lncRNA(完成版)

1、長鏈非編碼長鏈非編碼RNARNAOutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lncRNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病A. 是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過 200 nt(核苷酸單位核苷酸單位 )的功能性的功能性 RNA 分子分子1;B. 位于細胞核或胞質(zhì)內(nèi)位于細胞核或胞質(zhì)內(nèi);C. 它們它們?nèi)狈幋a蛋白缺乏編碼蛋白的能力的能力;D. 以以 RNA 形式在多種層面上形式在多種層面上 (如表觀遺傳學、轉(zhuǎn)錄調(diào)控如表觀遺傳學、轉(zhuǎn)錄調(diào)控及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等方面及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等方面 )調(diào)控基因

2、的表達水平。調(diào)控基因的表達水平。lncRNA的定義的定義OutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lncRNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病 編碼蛋白質(zhì)的基因結構發(fā)生中斷而轉(zhuǎn)變成編碼蛋白質(zhì)的基因結構發(fā)生中斷而轉(zhuǎn)變成 lncRNAs染色質(zhì)重組的結染色質(zhì)重組的結果果，即兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一獨立的基因并排，即兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一獨立的基因并排重重組組而產(chǎn)生含多個外顯子的而產(chǎn)生含多個外顯子的 lncRNAs非編碼基因復制過程中的反移位產(chǎn)物非編碼基因復制過程中的反移位產(chǎn)物 局部的串聯(lián)復

3、制子鄰近產(chǎn)生局部的串聯(lián)復制子鄰近產(chǎn)生 基因組中插入一個轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼基因組中插入一個轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼 RNAOutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lncRNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病據(jù)其在基因組上相對于蛋白編碼基因的據(jù)其在基因組上相對于蛋白編碼基因的 位置位置 antisensesense intergenicbidirectionalintronicOutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lnc

4、RNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病2022-3-16lncRNA 起初人們認為起初人們認為RNA聚合酶聚合酶轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物無生物學功能無生物學功能 基因轉(zhuǎn)錄的基因轉(zhuǎn)錄的“噪音噪音”JUNK DNA!lncRNA的功能的功能2022-3-16近期研究表明眾多近期研究表明眾多l(xiāng)nc RNAlnc RNA具有多種生物學功能具有多種生物學功能 1.1.參與參與X X染色體沉默、基因組印記、染色質(zhì)修飾、染色體沉默、基因組印記、染色質(zhì)修飾、 轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾、核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要調(diào)控轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾、核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要調(diào)控

5、過程。過程。2. 2. 以多種模式保護蛋白編碼基因以多種模式保護蛋白編碼基因: :如受到嚴格的功如受到嚴格的功能限制以保護編碼基因的開放式可讀框能限制以保護編碼基因的開放式可讀框(ORF);(ORF);或或表現(xiàn)為基因序列的較短延伸表現(xiàn)為基因序列的較短延伸, ,以保護功能域和結以保護功能域和結構。構。lncRNA的功能的功能2022-3-163.Lnc RNA3.Lnc RNA含有高效的關鍵序列含有高效的關鍵序列, , 類似于啟動子等類似于啟動子等調(diào)控因素調(diào)控因素, , 具有具有比蛋白質(zhì)更敏感比蛋白質(zhì)更敏感的結構功能限制。的結構功能限制。4. 4. 一些進化后的人類基因保守區(qū)域可被轉(zhuǎn)錄成一些進化

6、后的人類基因保守區(qū)域可被轉(zhuǎn)錄成lncRNA,lncRNA,如如HAR18,HAR18,在大腦皮質(zhì)發(fā)育階段早期神在大腦皮質(zhì)發(fā)育階段早期神經(jīng)元內(nèi)表達。經(jīng)元內(nèi)表達。lncRNA的功能的功能2022-3-165.5.研究顯示研究顯示, ,哺乳動物基因組序列中哺乳動物基因組序列中1%1%產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是可編碼蛋白本是可編碼蛋白, ,而有而有4%4%9%9%產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是lnc lnc RNA,RNA,其中許多其中許多 lnc RNAlnc RNA僅在特定的發(fā)育階段出現(xiàn)僅在特定的發(fā)育階段出現(xiàn), ,或具有組織或細胞特異性或具有組織或細胞特異性, ,還有很多還有很多l(xiāng)nc RNAlnc

7、RNA具有具有保守的二級結構、剪切形式以及精確的亞細胞定保守的二級結構、剪切形式以及精確的亞細胞定位。位。 6.Lnc RNA6.Lnc RNA既有順式調(diào)控作用，又有反式調(diào)控作用。既有順式調(diào)控作用，又有反式調(diào)控作用。lncRNA的功能的功能2022-3-161 1、在編碼蛋白基因的上游啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄、在編碼蛋白基因的上游啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄, ,從而干擾鄰近蛋白編碼基因的表從而干擾鄰近蛋白編碼基因的表 達達( (如酵母中的如酵母中的SER3SER3基因基因 ););2 2、抑制、抑制RNARNA聚合酶聚合酶, ,或介導染色質(zhì)重構和組蛋白修飾或介導染色質(zhì)重構和組蛋白修飾, ,而影響基因表達而影響基因表達;

8、 ;3 3、與編碼蛋白基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補雙鏈、與編碼蛋白基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補雙鏈, , 進而干擾進而干擾mRNAmRNA的剪切的剪切, ,產(chǎn)生不產(chǎn)生不 同的剪切形式同的剪切形式; ; 4 4、與編碼蛋白基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補雙鏈、與編碼蛋白基因的轉(zhuǎn)錄本形成互補雙鏈, ,在在DicerDicer酶作用下產(chǎn)生內(nèi)源性酶作用下產(chǎn)生內(nèi)源性 的的siRNA(siRNA(小干擾小干擾RNA),RNA),調(diào)控基因的表達水平調(diào)控基因的表達水平; ;5 5、結合在特定蛋白質(zhì)上調(diào)節(jié)相應蛋白的活性、結合在特定蛋白質(zhì)上調(diào)節(jié)相應蛋白的活性; ;6 6、作為結構組分與蛋白質(zhì)形成核酸蛋白質(zhì)復合體、作為結構組分與蛋白質(zhì)形成核酸

9、蛋白質(zhì)復合體; ;7 7、結合在特定蛋白上從而改變該蛋白的胞質(zhì)定位、結合在特定蛋白上從而改變該蛋白的胞質(zhì)定位; ; 8 8、可作為小分子、可作為小分子RNA(RNA(如如miRNAmiRNA、piRNApiRNA、mascRNA)mascRNA)的前體分子（如圖）。的前體分子（如圖）。lnc RNA的作用方式的作用方式2022-3-16OutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lncRNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病2022-3-16 目前發(fā)現(xiàn)的參與哺乳動物基因活動的目前發(fā)現(xiàn)的

10、參與哺乳動物基因活動的lnc RNAlnc RNA已有上已有上千個千個, ,其調(diào)控基因表達的機制存在共性。其調(diào)控基因表達的機制存在共性。 一般來說一般來說,lnc RNA,lnc RNA主要從主要從3 3個層面?zhèn)€層面實現(xiàn)對基因表達的實現(xiàn)對基因表達的調(diào)控。調(diào)控。調(diào)控基因表達調(diào)控基因表達其他其他轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控表觀遺傳學表觀遺傳學轉(zhuǎn)錄后調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控一、表觀遺傳調(diào)控一、表觀遺傳調(diào)控 2022-3-16 哺乳動物哺乳動物lncRNAlncRNA介導的表觀遺傳改變的研究最早介導的表觀遺傳改變的研究最早源于源于基因組印記基因組印記(genomic printing)(genomic printing)和

11、和X X染色體失活染色體失活 (X chromosome inactive)(X chromosome inactive)兩個方面兩個方面, ,分別與分別與H19H19和和XistRNAXistRNA密切相關。密切相關。 近十年研究證實近十年研究證實lncRNAlncRNA與表觀遺傳調(diào)控密切相關與表觀遺傳調(diào)控密切相關, ,并并且發(fā)現(xiàn)了許多新的與基因調(diào)控有關且發(fā)現(xiàn)了許多新的與基因調(diào)控有關lncRNAlncRNA。1.基因組印記 2.X染色體失活 1 . 1 . 基因組印記基因組印記 2022-3-16 基因組印記基因組印記, , 通常為共價標記的通常為共價標記的DNADNA甲基化甲基化 ( (也

12、可以也可以是非共價標記是非共價標記, , 如如DNA -DNA -蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和DNA -RNADNA -RNA交互作用交互作用, , 核基因核基因組定位等組定位等) , ) , 還包括組蛋白乙?；?、甲基化等修飾。還包括組蛋白乙?；?、甲基化等修飾。 雖然印記基因只占人類基因組的不到雖然印記基因只占人類基因組的不到5% , 5% , 但在胚胎、但在胚胎、 胎兒的生長和出生后的發(fā)育中卻起著至關重要的調(diào)節(jié)作用胎兒的生長和出生后的發(fā)育中卻起著至關重要的調(diào)節(jié)作用, , 對行為和大腦的功能也有很大的影響。對行為和大腦的功能也有很大的影響。2022-3-16 DNA DNA 甲基化參與基因印記的建立和維持

13、甲基化參與基因印記的建立和維持, , 它發(fā)生在它發(fā)生在生殖細生殖細胞的印記控制區(qū)胞的印記控制區(qū) (ICR ) (ICR ) 。 目前對這一領域的研究基本上是針對兩個基因印記區(qū)目前對這一領域的研究基本上是針對兩個基因印記區(qū): : 1717號染色體近端的號染色體近端的IGF2IGF2受體受體(Igf2r)(Igf2r)區(qū)和區(qū)和7 7號染色體遠端的號染色體遠端的Kcnq1Kcnq1區(qū)區(qū), , lncRNA lncRNA 在這些印記位點發(fā)揮重要作用。在這些印記位點發(fā)揮重要作用。LncRNA LncRNA 在印記區(qū)介導在印記區(qū)介導等位基因沉默。等位基因沉默。2022-3-16 目前已知的是目前已知的是,

14、 ,高達半數(shù)的哺乳動物基因都能轉(zhuǎn)錄高達半數(shù)的哺乳動物基因都能轉(zhuǎn)錄, ,而其中大部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是非編碼而其中大部分轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是非編碼RNARNA2121 ( (包括包括lncRNA),lncRNA),已有個別已有個別lncRNAlncRNA被證明參與調(diào)控印記基因表達。被證明參與調(diào)控印記基因表達。 小鼠小鼠1717號染色體的號染色體的Igf2rIgf2r區(qū)是區(qū)是第一個被證實第一個被證實的可轉(zhuǎn)錄的可轉(zhuǎn)錄為為lncRNAlncRNA的位點。的位點。2 2、X X 染色體失活染色體失活2022-3-16。 X X染色體失活的選擇和起始發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期染色體失活的選擇和起始發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期這一過程被這

15、一過程被X X失活中失活中(X-inactivation center,XIC) (X-inactivation center,XIC) 所控制所控制, ,是一種反義鏈轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式。是一種反義鏈轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式。 X X 染 色 體 失 活 是 由 標 志 性 的 約染 色 體 失 活 是 由 標 志 性 的 約 1 7 k b1 7 k b 大 小 的大 小 的lncRNAlncRNAXistXist順式作用介導順式作用介導, ,它在哺乳動物的它在哺乳動物的X X染色體染色體失活中失活中非常重要。非常重要。2022-3-16 Xist(X inactive specific transcript

16、) Xist(X inactive specific transcript)介導的介導的X X染染色體失活的特征總結來說就是喪失激活性的組蛋白修飾色體失活的特征總結來說就是喪失激活性的組蛋白修飾( (如如乙酰化乙酰化) )而獲得抑制性的組蛋白修飾而獲得抑制性的組蛋白修飾( (如如H3K27H3K27的三甲基化的三甲基化),),導致失活染色體上的許多導致失活染色體上的許多CpGCpG島啟動子甲基化島啟動子甲基化, ,失活的染色失活的染色體依舊持續(xù)合成體依舊持續(xù)合成Xist,Xist,以維持本身的失活狀態(tài)。以維持本身的失活狀態(tài)。 但有活性的但有活性的X X染色體染色體如何阻止如何阻止XistRNA

17、XistRNA的結合機制還不的結合機制還不明確。明確。2022-3-16 另有研究報道另有研究報道:X:X染色體失活尚存在另一機制染色體失活尚存在另一機制, ,即即與一種調(diào)控與一種調(diào)控性小非編碼性小非編碼RNARNA有關有關。XistXist和反義鏈轉(zhuǎn)錄本和反義鏈轉(zhuǎn)錄本TsixTsix退火復性后可退火復性后可形成一形成一RNARNA二聚體二聚體, , 在在DicerDicer酶作用下酶作用下, ,被加工剪切成約被加工剪切成約24-42nt24-42nt大小的調(diào)控性大小的調(diào)控性siRNA,siRNA,這一機制對于失活的這一機制對于失活的X X染色體上的抑制性染色體上的抑制性異染色質(zhì)的修飾是必需的

18、異染色質(zhì)的修飾是必需的, ,因為因為X X染色體失活過程中組蛋白、賴染色體失活過程中組蛋白、賴氨酸和三甲基色氨酸等都需要這些氨酸和三甲基色氨酸等都需要這些siRNA,siRNA,并且并且X X染色體激活時染色體激活時X X istist啟動子區(qū)的啟動子區(qū)的CpGCpG島甲基化也需要它們。島甲基化也需要它們。2022-3-16 以上機制或許可以推測以上機制或許可以推測lncRNAlncRNA和和RNARNA在染在染色質(zhì)重塑方面的作用與聯(lián)系色質(zhì)重塑方面的作用與聯(lián)系, ,同時提示同時提示RNARNA調(diào)控調(diào)控存在著一個更為復雜的、交互的網(wǎng)絡。存在著一個更為復雜的、交互的網(wǎng)絡。二、轉(zhuǎn)錄調(diào)控二、轉(zhuǎn)錄調(diào)控

19、2022-3-16 LncRNA LncRNA 能夠通過多種機制在轉(zhuǎn)錄水平進行調(diào)控能夠通過多種機制在轉(zhuǎn)錄水平進行調(diào)控, , 表現(xiàn)在如下兩個方面：表現(xiàn)在如下兩個方面： 1.LncRNA1.LncRNA的轉(zhuǎn)錄可以的轉(zhuǎn)錄可以干擾鄰近基因的表達干擾鄰近基因的表達。 2.LncRNA 2.LncRNA 可作為可作為共因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性共因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性。 1.LncRNA 的轉(zhuǎn)錄可以干擾鄰近基因的表達的轉(zhuǎn)錄可以干擾鄰近基因的表達2022-3-16 人類細胞中的細胞周期蛋白人類細胞中的細胞周期蛋白D1(CCND1)D1(CCND1)的表達的表達, , DNADNA損傷信號誘導該基因啟動子上游一段

20、損傷信號誘導該基因啟動子上游一段lncRNAlncRNA的表的表達達, ,它可調(diào)節(jié)它可調(diào)節(jié)RNARNA結合蛋白結合蛋白-TLS-TLS的活性的活性, ,接著接著TLSTLS抑制抑制CREBCREB結合蛋白和結合蛋白和p300p300的活動的活動, ,進而使進而使CCND1CCND1基因的表基因的表達沉默達沉默2.LncRNA可作為共因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性可作為共因子調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性2022-3-16 例如例如,小鼠的一段小鼠的一段lncRNA-Evf2轉(zhuǎn)錄自一段超保守的遠端增轉(zhuǎn)錄自一段超保守的遠端增強子強子,它可與轉(zhuǎn)錄因子它可與轉(zhuǎn)錄因子DLX2形成轉(zhuǎn)錄復合體形成轉(zhuǎn)錄復合體, 并結合至一個增并

21、結合至一個增強子上強子上,從而誘導鄰近蛋白編碼基因從而誘導鄰近蛋白編碼基因DLX6的表達。的表達。 通過與影響啟動子選擇的抑制性復合物相互作用通過與影響啟動子選擇的抑制性復合物相互作用,封鎖啟動子封鎖啟動子區(qū)域來調(diào)控區(qū)域來調(diào)控RNA聚合酶聚合酶(RNA P)的活動從而干擾基因表達的活動從而干擾基因表達,這可這可能是能是存在于真核細胞染色體上的上千種三倍體復合物結構控制存在于真核細胞染色體上的上千種三倍體復合物結構控制啟動子作用的普遍機制啟動子作用的普遍機制。三、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控三、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控 2022-3-16 LncRNALncRNA在轉(zhuǎn)錄后水平可與在轉(zhuǎn)錄后水平可與mNRAmNRA形成雙鏈形成雙鏈

22、RNARNA復合物復合物, ,以以掩蓋掩蓋mRNAmRNA的主順式作用元件的主順式作用元件, ,從而調(diào)控基因表達。從而調(diào)控基因表達。 例如例如,lncRNA-Zeb2(,lncRNA-Zeb2(即即Sip1)Sip1)能夠和能夠和HOXHOX位點轉(zhuǎn)錄的位點轉(zhuǎn)錄的mRNAmRNA的的一一 個內(nèi)含子的個內(nèi)含子的5 5端剪切位點形成雙鏈端剪切位點形成雙鏈2626, ,從而防止該內(nèi)含子從而防止該內(nèi)含子被剪切被剪切( (圖圖2E)2E)。該區(qū)域含有對于。該區(qū)域含有對于Zeb2Zeb2蛋白表達所必須的核糖蛋白表達所必須的核糖體結合點體結合點,Zeb2,Zeb2通過這種方式能夠提高通過這種方式能夠提高Zeb

23、2Zeb2蛋白的表達量。蛋白的表達量。 這一例子說明這一例子說明lncRNAlncRNA可以指導可以指導mRNAmRNA亞型的選擇性剪接亞型的選擇性剪接。2022-3-16 另外另外,lncRNA,lncRNA的復性的復性( (退火退火) )具有靶向作用具有靶向作用, ,使蛋白受體復合使蛋白受體復合物能夠識別正義鏈物能夠識別正義鏈mRNAmRNA轉(zhuǎn)錄本轉(zhuǎn)錄本, ,這一作用類似于這一作用類似于RNARNA誘導的沉誘導的沉默復合物默復合物(RISC)(RISC)通過通過siRNAsiRNA靶向作用于靶向作用于mRNA mRNA 。 來自于互補轉(zhuǎn)錄本甚至是來自于互補轉(zhuǎn)錄本甚至是lncRNAlncRN

24、A的雙鏈的雙鏈RNA,RNA,結合延長的內(nèi)結合延長的內(nèi)部發(fā)夾結構部發(fā)夾結構, ,能夠被加工成內(nèi)源性能夠被加工成內(nèi)源性siRNAsiRNA以使基因表達沉默。以使基因表達沉默。OutlineslncRNA的定義的定義lncRNA的來源的來源lncRNA的分類的分類lncRNA的功能及作用分析的功能及作用分析lncRNA對基因的調(diào)控對基因的調(diào)控lncRNA與臨床疾病與臨床疾病 大量研究表明，大量研究表明，lncRNA從轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平參與從轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平參與蛋白質(zhì)編碼基因調(diào)控，這些基因包括蛋白質(zhì)編碼基因調(diào)控，這些基因包括發(fā)育相關基因發(fā)育相關基因及及疾病發(fā)生相關基因疾病發(fā)生相關基因。 通過參與調(diào)控蛋

25、白質(zhì)編碼基因，通過參與調(diào)控蛋白質(zhì)編碼基因，lncRNA既能影響既能影響細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導途徑細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導途徑，也能影響，也能影響生物體發(fā)育過程中生物體發(fā)育過程中的信號轉(zhuǎn)導通路的信號轉(zhuǎn)導通路27。 基于上述研究結果，基于上述研究結果，lncRNA失調(diào)失調(diào)似乎成為似乎成為人類復人類復雜性疾病發(fā)病的雜性疾病發(fā)病的主要原因主要原因。 lncRNAlncRNA失調(diào)相關疾病失調(diào)相關疾病2022-3-16 在多種在多種癌癥癌癥lncRNAlncRNA失調(diào)現(xiàn)象均有報道，例如失調(diào)現(xiàn)象均有報道，例如白血病、結腸癌、前列腺癌、乳腺癌和肝癌等等。白血病、結腸癌、前列腺癌、乳腺癌和肝癌等等。 通過對通過對阿爾茨海默病阿爾茨海默病的研究識別了一個的研究識別了一個-分分泌酶基因的反義鏈泌酶基因