综述：染色质相关长链非编码RNA在三维染色质重塑和异染色质化中的新兴作用：对重度抑郁症的启示

本文系统探讨了lncRNA通过调控三维基因组结构和异染色质化在MDD发病机制中的关键作用。作者深入分析了lncRNA与PRC2等染色质修饰复合物的相互作用，及其对H3K27me3等组蛋白修饰的影响，为理解抑郁症的表观遗传调控提供了新视角，并指出了lncRNA作为潜在治疗靶点（如LINC00473、BDNF-AS）的巨大价值。

引言

重度抑郁症（MDD）是一种由遗传和环境因素相互作用形成的复杂精神疾病。除了神经解剖学水平和脑回路的变化外，大脑转录组的调控方式在定义MDD发病机制中起着至关重要的作用。异染色质状态的进展是全基因组转录活性沉默的标志，并且最近与MDD患者大脑中基因功能的破坏相关联。这些全基因组变化通常与改变的三维（3D）染色质结构有关，并受到非编码RNA（ncRNA）及相关酶修饰因子等状态依赖性因素的影响。

长链非编码RNA的生物发生机制

根据ENCODE计划，蛋白质编码转录本约占人类基因组的2%，而其余98%由非编码元件组成。其中，长链非编码RNA（lncRNA）已成为功能最多样化、动态调控最复杂的RNA类别之一。lncRNA的生物发生通常由RNA聚合酶II转录开始，一小部分由RNA聚合酶III转录。与mRNA类似，新生的lncRNA经历5‘端加帽、剪接和3’端切割并多聚腺苷酸化。有趣的是，它们的剪接过程效率低下，常常产生单外显子或少外显子形式。它们还表现出由不同基因组背景（包括基因间区、内含子区、重叠区、双向或增强子区域）产生的多种异构体。其中一些进一步加工成环状lncRNA。这些共价闭合的RNA环缺乏5‘帽和3’尾，使其能够抵抗核酸外切酶降解。环状lncRNA可以作为microRNA海绵、蛋白质支架或转录调节因子。另一类lncRNA，即染色质相关lncRNA（carNA），通过直接与染色质相互作用，在调节基因表达方面发挥关键作用。

亚细胞定位是决定lncRNA功能的关键因素。核内lncRNA通常保留在其转录位点附近，并参与转录调控、染色质重塑以及核区室的形成。另一方面，胞质lncRNA参与mRNA稳定性、翻译控制、miRNA隔离和细胞应激反应。在两个区室中，lncRNA都可以响应信号、应激或发育线索而动态重新分布。LncRNA的生物发生还通过表观转录组修饰受到额外的转录后调控。其中特征最明确的是N6-甲基腺苷（m⁶A），它通过m⁶A阅读器蛋白（如YTHDC1和YTHDF2）识别来调节lncRNA的稳定性、核输出和降解。此外，由ADAR酶介导的腺苷到肌苷的RNA编辑可能通过改变碱基配对行为来改变lncRNA的折叠和相互作用能力。最后，监视机制确保lncRNA群体的质量控制。处理不当或异常的转录本会被核外切体或胞质衰变途径迅速降解。

lncRNA在大脑功能中的关键作用

近年来，lncRNA在调节大脑功能的各个方面发挥着关键作用。有趣的是，约40%表达的lncRNA是大脑特异性的。LncRNA在中枢神经系统发育过程中受到时间性调控，并且与对神经发育至关重要的蛋白质编码基因的调控有关。另一方面，大脑具有非凡的复杂性，需要精确的基因表达时空调控，这在很大程度上依赖于lncRNA的微调。许多lncRNA在神经元和胶质细胞谱系分化的各个发育阶段表现出与蛋白质编码基因的协调表达。此外，新兴证据表明，lncRNA在塑造控制神经发育、认知功能和情绪调节的基因表达程序中发挥作用。从人多能干细胞衍生的人神经元的转录组分析已经识别出超过1，500个lncRNA，其表达在它们向早期分化神经元过渡期间受到调控。在功能水平上，许多这些lncRNA与染色质重塑复合物相关，例如RE1沉默转录因子（REST）、REST辅阻遏物1（CoREST）和PRC2。神经突生长、突触发生和突触可塑性需要基因表达和信号转导的复杂调控，lncRNA对此有重要贡献。

lncRNA在神经精神和神经发育疾病中的关键作用

LncRNA的失调已日益与一系列精神和神经发育障碍相关联。虽然已有关于lncRNA与精神表型关联的报道，但它们在抑郁症中的作用是一个新兴的研究领域。一项癫痫新皮质组织的全基因组分析强调了八个位于差异表达基因附近的lncRNA，包括BDNF和BDNF-AS转录之间的互斥模式。LncRNA BDNF-AS通过招募PRC2核心成分EZH2到BDNF基因座来负向调节BDNF表达。BDNF信号传导对长期记忆很重要，其功能障碍与包括MDD在内的神经精神疾病有关。在ASD中，PTCHD1AS1-3、SHANK2-AS和BDNF-AS表达下调，而LINC00693和LINC00689水平上调。在精神分裂症患者大脑中，参与神经调节蛋白信号传导、突触长时程增强和轴突导向信号传导的Gomafu、DISC1-AS、DLG2AS和EVF-2的表达和功能出现失调。此外，AK081227、AK087060RTT、H19和NEAT2分别在RTT综合征和物质使用障碍中显示功能异常。某些在不同大脑功能中发挥作用的lncRNA，如Lnc-EIF6-1、LncND、lnc-CHAC2、lnc-RP11-210M15.2和lnc-FANCF-3，已被报道在智力障碍受试者中表达改变。几项研究已确定lncRNA可作为MDD有用的生物标志物和治疗靶点。

lncRNA在基因调控中的机制作用

LncRNAs通过多种机制控制基因表达，包括调节增强子活性、促进染色质环化和附近转录。它们可以通过影响RNA聚合酶招募、促进增强子-启动子相互作用或招募染色质修饰复合物来增强或抑制转录。通过这种方式，lncRNAs可以实现转录微调状态，并可能改变局部基因表达景观。在表观遗传水平上，lncRNAs将组蛋白修饰剂引导至特定的基因组位点，改变染色质状态以促进或抑制转录。例如，lncRNAs可以靶向染色质区域，沉积与基因沉默相关的组蛋白标记（如H3K9me3或H3K27me3），或沉积活性标记（如H3K4me3）。此外，某些lncRNAs招募DNA甲基转移酶或去甲基化酶，调节DNA甲基化模式，从而在发育、分化或响应环境线索过程中稳定地影响基因表达。在转录后水平，lncRNAs调节选择性剪接、mRNA稳定性和翻译。它们与剪接因子或剪接体相互作用以改变剪接位点选择，从而产生具有独特功能的转录变体。一些lncRNAs还调节mRNA在细胞质内的定位和运输，从而影响局部蛋白质合成，特别是在像神经元这样的极化细胞中。这些功能进一步扩展到细胞质RNA颗粒的形成，lncRNAs在其中作为支架，调节mRNA的储存、降解和翻译，尤其是在细胞应激期间。LncRNAs还充当分子支架和诱饵。作为支架，它们促进参与RNA代谢和调控的核糖核蛋白复合物的组装。作为诱饵，它们隔离转录因子、RBPs或microRNAs，阻止这些分子与其预定靶标相互作用。这些诱饵功能提供了额外的调控灵活性层，允许基因表达快速适应变化的细胞条件。

3D染色质结构调控与lncRNA：在MDD中的潜在意义

LncRNAs通过多种机制在塑造核基因组的转录和转录后景观方面发挥着重要作用；然而，由lncRNAs精心策划的染色质架构组织在重编程基因表达景观中起着关键作用。越来越多的证据表明，许多核内lncRNAs与染色质相关，它们与多种蛋白质相互作用，以增强或抑制其在特定DNA区域的结合和活性。最近的研究表明，由于与RNA结合蛋白相互作用的独特能力，lncRNAs与大量染色质调节因子形成广泛的核糖核蛋白复合物网络，并将其相关的酶活性引导至基因组中的适当位置。此外，lncRNAs可以作为模块化支架，在RNP复合物中指定高阶染色质组织，引起染色质构象的局部变化以获得异染色质或常染色质状态。其中一种类型是PRC2，它具有通过压缩过程沉默染色质的独特能力。PRC2复合物中的三个主要成分是EED、EZH2和SUZ12。它们被认为是染色质压缩过程的关键调节因子，它们与H3K27三甲基标记协同工作。由于PRC2复合物的核心成分都不具有DNA结合结构域，因此认为PRC2复合物的染色质结合能力可能归因于其与特定lncRNAs的相互作用。这种在3D核空间中的多重相互作用最近在染色质结构域的多梳抑制组织层次结构中被提出，该层次结构塑造了基因组的表观遗传地形。

lncRNAs可以招募染色质修饰剂到其靶基因的启动子，并以顺式（靠近其转录位点）或反式（在远处基因座发挥作用）方式激活或抑制其转录。重要的是，lncRNAs有助于基因组的复杂3D架构，将染色质组织成拓扑关联结构域、环和区室。它们还可以直接与DNA相互作用并产生DNA-RNA杂交结构，例如R环，这最终影响染色质可及性和重塑。R环是由DNA-RNA杂交体和置换的单链DNA组成的三链结构。这些结构参与长距离染色质相互作用，并通过影响3D基因组的空间组织在调节基因表达中发挥作用。染色体构象捕获技术的进步，特别是Hi-C，为基因组组织的空间复杂性以及lncRNAs的整合作用提供了更深入的见解。LncRNAs在细胞身份和分化中的作用（这对大脑发育至关重要）进一步由LncMyoD阐明，它展示了谱系特异性染色质调控的机制蓝图。其他lncRNAs充当核结构的架构调节因子。例如，XIST、Jpx和Firre在X染色体失活和跨染色体相互作用中至关重要。XIST包裹X染色体并招募沉默复合物，而Jpx促进XIST表达，Firre通过hnRNPU桥接染色体间的相互作用。此外，NEAT1和MALAT1分别支持 paraspeckles 和 nuclear speckles 的形成，这些是无膜区室，参与RNA加工和剪接因子定位。lncRNAs的这些机制作用强调了它们在几乎每个水平上动态调节基因表达的能力，从染色质组织和转录到RNA代谢和细胞区室化，突出了它们在维持细胞稳态方面的重要性以及在失调时驱动病理过程的潜力。

有越来越多的证据表明，lncRNAs在大脑的高阶基因组组织中起着关键作用，并对如MDD、双相情感障碍和精神分裂症等精神疾病具有新兴的意义。值得注意的是，对精神分裂症和双相情感障碍患者前额叶皮层进行的表观基因组分析研究已经识别出数千个富含活性组蛋白标记（如H3K27ac和H3K4me3）的顺式调节结构域。重要的是，这些结构域的空间和表观遗传破坏被认为至少部分是由lncRNAs介导的。诸如MEG3、PINT和GAS5等lncRNAs已被报道在精神病患者的大脑中差异表达，这表明它们可能调节精神疾病条件下的染色质可及性和转录反应。这些发现与其他系统的证据一致，在那些系统中，lncRNAs通过指导组蛋白修饰酶的活性并引导基因组的空间配置来精心策划染色质重塑和基因表达。类似的lncRNA引导的染色质重塑很可能支撑大脑中的神经发育程序。考虑到它们的功能广度——从调节记忆和应激反应到调控3D基因组组织和突触基因表达——lncRNAs代表了一个有前途的候选因素。

局限性与未来方向

关于lncRNA及其介导的染色质调控的研究存在一些局限性。虽然研究表明在MDD中存在lncRNA表达的大规模变化，以及染色质作为线性实体的常规顺式和反式调控，但它们通过塑造染色质来对基因表达进行表观遗传调控的贡献仍未得到充分探索。预计，由于异染色质状态的兼性进展是全基因组转录沉默的标志，它在慢性应激和应激诱导的神经病理学中应该是广泛存在的。此外，利用死后脑组织来理解复杂的染色质组织状态需要先进的、最先进的技术平台的支持。尽管在过去几年中取得了重大进展，但对染色质组织状态的进一步研究对于在染色质水平理解与应激相关障碍相关的分子机制至关重要。

对MDD中lncRNA的研究指出了它们在异染色质形成和3D基因组组织中的作用。一个核心任务是确定哪些lncRNAs参与其中以及它们如何塑造染色质结构。像Hi-C、SPRITE及其较新变体这样的技术可以高分辨率地捕获这些相互作用，甚至在单细胞水平上。需要使用CRISPR、RNA干扰和染色质分析进行功能研究，以确认它们对基因调控的影响。这项工作也可能导致针对lncRNAs或其伙伴的新治疗策略。

开发基于RNA的疗法或影响lncRNA活性的小分子，可能为恢复典型染色质状态和缓解MDD症状提供新方法。进行临床前和临床试验对于评估这些治疗选择的有效性和安全性至关重要，从而为突破性治疗创造途径。此外，将患者特异性和纵向研究整合到研究计划中对于有效地将研究发现转化为临床应用至关重要。探索lncRNA表达和染色质修饰在MDD个体之间的差异，以及这些改变如何随时间进展，可能对疾病进展和治疗反应产生重要的见解。结合遗传、表观遗传和转录组数据的定制化方法可能导致更集中、更有效的MDD干预措施。

总之，本综述强调lncRNAs日益被认为是染色质及相关通路的关键调节因子，这些通路对大脑功能至关重要。来自MDD及类似疾病的证据表明，它们不仅影响疾病机制，而且可作为可及的生物标志物。lncRNAs也可能成为治疗靶点。因此，将分子见解与临床应用相结合可以加速精神病学精准方法的发展。如前所述，在精神分裂症和双相情感障碍中已经报道了与3D基因组组织相关的染色质结构域的改变。未来，研究lncRNA介导的异染色质化是否是跨不同疾病（包括精神和神经退行性疾病）的共享或独特机制，将是非常有趣的。总之，通过解决现有的知识差距和探索创新的研究方向，我们可以揭示基于lncRNA的MDD新机制，并开发更有效的诊断和治疗策略，最终改善患者的预后。