(zhuǎn)錄lncRNA，蛋白質(zhì)編碼基因兩條鏈中的任意一條都可能轉(zhuǎn)錄lncRNA。而同一個蛋白質(zhì)編碼基因可以轉(zhuǎn)錄出不同的mRNA 或者是lncRNA。一部分lncRNA 和mRNA可由外顯子通過可變剪切組合而成lncRNA，并且在3 末端添加有多聚腺苷酸。但是lncRNA缺乏長的

8、進(jìn)化保守的開放閱讀框，沒有編碼蛋白質(zhì)的功能。2.2保守性 不同于mRNA 和小分子RNA，lncRNA 在不同物種之間的保守性較差，這經(jīng)常被作為其無功能的證據(jù)。這可能是對進(jìn)化快速適應(yīng)的結(jié)果，因為lncRNA 可能在進(jìn)化壓力下比cDNA更容易改變，lncRNA對突變具有更大的包容性，這將有助于形成物種間或物種內(nèi)的差異表型。然而lncRNA 在某些短區(qū)段內(nèi)的保守性非常高，且具有保守的二級結(jié)構(gòu)，相比于其他區(qū)段，它們的堿基置換率、外來片段插入率以及自身片段丟失的概率都很低，核酸剪切位點相當(dāng)穩(wěn)定，在lncRNA的穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄和剪切層面上體現(xiàn)了其功能序列的完整性。這些高保守元件的特定核苷酸序列或空間結(jié)構(gòu)往往對

9、lncRNA功能的發(fā)揮至關(guān)重要，其他區(qū)段則可能維持其二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定或?qū)ncRNA 功能的發(fā)揮起輔助作用。2.3時空特異性 目前發(fā)現(xiàn)的lncRNA的表達(dá)具有組織特異性、細(xì)胞特異性，并定位于特定的亞細(xì)胞間隔 ，如NRON基因在胎盤、肌肉、淋巴組織中有顯著表達(dá)，而在心臟、甲狀腺、腎上腺中幾乎沒有表達(dá) 。因此，某些特定的長片段lncRNA可能是某些腫瘤的特異性腫瘤標(biāo)志物。其表達(dá)的時間特異性，即只在特定發(fā)育階段表達(dá)或在不同發(fā)育階段有不同的表達(dá)。如相對于非轉(zhuǎn)移性的細(xì)胞肺癌，轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌中MALAT-1基因的表達(dá)更多。3 lncRNA的作用機(jī)制lncRNA 參與了X染色體的沉默、基因組印記、染色體修

10、飾、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾及核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要調(diào)控過程，這些表觀水平上或基因水平上的調(diào)控，使得lncRNA在基因的表達(dá)及個體的性狀的調(diào)控方面有很大的作用，至于lncRNA的調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜，至今尚未完全清楚。lncRNA具有局部高度保守的序列元件，特定的空間二級結(jié)構(gòu)，組織或細(xì)胞特異性表達(dá)以及明確的亞細(xì)胞定位，這提示了lncRNA可能具有重要的生物學(xué)功能。lncRNA可以作用于轉(zhuǎn)錄激活因子或轉(zhuǎn)錄抑制因子，作用于RNA polymerase II(RNAP II)的不同組分，又可作為共調(diào)控因子之一(co-regulator)，與其他組分一道在基因表達(dá)過程中發(fā)揮調(diào)控作用，也可以直接與DNA 雙螺旋相互作

11、用，從不同方面影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。在不同的機(jī)制中，lncRNA扮演的角色可能不同。所以，lncRNA的作用機(jī)制比較復(fù)雜，隨著研究的深入進(jìn)行，lncRNA的作用機(jī)制也開始為人們揭示。圖1 lncRNA的主要作用機(jī)制根據(jù)近年來所發(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)。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)。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（

12、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。4 lncRNA調(diào)控基因表達(dá)lncRNA 可在多個層次上對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，依據(jù)目前研究所得到的信息，lncRNA 對于基因表達(dá)調(diào)控的層次大體上可以分為：表觀修飾水平調(diào)控；轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控；轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控。4.1表觀修飾水平調(diào)控lncRN可以通過與各種染色質(zhì)修飾酶的相互作用，對染色質(zhì)進(jìn)行化學(xué)修飾

13、，改變其構(gòu)象，激活或抑制相關(guān)基因的表達(dá)。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，進(jìn)而誘導(dǎo)HOXD位點的表觀遺傳學(xué)沉默。在胚胎發(fā)育階段，lncRNA 參與引起可遺傳的等位基因后期表達(dá)沉默、表觀性狀的維持，對于多細(xì)胞動物的正常發(fā)育和細(xì)胞分化至關(guān)重要。而關(guān)于lncRNA很多關(guān)鍵的表觀水平上的問題包括lncRNA 作用的時空特異性、作用對象，自身的分子狀態(tài)、包括參與其調(diào)控的協(xié)同作用因子的種類與功能等都需要進(jìn)行更為細(xì)致的研究。4.2轉(zhuǎn)錄調(diào)控lncRNA能夠通過多種機(jī)制在轉(zhuǎn)錄水平實現(xiàn)對基因表達(dá)的沉默，表現(xiàn)在如下幾個方面：a.有些lnc

14、RNA 自身作為主要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，直接改變靶基因染色體結(jié)構(gòu)，調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。b.上游lncRNA 的轉(zhuǎn)錄也可能增強(qiáng)靶基因與RNA聚合酶的親和力，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄。c.一些在靶基因上游轉(zhuǎn)錄的lncRNA可以直接與靶基因序列作用，通過兩種分子上的堿基互補(bǔ)作用，從而抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。d.同時，lncRNA也可以將轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子募集到鄰近的靶基因啟動子上，調(diào)控其表達(dá)。e. lncRNA 結(jié)合有些同時還具有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的RNA結(jié)合蛋白，改變了這些蛋白與靶基因的位置關(guān)系，使得靶基因表達(dá)狀態(tài)改變。f. lncRNA 的調(diào)控功能依賴于與蛋白質(zhì)形成核糖核蛋白復(fù)合物, 及調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子亞基的聚合狀態(tài)，或改

15、變轉(zhuǎn)錄因子的亞細(xì)胞定位。g.另一些lncRNA 作為轉(zhuǎn)錄過程中的共調(diào)控因子，與其他組分一起，在基因轉(zhuǎn)錄中發(fā)揮作用, 包括與轉(zhuǎn)錄因子及其組分作用，改變轉(zhuǎn)錄因子及其組分的活性、亞基聚合狀態(tài)等。4.3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)。lncRNA 與mRNA 經(jīng)過序列配對形成的RNA二聚物可以掩蔽mRNA分子上與轉(zhuǎn)錄加工過程相關(guān)因子的作用位點，從而達(dá)到調(diào)控mRNA轉(zhuǎn)錄后加工的目的。受lncRNA調(diào)控的轉(zhuǎn)錄后加工過程主要包括了剪切、轉(zhuǎn)運、翻譯和降解等，從而誘導(dǎo)其編碼的蛋白質(zhì)翻譯和功能多樣化。5 lncRNA與腫瘤的發(fā)生據(jù)大量臨床觀察和實驗顯示，lncRN

16、A 的異常表達(dá)往往是疾病發(fā)生的重要原因之一。通過全基因組序列分析發(fā)現(xiàn)，lncRNA中的特定超保守元件在人類腫瘤細(xì)胞中存在著廣泛表達(dá)。后續(xù)研究則發(fā)現(xiàn)這些超保守元件與正常細(xì)胞的原癌基因有關(guān)，起著抑制細(xì)胞凋亡的作用，在正常細(xì)胞中有很多分布在染色體的脆性位點和腫瘤相關(guān)區(qū)域的拷貝。這說明這類超保守元件本在正常個體生長發(fā)育中發(fā)揮重要作用，而其異常表達(dá)則會導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。例如，在前列腺腫瘤中，一種名為PCGEM1 的lncRNA 的過量表達(dá)，導(dǎo)致了腫瘤細(xì)胞的增殖和克隆形成。另外，lncRNA 可能調(diào)控一些腫瘤相關(guān)蛋白，lncRNA 與蛋白相互作用調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展過程可能是一種普遍機(jī)制。lncRNA 的

17、致病機(jī)制，除上述模型外，還存在別的類型，如lncRNA 作為基因沉默元件與抑癌基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)合，造成表達(dá)沉默，誘發(fā)腫瘤; 或lncRNA 形成特殊的發(fā)卡結(jié)構(gòu)，干擾靶基因mRNA 的正常剪切，造成病變；以及l(fā)ncRNA還能影響端粒的存在和變化，這也很可能對腫瘤的促進(jìn)或抑制有很大作用。6 展望近年來，內(nèi)源性小分子RNA的研究已取得了令人矚目的成果，包括RNAi在內(nèi)的以小分子RNA的基因表達(dá)調(diào)控功能為基礎(chǔ)的工程學(xué)手段問世，大大推進(jìn)了生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展。相比于其他RNA，lncRNA的研究還僅僅只是處于起步階段，lncRNA 在表達(dá)調(diào)控中的特色主要與自身分子長度有關(guān)，其功能與調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步闡明

18、。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，不僅如此，lncRNA的功能涵蓋染色體高度有序的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化、端粒生物學(xué)及亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位等領(lǐng)域。為人們提出了一個從未涉足的調(diào)控領(lǐng)域。lncRNA 在漫長的進(jìn)化中被賦予了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、信息等方面的功能，通過與DNA、其它RNA、蛋白質(zhì)的相互作用，在生命活動調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中扮演著十分重要的角色，lncRNA對于未來生命科學(xué)，尤其是在腫瘤方面的研究占有很重要的地位。盡管現(xiàn)今對其了解不足，可以肯定的是，隨著更多高通量篩查技術(shù)的發(fā)展，如芯片雜交技術(shù)，新一代高通量測序技術(shù)，結(jié)合生物信息學(xué)的預(yù)測工具，人

19、們將能夠更快更有效率的發(fā)現(xiàn)那些具有重要調(diào)控功能的lncRNA。參考文獻(xiàn)1 Birney E, Stamatoyannopoulos JA, Dutta A, et al. Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project. Nature, 2007, 447 (7146): 799-162 Bertone P, Stolc V, Royce TE, et al. Global identification of human transc

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