长链非编码RNA功能的研究进展

长链非编码RNA功能的研究进展刘海柏，刘慧(长沙医学院公共卫生学院，湖南长沙410219）【摘要】随着目前长链非编码RNA（Longnon-codingRNA，1ncRNA)功能被人们认识逐渐认识，lncRNA参与了基因组印记，剂量补偿效应，表观遗传等多种重要的调控过程。就近年来IncRNA的功能方面研究进展进行综述。【关键词】长链非编码RNA；调控作用；肿瘤【文章编号】200（2016）06-011-003长沙医学院学报JournalofChangshaMedicalUniversity传统上认为RNA是DNA及蛋白质的信息传递枢纽。但随着人类基因研究的发展，发现少于2%的基因编码蛋白质[1]。然而，发现高等真核生物基因组中至少90%的序列普遍转录，他们主要转录为非编码RNA（ncRNA)[1、2]。人们最初认为这些非编码转录产物只是“转录噪音”，但近些年的研究表明这类基因组在细胞发育中发挥着重要的作用[3]。ncRNA研究在过去十年里得到了很大的发展，但是很多研究都只是专注于小分子的ncRNA，如小干涉RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)、核仁小RNA(snoRNA)等，而忽略了对长非编码RNA(longnon-codingRNA,即LncRNA)的研究。近年来，越来越多的LncRNA被发现，但目前功能明确的LncRNA数量极少。LncRNA可在表观遗传ResearchProgressonthefunctionoflongchainnoncodingRNALiuHai-bo，LiuHui【Abstract】WiththecurrentlongchainnoncodingRNA(non-codingRNALong,1ncRNA)functionhasbeenrecognizedgradually,lncRNAinvolvedingenomicimprinting,dosecompensationeffect,epigeneticandotherimportantregulatoryprocess.Inrecentyears,theresearchprogressonthefunctionofIncRNAisreviewed.【Keywords】Longnon-codingRNA；Regulationeffect；tumour基金项目：长沙医学院校级课题（KY201425）作者简介：刘海柏（1986-），女，湖南人，大学教师，研究方向：环境毒理和化学致癌。12水平、转录水平和转录后水平调控基因的表达,广泛参与机体几乎所有生理和病理过程,与临床上许多肿瘤及非肿瘤疾病关系密切。1长链非编码RNA（LncRNA）的特点及功能1.1LncRNA的特点2002年Okazaki等[4]在对小鼠全长互补DNA(cDNA)文库的大规模测序过程中首次发现了一类新的转录物,即LncRNA。LncRNA是一类转录本长度超过200nt(核苷酸单位)的功能性RNA分子[5],它们缺乏编码蛋白的能力,位于细胞核或胞质内,以RNA形式在多种层面上(如表观遗传学、转录调控及转录后调控等)调控基因的表达水平。LncRNA有多种不同的来源,目前认为可能是[6](1)编码蛋白的基因结构中断而转变为LncRNA;(2)染色质重组的结果,即两个未转录的基因与另一个独立的基因并列而产生含多个外显子的LncRNA;(3)由非编码基因复制过程中的反移位产生;(4)由局部的串联复制子产生邻近的非编码RNA;(5)基因中插入一个转座成分而产生有功能的非编码RNA。1.2LncRNA的功能在哺乳动物中许多LncRNA表现出多种多样的功能，并被证实在细胞的分化过程中具有动态的表达，尤其是在脑细胞中，大部分LncRNA在特定的区域表达，比如脑皮层、海马区、嗅觉中枢，越来越多的LncRNA被证明在发育尤其是在分子遗传水平和细胞水平具有相应的功能，包括剂量补偿效应、参与基因组印记过程、染色质的修饰、细胞分化、细胞结构的完善、细胞周期的调控、细胞内物质的运输、干细胞的程序再编，以及热休克反应等［7］。很多证据表明，非编码RNA的大量存在是复杂的有机体进化形成的先决条件。也有证据表明，这些LncRNA的一个主要功能是介导对变异和进化起重要作用的表观遗传过程，而不仅仅是细胞的分化，甚至包括更重要的人体构造的形成。一些LncRNA被证实能够引导一些蛋白质尤其是调控染色质修饰和转录的蛋白质作用于他们的靶点，并且LncRNA同样具有结构和功能上极大的多样化。TSAI等［8］发现LncRNAHOTAIR可以集合甲基化酶和去甲基化酶，并作为脚手架把两个表观修饰的酶联合在一起，从而调控基因的转录。即LncRNA有不同的区域，不同的区域可以结合两种不同的蛋白复合物，从而动态地控制与发育和疾病有关的基因的变化，阐述了LncRNA新的作用机制，进一步表明了LncRNA的重要性。LncRNA在分子水平上的功能，近年来的研究得出以下几个方面［9］:(1)通过在蛋白编码基因上游启动子区发生转录，干扰下游基因的表达;(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，影响下游基因表达;(3)通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链，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，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。132长链非编码RNA（LncRNA）的调控目前发现的参与哺乳动物基因活动的LncRNA已有上千个[10],其调控基因表达的机制存在共性。一般来说,LncRNA主要从表观遗传学、转录调控及转录后调控等3个层面实现对基因表达的调控[11]。2.1表观遗传调控表观遗传是指在细胞核DNAs序列没有改变的情况下，基因功能可逆的、可遗传的改变，如DNA甲基化、RNA干扰、组蛋白修饰等．研究发现，LncRNAs能通过表观遗传修饰改变染色质构象，如Xist、Air［12］和Kcnq1ot1［13，14］，它们通过顺式作用沉默位于染色体内的多个基因，包括相距数千碱基对的基因．研究证实，LncRNAs能通过与染色体的直接相互作用来沉默或激活部分基因的表达，特别在胚胎发育阶段，LncRNAs参与可遗传的等位基因后期的表达沉默、表观性状的维持，对于多细胞动物的正常发育和细胞分化至关重要．在表观遗传调控中，LncRNAs既能直接与染色质结合并募集作用因子发挥其作用，又可以通过组蛋白修饰达到基因沉默的目的，还能通过募集染色质修饰抑制因子来参与等位基因的特异性沉默。2.2转录调控LncRNA能够通过多种机制在转录水平进行调控,表现在如下几个方面。LncRNA的转录可以干扰邻近基因的表达。例如,酵母的SER3基因受到上游一段LncRNA--SRG1的干扰。近端启动子转录的LncRNA可将RNA结合蛋白定位至基因启动子区域从而调控基因表达。如,人类细胞中的细胞周期蛋白D1(CCND1)的表达,DNA损伤信号诱导该基因启动子上游一段lncRNA的表达,它可调节RNA结合蛋白--TLS的活性,接着TLS抑制CREB结合蛋白--组蛋白乙酰基转移酶和p300的活动,进而使CCND1基因的表达沉默[15]。LncRNA可作为共因子调节转录因子的活性,例如,小鼠的一段lncRNA--Evf2转录自一段超保守的远端增强子,它可与转录因子DLX2形成转录复合体,并结合至一个增强子上,从而诱导邻近蛋白编码基因DLX6的表达[16]。通过与影响启动子选择的抑制性复合物相互作用,封锁启动子区域来调控RNA聚合酶(RNAP)II的活动从而干扰基因表达,这可能是存在于真核细胞染色体上的上千种三倍体复合物结构控制启动子作用的普遍机制[17]。再如,小鼠17号染色体的Igf2r区是第一个被证实的可转录为LncRNA的位点,父系染色体上一未拼接的LncRNA--Airn[18]从母源性Igf2r上的ICR区域开始转录,方向与Igf2r相反。这一反义链转录的RNA规模较大,跨越整个Igf2r启动子,并越过基因间区抵达邻近基因,属于一种转录干扰机制[19]。2.3LncRNA与转录后水平调控LncRNA在转录后水平的调控方式类似于smRNA，主要是通过与靶基因序列的互补配对来实现．LncRNA可以与mRNA序列形成RNA二聚体，掩蔽与转录加工有关的位点，以此来调控转录后水平的剪切、拼接、翻译等过程．例如Zeb2，它是第1个被发现的可变剪切受LncRNA直接调控的mRNA。Zeb2的翻译起始位点位于5'端非编码区的内含子中，反义LncRNAs可以通过与后者互补而保护其不被剪切，从而调控Zeb2基因的表达［20］。与此类似，ErbAa2mRNA通过可变剪切可产生2种相互拮抗的蛋白质，这个过程也受到了反义LncRNA的14调控。3长链非编码RNA（lncRNA）与肿瘤lncRNA在胃肠癌该领域的研究还处于起步阶段。Pibouin等[21]在肠癌中发现了一种长链非编码RNA-OCC-1，相对于正常黏膜组织，8个肠癌患者中有3个患者肿瘤组织中OCC-1mRNA表达水平明显升高，提示其在肠癌亚型的鉴别中有一定的参考价值。2003年Ji等[22]通过测序和RT-PCR的方法发现了长链非编码RNA一肺腺癌转移相关转录本(1ongnoncodingRNA-metastasisassociatedinlungadenocarcinomatranscript，lncRNA-MALATl)，在225例Ⅲ期非小细胞肺癌(non-smallcelllungcancer，NSCLC)患者中，有70例发生转移的患者的转移标本中发现MALATl过表达，且MALATl的表达是病程和组织特异性的，提示MALAT-l和thymosinB4基因是I期NSCLC患者生存期的潜在标志物。虽然该基因在其他肿瘤中被陆续发现[23-24]。Wang等[25]通过实验发现，在肝癌细胞中，启动子结合蛋白CREB可以通过与miR-372相互作用上调长链非编码RNA-HULC的表达，而HULC已经被鉴定出在肝癌及肠癌肝转移的组织中特异性高表达[26]。此外，LncRNA的研究还涉及其他一些肿瘤疾病。如MALATl不仅在肺癌中有高表达，在肠癌、神经母细胞瘤等肿瘤中也有表达；另外，有些肿瘤中可能不仅有某一种LncRNA过表达，如在前列腺癌中，DD3和PCGEMl均被发现过表达。4展望近年来，小分子RNA的研究取得了很大的成就，包括miRNA在内的基因表达调控功能的研究，一定程度上推动了LncRNA的研究。LncRNA的研究不再局限于只在生物信息学方法层面的研究，而是向其功能及调控机制方面迈进。因此，未来对LncRNA的研究主要从以下两方面入手，一是开发更加有效的计算机软件来发现更多新的LncRNA，使对其结构及功能的研究更加快速；二是通过建立新的实验技术来更进一步的研究其作用机制，加快推动LncRNA在细胞分化、生长发育和疾病的发生、发展和转归中的作用。目前关于LncRNA与肿瘤的联系的研究越来越多，对研整个LncRNA的整个功能性基因的调控有一定的帮助。但目前所研究的LncRNA及其功能只是冰山一角，对LncRNA的了解还存在很多空白。对于肿瘤发生、发展过程中特定的LncRNA参与的调控及信号转导通路，可以通过分子生物学、蛋白质组学及细胞及动物实验等手段得到更好更深入的研究。对LncRNA的研究有助于临床寻找肿瘤治疗的新靶点，为肿瘤靶向治疗和新药的研究开发提供更好的依据。【参考文献】[1]BirneyE,StamatoyannopoulosJA,DuttaA,etal.Identificationandanalysisoffunctionalelementsin1%ofthehumangeno