带你走进神秘的长链非编码RNA[创新技巧]

时间：2009年12月10日

来源：康成生物

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lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。

长链非编码RNA(lncRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。

lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%），虽然近年来关于lncRNA的研究进展迅猛，但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。

生物学功能
许多lncRNA都具有保守的二级结构，剪切形式以及亚细胞定位，这种保守性和特异性表明它们是具有功能的。但lncRNA的功能相对于microRNA和蛋白质的功能来说更加难以确定，因为目前并不能仅根据序列或者结构来推测它们的功能。根据它们在基因组上相对于蛋白编码基因的位置，可以将其分为(1) sense, (2) antisense, (3) bidirectional, (4) intronic, (5) intergenic这5种类型。这种位置关系对于推测lncRNA的功能有很大帮助。

图1. 根据lncRNA在基因组上的位置，可将其分为5种类型：1. sense, 2. antisense, 3. bidirectional, 4. intronic, 5. intergenic。图中编码RNA和非编码RNA外显子分本别用蓝色和红色表示。

近年来通过对已发现的lncRNA的研究表明，lncRNA能够在多种层面调控基因的表达水平，其调控机制开始为人们所揭示（图2）。

图2. lncRNA的作用机制。根据今年来所发现的lncRNA的作用机制，lncRNA主要可能具有以下几个方面的功能：1）通过在蛋白编码基因上游启动子区（桔）发生转录，干扰下游基因（蓝）的表达（如酵母中的SER3基因）。2）通过抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因（蓝）表达（如小鼠中的p15AS）。3）通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链（紫），进而干扰mRNA的剪切，从而产生不同的剪切形式。4）通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链（紫），进一步在Dicer酶作用下产生内源性的siRNA，调控基因的表达水平。5）通过结合到特定蛋白质上，lncRNA转录本（绿）能够调节相应蛋白的活性。6）作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体。7）通过结合到特定蛋白上，改变该蛋白的胞质定位。8）作为小分子RNA，如miRNA，piRNA的前体分子转录（Jeremy E. Wilusz et al, 2009, Genes Dev.）。

一般来说，lncRNA主要从以下三种层面实现对基因表达的调控：

1. 表观遗传学调控
lncRNA招募染色质重构复合体到特定位点进而介导相关基因的表达沉默。例如来源于HOXC基因座的lncRNA HOTAIR，它能够招募染色质重构复合体PRC2并将其定位到HOXD位点，进而诱导HOXD位点的表观遗传学沉默。同样，Xist，Air，Kcnq1ot1这些lncRNA都能够通过招募相应的重构复合体，利用其中的甲基转移酶如Ezh2或者G9a等实现表观遗传学沉默。

2. 转录调控
lncRNA能够通过多种机制在转录水平实现对基因表达的沉默，表现在如下几个方面：lncRNA的转录能够干扰临近基因的表达。例如在酵母中，SER3基因会受到其上游lncRNA SRG1的转录的干扰；lncRNA能够通过封阻启动子区域来干扰基因的表达。例如，DHFR上游的一个lncRNA能够和DHFR的启动子区域形成RNA-DNA3螺旋结构，进而抑制转录因子TFIID的结合，从而抑制DHFR的基因表达；lncRNA能够与RNA结合蛋白作用，并将其定位到基因启动子区从而调控基因的表达。例如，CCND1启动子上游一个lncRNA能够调节RNA结合蛋白TLS的活性，进而调控CCND1的表达；lncRNA能够调节转录因子的活性，里例如lncRNA Evf2能够与转录因子Dlx2形成转录复合体从而激活Dlx6的表达；lncRNA也能够通过调节基本转录因子来实现调控基因的表达。例如，Alu RNA能够通过抑制RNA聚合酶II来实现广谱的基因抑制。

3. 转录后调控
lncRNA能够在转录后水平通过与mNRA形成双链的形式调控基因的表达。例如，Zeb2 antisense RNA能够和Zeb2 mRNA内含子5’剪切位点区域形成双链，从而抑制该内含子的剪切。而该区域含有对于Zeb2蛋白表达所必须的核糖体结合位点，Zeb2 antisense RNA通过这种方式，能够提高Zeb2蛋白的表达量。

LncRNA与疾病
大量的研究表明，在肿瘤细胞中，某些特定的lncRNA的表达水平会发生改变。这种表达水平的变化能够作为癌症诊断的标志物（有时是非常灵敏的诊断标志物，如前列腺癌中的DD3，表1）和潜在的药物靶点（图3）。

图3 近来在对阿兹海默症的研究中找到的一个lncRNA，BACE1AS，它编码β分泌酶基因的反义链RNA。β分泌酶能够产生β淀粉样蛋白，后者的累积是阿兹海默症的主要诱因。作为BACE1反义链的BACE1AS能够在各种外界压力刺激条件下，增加BACE1 mRNA的稳定性（通过防止BACE1受到核酸酶降解的方式），从而导致更多的β淀粉样蛋白累积，并促进BACE1AS的表达，这个正反馈循环将会加速阿兹海默症的发展。但是，当使用了特异性针对BACE1AS的siRNA降低BACE1AS的表达水平后，β淀粉样蛋白的表达水平也同时下降了，这表明BACE1AS是一个非常理想的治疗阿兹海默症的药物靶点（Mohammad Ali Faghihi, et al. 2008. Nature Medicine）。

表1. 与疾病相关的一些lncRNA(Kannanganattu V. Prasanth, et al. 2007. Genes Dev.)

LncRNAs	疾病类型Disease/disorder	参考文献
与癌症相关的lncRNA
BC1	多种癌组织中均发生上调	Chen et al. 1997a; Iacoangeli et al. 2004
BCMS	B细胞瘤	Wolf et al. 2001
DD3	前列腺癌	Bussemakers et al. 1999
H19	肝癌和乳腺癌	Looijenga et al. 1997; Lottin et al. 2002
HIS-1	骨髓性白血病	Askew et al. 1994
HOST2	卵巢癌	Rangel et al. 2003
MALAT-1	非小细胞肺癌，肝癌等	Ji et al. 2003; Lin et al. 2006; Yamada eta al. 2006
NC612	前列腺癌	A.P. Silva et al. 2003
OCC1	结肠癌	Pibouin et al. 2002
PCGEM1	前列腺癌	Srikantan et al. 2000
SRA	乳腺癌	Lanz et al. 1999
与神经系统疾病相关的lncRNA
BC200	阿兹海默症	Lukiw et al. 1992
DISC2	精神分裂症	Millar et al. 2000, 2004; Blackwood et al. 2001
IPW	Prader-Willi综合症	Wevrick et al. 1994
PSZA11q14	精神分裂症	Polesskaya et al. 2003
RAY1/ST7	自闭症	Vincent et al. 2002
ZNF127AS	Prader-Willi综合症	Jong et al. 1999
与其它类型疾病相关的lncRNA
22k48	DiGeorge综合症	Pizzuti et al. 1999
COPG2IT1	Russell-Silver综合症	Yamasaki et al. 2000
DGCR5	DiGeorge综合症	Sutherland et al. 1996
H19	Beckwith-Wiedemann综合症	Sparago et al. 2004
LIT1	Beckwith-Wiedemann综合症	Niemitz et al. 2004
MESTIT 1	Russell-Silver综合症	T. Li et al. 2002; Nakabayashi et al. 2002; Sonkoly et al. 2005

展望
相对于蛋白编码序列以及小分子RNA，lncRNA的研究还仅仅只是处于起步阶段，其功能与调控机制仍有待进一步阐明。目前研究成果所展现出的lncRNA繁多的分子生物学功能，如调节转录模式，调控蛋白活性，改变RNA的剪切模式等等，为人们提出了一个从未涉足的调控领域。

当下lncRNA的主要研究方向仍然是通过原位杂交技术，过表达技术，siRNA介导的基因沉默技术来发现更多新的lncRNA，为目前的调控模式提供更多的支持和完善。这种传统的手段固然精确，然而却缺乏效率，随着更多高通量筛查技术的发展，如Microarray芯片杂交技术，新一代高通量测序技术，结合生物信息学的预测工具，人们将能够更快更有效率的发现那些具有重要调控功能的lncRNA。