lncRNA的研究進展

邢曉蕊 呂海燕 趙紅桃

摘 要：長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是指長度大于200個核苷酸的不參與蛋白質編碼過程的DNA轉錄產(chǎn)物。近年來，這類lncRNA在表觀遺傳、轉錄及轉錄后水平上調(diào)控基因表達方面的研究比較廣泛，已獲得較為深刻的認知。最近人們認識到lncRNA在許多的生理、病理途徑中發(fā)揮著一定的作用，比如干細胞全能性、神經(jīng)生長分化與腫瘤發(fā)生等。本文主要介紹lncRNA在人及動物中的功能及相關的研究進展。

關鍵詞：lncRNA；表觀遺傳；腫瘤

基因組測序結果表明人基因組30億個堿基對中，僅有1.5%的核酸序列用于蛋白質編碼，其余的98.5%的序列為非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）[ 1 ]。

隨著研究的深入，ncRNA的功能越來越受到人們的重視。在ncRNA 調(diào)控中，短鏈非編碼RNA在基因組水平調(diào)控基因表達、介導mRNA降解，導致染色質結構改變，進而改變細胞命運。

長鏈非編碼RNA（lncRNA）是通過募集特定蛋白質或參與microRNA調(diào)控網(wǎng)絡等方式發(fā)揮不同的作用。并且，相關實驗數(shù)據(jù)顯示，lncRNA也可以調(diào)控機體的生長、發(fā)育等正常生理過程以及癌癥等病理過程。

在本篇綜述中，我們總結了最近的研究報告，試圖闡述人和動物中l(wèi)ncRNA的功能和其在表觀遺傳中的作用。

1 lncRNA的發(fā)現(xiàn)

RNA是具有高靈活性與準確性的信息編碼分子，具有容易激活、修飾、轉運和降解的特點。在分子生物學領域中，信使RNA（mRNA）的主要作用就是指導氨基酸組裝成蛋白質。然而，一些功能性的ncRNA，比如核糖體RNA（rRNA ）和轉運RNA（tRNA），其在蛋白質翻譯過程中的功能也不容忽視。

在真核生物中，除參與蛋白質翻譯過程的tRNA及rRNA這些功能性的ncRNA外，還存在著許多的不同長度的ncRNA。根據(jù)其大小可以將其分為很多類。

到現(xiàn)在為止，并不存在一個一致的標準來判定一個RNA分子是否屬于ncRNA。對于未知的RNA分子，分析其轉錄本的開放閱讀框（open reading frame，ORF）是被廣泛認可的區(qū)分編碼RNA和ncRNA的初級標準。

2002年，日本科學家在小鼠全長cDNA文庫大規(guī)模測序中首次提出lncRNA的概念。lncRNA是指核苷酸數(shù)大于200的非編碼RNA轉錄本[ 2 ]。lncRNA種類豐富，功能復雜，位于不同的亞細胞核區(qū)域，在不同物種間序列保守性低，有組織與發(fā)育階段特異性，同時又是具有快速進化潛力的ncRNA分子。lncRNA可轉錄自基因與非基因區(qū)域，包括基因的上游區(qū)域、基因間區(qū)域、基因內(nèi)部內(nèi)含子區(qū)域等。

現(xiàn)在，被認定的編碼lncRNA基因的數(shù)量遠比編碼蛋白質基因的數(shù)量要多。數(shù)據(jù)分析表明，在人類基因組中有9640多種lncRNA，其中僅有大約100種的功能被報道[ 3，4 ]。

2 lncRNA的功能

LncRNA起初被認為是沒有功能的轉錄垃圾。在經(jīng)過大量研究論證后，大多數(shù)的lncRNA被確定是轉錄和翻譯過程中的關鍵調(diào)控因子，在細胞正常功能發(fā)揮中有著重要的影響。比如染色質重塑、轉錄及轉錄后調(diào)控、細胞內(nèi)物質運輸、細胞核亞結構形成、干細胞多能性、體細胞重編程、發(fā)育調(diào)控、疾病發(fā)生等。在發(fā)揮這些功能時，lncRNA通過不同的作用途徑及方式實現(xiàn)基因表達的調(diào)控。包括順式調(diào)節(jié)與反式調(diào)節(jié)方式。另外，lncRNA可以借助蛋白質與microRNA網(wǎng)絡這兩種不同途徑來發(fā)揮具體的作用[ 5 ]。

LncRNA在機體發(fā)育分化進程中扮演著重要的角色。大腦發(fā)育過程中，神經(jīng)細胞和神經(jīng)膠質細胞分化時，lncRNA是動態(tài)表達的。

相關lncRNA基因的敲除會導致神經(jīng)元的分化異常。這些lncRNA主要通過和SOX2、PRC2復合體組分（REST和SUZ12）互作發(fā)揮其功能。其表達的異常會導致細胞分化的命運從神經(jīng)發(fā)生細胞轉變?yōu)槟z質發(fā)生細胞。這些結果表明lncRNA在神經(jīng)細胞命運決定過程中發(fā)揮著重要作用[ 5 ]。

最近，越來越多的證據(jù)證明lncRNA的突變和異常調(diào)節(jié)與許多復雜疾病的發(fā)展都有關，比如病毒感染、癌癥等。在病毒感染研究中beta2.7是一個受到較多關注的lncRNA。

通常，它可以特異地結合并抑制GRIM-19（gene associated with retinoid/interferon-induced mortality-19）在細胞內(nèi)的重新定位。當細胞產(chǎn)生凋亡信號時，beta2.7對于穩(wěn)定線粒體膜電位和線粒體ATP具有重要作用。過量表達beta2.7 RNA會降低活性氧產(chǎn)生，可抑制細胞凋亡，它也可以避免代謝功能異常，這對于病毒生命周期的完成很關鍵。

在牛皮癬患者表皮表達的lncRNA PRINS（Psoriasis susceptibility-related RNA Gene Induced by Stress），可以調(diào)控牛皮癬病變組織中抑制細胞凋亡的G1P3基因的表達。

Meg3（Maternally expressed 3）是人類細胞中長度大約為1.6kb的lncRNA。在垂體瘤中，Meg3 RNA的異位表達會抑制腫瘤細胞的生長。這些結果顯示，Meg3 RNA有抑制生長的作用。Meg3 RNA在不同的癌癥中，發(fā)揮著不同的作用。

例如，在腦膜瘤中，它可抑制DNA的合成和刺激p-53介導的轉錄激活途徑；在舌鱗狀細胞癌中，它是重要的腫瘤抑制因子，并且在患者的舌鱗狀細胞癌成層中表現(xiàn)出了潛在的預后生物標記物的特性。在前列腺癌中，lncRNA ANRIL（antisense non-coding RNA in the INK4 locus）的表達上調(diào)會導致腫瘤抑制子INK4a/p16和INK4b/p15的表達。

在乳腺癌、肝癌、胃腸癌和胰腺癌中，HOTAIR的表達上調(diào)與疾病不良預后相關；同時它也會增強癌細胞的侵染力和轉移力。

LncRNA PCAT-1為多梳抑制復合物（PRC2）的靶基因，在疾病進程中可以促進細胞的增殖。LncRNA在染色質重塑、轉錄、轉錄后調(diào)控中扮演著重要的角色。它們的錯誤表達會賦予腫瘤細胞發(fā)生、生長和新陳代謝的能力。

最近，研究者通過基因組計算分析確定了一個翻譯調(diào)控lncRNA（trlncRNA）。在一些臨床乳腺癌和淋巴結轉移樣本中發(fā)現(xiàn)trlncRNA的表達是上調(diào)的。

除此之外，trlncRNA會通過抑制上皮E-cadherin mRNA的翻譯從而使其表達下調(diào)。這或許可以解釋，在體內(nèi)外實驗中發(fā)現(xiàn)的trlncRNA 的表達會刺激腫瘤的浸潤和轉移。

有報道稱，在尿道癌中，許多l(xiāng)ncRNA的表達譜都不同。這些研究預示著，通過對lncRNA在特異表型中的表達及其潛在機制的研究，lncRNA可能將被作為癌癥的預后生物標記物[ 5 ]。

3 lncRNA與表觀遺傳的關系

染色質是細胞核的主要組分，由DNA和蛋白質組成。染色質在DNA的包裝、復制和基因表達中發(fā)揮著重要的作用。一般認為，表觀遺傳控制機制是在染色質水平的調(diào)節(jié)，是DNA的序列不發(fā)生改變，而基因表達卻發(fā)生變化的遺傳機制，表現(xiàn)在兩代不同個體擁有相同的基因組DNA序列但卻發(fā)生了可遺傳的變異。目前關于其調(diào)控機制的研究集中在DNA的共價修飾（如甲基化）、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA等。

在癌癥中，組蛋白修飾和DNA甲基化這兩種表觀遺傳調(diào)控機制會導致lncRNA表達的異常。正常的黑色素細胞、角質形成細胞和來源于黑色素瘤第一階段的細胞系中，可以轉錄抑癌lncRNA的13q14.3位點的甲基化水平很低。

然而，在第三階段或已轉移的黑色素瘤中，該位點上游的CpG島出現(xiàn)超甲基化現(xiàn)象。抑癌lncRNA 會因被甲基化而表達下調(diào)或沉默。然后，在癌變的過程中癌基因表達會上調(diào)[ 6 ]。使用DNA甲基化轉移酶（DNMT）抑制劑5-azadC處理超甲基化的lncRNA，該lncRNA在24-96 h內(nèi)會被去甲基化而重新表達。

在結合使用組蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制劑治療后，超甲基化lncRNA 的表達會更加強。這些事實表明了在抑癌lncRNA 的沉默中，DNA甲基化與組蛋白修飾的相互協(xié)作。lncRNA在一些癌癥細胞中，可以通過調(diào)控一些關鍵基因來調(diào)整染色質的表觀遺傳結構。lncRNA基因通過miR-29調(diào)控meg3，并且在肝癌細胞中可調(diào)節(jié)相應的染色質結構。

另外，在前列腺腫瘤中，過表達的lncRNA是與染色質重塑蛋白（Bmi1、Ring2、Ezh2）一同作用的重要組分。在人類黑色素瘤細胞中，lncRNA所起到的表觀遺傳調(diào)控的重要性也有越來越多的證據(jù)支持[ 5，7，8 ]。

4 總結與展望

lncRNA種類復雜，功能繁多，目前僅確定了部分lncRNA的功能。表觀遺傳學是環(huán)境與遺傳相互作用的節(jié)點，在人類健康及科學研究中都有著重要的作用。

關于lncRNA是如何與蛋白質、染色質等相互作用的，一些特殊來源lncRNA 的功能是什么等問題仍是RNA研究領域的熱點。LncRNA與表觀遺傳學關系的研究，對于特定疾病的檢測、治療及預后提供了一種新的方法。然而，目前對于二者關系中關鍵節(jié)點及網(wǎng)絡的構建研究仍然處于初步階段，相關研究還有待進一步深入。

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