長鏈非編碼RNA及其在家畜中的應(yīng)用與展望

蔡含芳，李明勛，陳 宏（西北農(nóng)林科技大學動物科技學院，陜西楊凌，712100）

綜 述

長鏈非編碼RNA及其在家畜中的應(yīng)用與展望

蔡含芳，李明勛，陳 宏*
（西北農(nóng)林科技大學動物科技學院，陜西楊凌，712100）

在哺乳動物基因組中，絕大多數(shù)被轉(zhuǎn)錄成為非編碼RNA （non-coding RNA，ncRNA），其中，長鏈非編碼RNA （long non-coding RNA，lncRNA）是數(shù)目最多的，也是功能最復雜的一類非編碼RNA。研究表明，長鏈非編碼RNA可以從染色質(zhì)水平、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平對基因的表達進行調(diào)控。長鏈非編碼RNA在劑量補償效應(yīng)、基因組印記、細胞分化和組織形成等多個方面發(fā)揮著重要作用。在此將著重介紹長鏈非編碼RNA的概念、作用機制及其在家畜方面的應(yīng)用，最后對長鏈非編碼RNA在家畜育種方面的應(yīng)用進行展望。

長鏈非編碼RNA；生物學功能；家畜；應(yīng)用；展望

近幾年，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，非編碼RNA的研究也取得了巨大的進展，這些曾經(jīng)一度被認為是基因組在進化過程中累積的無功能的“垃圾序列”也逐漸被揭開“神秘面紗”，其中包括大量的長鏈非編碼RNA，它們參與細胞分化和個體發(fā)育等重要生命過程。在本文中，我們將簡單介紹長鏈非編碼RNA的概念及分類，然后綜述它們在多種生理過程中的功能及其分子機制，最后總結(jié)出長鏈非編碼RNA在家畜育種研究中的進展以及未來所面臨的挑戰(zhàn)。

1　長鏈非編碼RNA的簡介

在龐大的哺乳動物基因組中，75%能夠被轉(zhuǎn)錄，而只有2%具有編碼蛋白的能力，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄本不能編碼蛋白，稱為非編碼RNA （non-coding RNA，ncRNA）［1，2］，包括短鏈非編碼RNA （Small ncRNA）和長鏈非編碼RNA，短鏈非編碼RNA指的是片段小于200bp的非編碼RNA，包括轉(zhuǎn)運RNA （transfer RNA，tRNA），核糖體RNA （ribosomal RNA，rRNA），核內(nèi)小RNA （small nuclear RNA，snRNA），核仁小分子RNA （small nucleolar RNA，snoRNA），microRNA，小干擾RNA （small interference RNA，siRNA）和Piwi蛋白互作RNA （Piwi-interacting RNA，piRNA）［37］。長鏈非編碼RNA指的是片段大于200bp，沒有或少有編碼能力的非編碼RNA。這類非編碼RNA是數(shù)目最多的，也是功能最復雜的［8］。

自長鏈非編碼RNA的概念被第一次提出之后［9］，已有15，000多個長鏈非編碼RNA被鑒定。大多數(shù)的長鏈非編碼RNA是由RNA聚合酶I I轉(zhuǎn)錄而來，并且同mRNA一樣，具有多聚腺苷酸尾（polyA），5'端的帽子結(jié)構(gòu)以及可變剪切位點［10，11］。而由RNA聚合酶I I I轉(zhuǎn)錄而來的長鏈非編碼RNA是不具有polyA尾結(jié)構(gòu)的［12，13］。根據(jù)長鏈非編碼RNA在基因組中與鄰近基因的相對位置，可以將其分為5類：同義長鏈非編碼RNA，即與同一鏈（正義鏈）上另一轉(zhuǎn)錄物的一個或多個外顯子相重疊；反義RNA，即與另一鏈（反義鏈）上的轉(zhuǎn)錄物外顯子相重疊；雙向長鏈非編碼RNA，即長鏈非編碼RNA的表達起始位點與其互補鏈上向兩邊編碼轉(zhuǎn)錄物的表達起始點十分靠近；內(nèi)含子長鏈非編碼RNA，即完全來源于另一轉(zhuǎn)錄物的一個內(nèi)含子的長鏈非編碼RNA，基因間長鏈非編碼RNA，即由兩個基因的間隔區(qū)序列轉(zhuǎn)錄而來的長鏈非編碼RNA［14］。

2　長鏈非編碼RNA的作用機制

不同于micro RNA或是編碼蛋白的基因，長鏈非編碼RNA的一個重要作用機制就是能夠調(diào)控鄰近的編碼蛋白的基因的表達，被稱為“trans”效應(yīng)［15］。正是由于這種作用方式，才使得長鏈非編碼RNA在染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的方面發(fā)揮著重要作用。

2.1長鏈非編碼RNA與染色質(zhì)重塑

長鏈非編碼RNA對染色體修飾的調(diào)控主要表現(xiàn)為它能夠影響基因組特定位點對染色質(zhì)重塑復合物的募集。例如，同源異型框基因反義基因間RNA （HOX antisense intergenic RNA，HOTAIR）是由同源異型框基因C（Homeobox C，HOXC）位點轉(zhuǎn)錄得到，它能夠募集多梳抑制復合體2（Polycomb repressive complex 2，PRC2），反式作用于HOXD位點的轉(zhuǎn)錄，從而抑制基因的表達［16］。長鏈非編碼RNA的這種作用機制能夠引起表觀表型的改變，例如基因印記。X染色體特異性失活轉(zhuǎn)錄物（X inactivation-specific transcription，Xist）是一種被人們所熟知長鏈非編碼RNA，該基因5'端的重復A（Re-pA）位點募集PRC2復合物，導致大量的組蛋白甲基化，從而沉默一條X染色體，維持劑量補償效應(yīng)［17］。

2.2長鏈非編碼RNA與轉(zhuǎn)錄調(diào)控

大量的長鏈非編碼RNA能夠從基因的增強子區(qū)和啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄而來，從而這些長鏈非編碼RNA參與基因的調(diào)控，它們能夠影響RNA結(jié)合蛋白的作用。例如，細胞周期蛋白1的5'端上游能夠轉(zhuǎn)錄一種長鏈非編碼RNA，它能夠作用于并影響RNA結(jié)合蛋白脂肪肉瘤轉(zhuǎn)運蛋白（translocated in liposarcoma，TLS）的活性，從而抑制CREP結(jié)合蛋白和p300的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，從而抑制周期蛋白1的表達［18］。另一方面，一些長鏈非編碼RNA能夠影響轉(zhuǎn)錄因子的活性。在小鼠的細胞中，Evf2是從超保守增強子區(qū)域轉(zhuǎn)錄而成的長鏈非編碼RNA，它能夠影響該增強子與同源轉(zhuǎn)錄因子DLX2的結(jié)合及其活性，進而影響毗鄰的編碼蛋白基因的表達［19］。此外，長鏈非編碼RNA能夠影響RNA聚合酶I I的活性，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄，如人類的二氫葉酸還原酶上游轉(zhuǎn)錄的長鏈非編碼RNA DH-FR［20］。

2.3長鏈非編碼RNA與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

長鏈非編碼RNA能夠識別與其序列互補配對的mRNA序列，與mRNA特異性的結(jié)合，從而參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的多個過程，如mRNA剪接、mRNA降解、mRNA編輯以及運輸?shù)?。在哺乳動物基因組中，眾多基因的反義轉(zhuǎn)錄本能夠發(fā)揮這一作用。肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄物11（Metastasis-associated in lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1）的長鏈非編碼RNA已被發(fā)現(xiàn)在多種癌癥中異常表達，它能夠與絲氨酸/精氨酸（Serine/arginine，SR）剪接因子相互作用，并調(diào)控剪接因子在剪接斑點中的分布和磷酸化水平，從而改變mRNA前體的選擇性剪接模式［21］。另有研究表明，RNA結(jié)合蛋白Stau1（Staufen1）可以介導mRNA的降解［22］。而一種被稱為半Stau結(jié)合位點RNA（Half-Stau1-binding site RNA，1/2-sbsRNA）的長鏈非編碼RNA通過與mRNA的3'UTR的Alu原件的不完全配對，形成Stau1結(jié)合位點，促進Stau1與mRNA結(jié)合，導致mRNA降解［23］，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄。此外，研究表明長鏈非編碼RNA能夠與內(nèi)源性的siRNA相互作用，從而參與RNA的沉默途徑［24］。

作為功能最復雜的非編碼RNA，眾多長鏈非編碼RNA的功能及其作用機制有待進一步的研究。

3　長鏈非編碼RNA在家畜方面的應(yīng)用

近幾年，隨著二代測序技術(shù)以及長鏈非編碼RNA研究技術(shù)的發(fā)展，其在家畜方面的研究也取得了一些進展，但仍處于起步階段。2013年Weikard等利用RNA深度測序，發(fā)現(xiàn)牛皮膚組織中存在4848個潛在的長鏈非編碼RNA，其中4365個是位于基因間區(qū)的［25］。2011年Esteve-Codina等利用RNA-seq的方法，鑒定伊比利亞公豬和大白豬的公豬的性腺轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)了2047個潛在的長鏈非編碼RNA與精子發(fā)生或與脂質(zhì)代謝相關(guān)，其中有469個是與人類同源的［26］。近期，Huang等利用已公布的牛特定的表達序列標簽，在405個基因間隔區(qū)篩選了449種長鏈非編碼RNA，通過特征分析結(jié)果表明這些長鏈非編碼RNA一般以組織特異性方式表達，其G C含量高于隨機選擇的基因間序列，但比蛋白編碼基因的低且在哺乳動物中比較保守［27］。與此同時，Li等利用RNA-Seq技術(shù)和生物信息學分析，在雞基因組中鑒定了281種新的長鏈非編碼RNA，這些長鏈非編碼RNA與雞骨骼肌發(fā)育相關(guān)。與Huang等的結(jié)果一致，這些長鏈非編碼RNA序列的保守性低于編碼基因的序列［28］。目前，長鏈非編碼RNA在家畜育種及品種改良的研究當中，取得了初步可觀的進展，這些長鏈非編碼RNA可作為可貴的遺傳資源，應(yīng)用到畜禽遺傳資源的開發(fā)以及畜禽育種工程當中。

4　展望

隨著越來越多的研究者將目光投向長鏈非編碼RNA功能的研究，人們對于長鏈非編碼RNA的認識也越來越深入。長鏈非編碼RNA已經(jīng)被公認為是基因調(diào)控大家族的新成員。長鏈非編碼RNA因其在染色體重塑、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平重要的調(diào)控機制，使其參與一系列的生物過程，包括X染色體沉默、染色體修飾、基因轉(zhuǎn)錄、mRNA剪接、基因組印記、細胞分化和發(fā)育及疾病和癌癥發(fā)生等。目前，長鏈非編碼RNA在醫(yī)學上的研究得到了快速的發(fā)展，解析出了長鏈非編碼RNA對不同類型細胞的分化以及個體發(fā)育的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)了在病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的長鏈非編碼RNA基因，并研究了可能為人類重大疾病的診斷和治療提供新的靶標和藥物分子的長鏈非編碼RNA［29-30］。然而，相比之下長鏈非編碼RNA在家畜上的研究仍處于初級階段，其功能與調(diào)控機制也有待進一步研究。通過建立RNA文庫，利用高通量測序技術(shù)和生物信息學分析手段，預測非編碼RNA的序列和結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)更多新的長鏈非編碼RNA；通過原位雜交技術(shù)、過表達技術(shù)、s i RNA介導基因沉默等技術(shù)來研究長鏈非編碼RNA的功能；利用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù) （Chromatin Immunoprecipitation，CHIP），RNA免疫沉淀技術(shù)（RNA immunoprecipitation，RIP）和雙熒光素酶報告系統(tǒng)等研究長鏈非編碼RNA的作用機制，這是家畜上一般的研究長鏈非編碼RNA對生長或經(jīng)濟性狀的調(diào)控作用機理的方法。與編碼蛋白基因和m i c r o RNA相同，利用現(xiàn)代生物技術(shù)方法和手段，長鏈非編碼RNA同樣可以作為改良動物性狀和生長的靶點或外源產(chǎn)物。因此，揭示與重要經(jīng)濟性狀或是生長性狀相關(guān)的關(guān)鍵長鏈非編碼RNA，為加快家畜生長性狀改良，加快家畜育種進程提供有力的理論基礎(chǔ)。

［1］ Liu G，Mattick J，Taft RJ.A meta-analysis of the genomic and transcriptomic composition of complex life ［J］.Cell Cycle， 2013，12（13）：2061-2072.

［2］ Djebali S，Davis CA，Merkel A，et al.Landscape of transcription in human cells［J］.Nature，2012，489（7414）：101-108.

［3］ Moss T，Langlois F，Gagnon-Kugler T，et al.A housekeeper with power of attorney：the rRNA genes in ribosome biogenesis ［J］.Cellular and molecular life sciences，2007，64（1）：29-49.

［4］ Phizicky EM，Hopper AK.tRNA biology charges to the front ［J］.Genes &development，2010，24（17）：1832-1860.

［5］ Kiss T.Biogenesis of small nuclear RNPs［J］.Journal of cell science，2004，117（25）：5949-5951.

［6］Ghildiyal M，Zamore PD.Small silencing RNAs：an expanding universe［J］.Nature Reviews Genetics，2009，10（2）：94-108.

［7］ Watkins NJ，Bohnsack MT.The box C/D and H/ACA snoRNPs： key players in the modification，processing and the dynamic folding of ribosomal RNA ［J］.Wiley Interdisciplinary Reviews： RNA，2012，3（3）：397-414.

［8］ Derrien T，GuigóR，Johnson R.The long non-coding RNAs：a new player in the “dark matter” ［J］.Frontiers in genetics，2011.

［9］ Okazaki Y，F(xiàn)uruno M，Kasukawa T，et al.Analysis of the mouse transcriptome based on functional annotation of 60，770 full-length cDNAs［J］.Nature，2002，420（6915）：563-573.

［10］ Guttman M，Amit I，Garber M，et al.Chromatin signature reveals over a thousand highly conserved large non-coding RNAs in mammals［J］.Nature，2009，458（7235）：223-227.

［11］ Mercer TR，Mattick JS.Structure and function of long noncoding RNAs in epigenetic regulation［J］.Nature structural & molecular biology，2013，20（3）：300-307.

［12］ Dieci G，F(xiàn)iorino G，Castelnuovo M，et al.The expanding RNA polymerase III transcriptome ［J］.TRENDS in Genetics， 2007，23（12）：614-622.

［13］ Kapranov P，Cheng J，Dike S，et al.RNA maps reveal new RNA classes and a possible function for pervasive transcription ［J］.Science，2007，316（5830）：1484-1488.

［14］ Ponting CP，Oliver PL，Reik W.Evolution and functions of long noncoding RNAs［J］.Cell，2009，136（4）：629-641.

［15］ Mattick JS，Gagen MJ.The evolution of controlled multitasked gene networks：the role of introns and other noncoding RNAs in the development of complex organisms［J］.Molecular Biology and Evolution，2001，18（9）：1611-1630.

［16］ Rinn JL，Kertesz M，Wang JK，et al.Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs［J］.Cell，2007，129（7）：1311-1323.

［17］ Zhao J，Sun BK，Erwin JA，et al.Polycomb proteins targeted by a short repeat RNA to the mouse X chromosome［J］.Science， 2008，322（5902）：750-756.

［18］ Wang X，Arai S，Song X，et al.Induced ncRNAs allosterically modify RNA-binding proteins in cis to inhibit transcription ［J］.Nature，2008，454（7200）：126-130.

［19］Feng J，Bi C，Clark BS，et al.The Evf-2noncoding RNA is transcribed from the Dlx-5/6ultraconserved region and functions as a Dlx-2 transcriptional coactivator［J］.Genes &development， 2006，20（11）：1470-1484.

［20］ Martianov I，Ramadass A，Barros AS，et al.Repression of the human dihydrofolate reductase gene by a non-coding interfering transcript［J］.Nature，2007，445（7128）：666-670.

［21］ Tripathi V，Ellis JD，Shen Z，et al.The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1regulates alternative splicing by modulating SR splicing factor phosphorylation ［J］.Molecular cell，2010，39（6）：925-938.

［22］ Kim YK，F(xiàn)uric L，DesGroseillers L，et al.Mammalian Staufen1recruits Upf1to specific mRNA 3'UTRs so as to elicit mRNA decay［J］.Cell，2005，120（2）：195-208.

［23］ Gong C，Maquat LE.lncRNAs transactivate STAU1-mediated mRNA decay by duplexing with 3'UTRs via Alu elements ［J］.Nature，2011，470（7333）：284-288.

［24］ Ogawa Y，Sun BK，Lee JT.Intersection of the RNA interfer- ence and X-inactivation pathways ［J］.Science，2008，320 （5881）：1336-1341.

［25］ Weikard R，Hadlich F，Kuehn C.Identification of novel transcripts and noncoding RNAs in bovine skin by deep next generation sequencing［J］.BMC genomics，2013，14（1）：789.

［26］ Esteve-Codina A，Kofler R，Palmieri N，et al.Exploring the gonad transcriptome of two extreme male pigs with RNA-seq ［J］.BMC genomics，2011，12（1）：552.

［27］ Huang W，Long N，Khatib H.Genome-wide identification and initial characterization of bovine long non-coding RNAs from EST data［J］.Animal genetics，2012，43（6）：674-682.

［28］ Li T，Wang S，Wu R，et al.Identification of long non-protein coding RNAs in chicken skeletal muscle using next generation sequencing［J］.Genomics，2012，99（5）：292-298.

［29］ Xu B，Gerin I，Miao H，et al.Multiple roles for the non-coding RNA SRA in regulation of adipogenesis and insulin sensitivity ［J］.PLoS One，2010，5（12）：e14199.

［30］ Salmena L，Poliseno L，Tay Y，et al.A ceRNA hypothesis：the Rosetta stone of a hidden RNA language？［J］.Cell，2011，146 （3）：353-358.

The Biological Function of Long non-coding RNA and Its Application and Prospect in Domestic Animals

CAI Han-fang，LI Ming-xun，CHEN Hong*
（College of Animal Science and Technology，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi，712100，China）

Most of the mammalian genome is transcribed as non-coding RNA （non-coding RNA， ncRNA）.Among them，long non-coding RNA（long non-coding RNA，lncRNA）is the most predominant and the most complicated.Previous researches have suggested that lncRNA regulates gene expression at the levels of chromatin modification，transcription and post-transcriptional processing.lncRNA plays an essential role in dosage compensation，genomic imprinting，cell differentiation and histogenesis.This paper reviewed the definition，biological function of lncRNA and its current application and prospect in domestic animals

long non-coding RNA；biological function；domestic animal；application；prosp ect

S

A

1001-9111（2015）

2015-03-11 修改日期：2015-04-11

國家自然科學基金項目（No.31272408），國家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項經(jīng)費（編號：CARS-38），陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（No.2015KTCL 02-08，2014KTZB 02-02-02-02），國家發(fā)改委生物育種能力建設(shè)與產(chǎn)業(yè)化專項（2014-2573）。資助。

蔡含芳（1990-），女，河南人，在讀博士，研究方向：生物技術(shù)與動物育種。

陳宏（1955-），男，陜西西安人，博士，教授，研究方向：生物技術(shù)與動物育種。