lncRNA的研究背景及其与疾病的关系-长链非编码RNA(lncRNA)是一-...

lncRNA的研究背景及其与疾病的关系长链非编码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（JeremyE.Wiluszetal,2009,GenesDev.）。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lncRNAHOTAIR，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lncRNASRG1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lncRNAEvf2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，AluRNA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，Zeb2antisenseRNA能够和Zeb2mRNA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，Zeb2antisenseRNA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BACE1mRNA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（MohammadAliFaghihi,etal.2008.NatureMedicine）。表1.与疾病相关的一些lncRNA(KannanganattuV.Prasanth,etal.2007.GenesDev.)LncRNAs疾病类型Disease/disorder参考文献与癌症相关的lncRNABC1多种癌组织中均发生上调Chenetal.1997a;Iacoangelietal.2004BCMSB细胞瘤Wolfetal.2001DD3前列腺癌Bussemakersetal.1999H19肝癌和乳腺癌Looijengaetal.1997;Lottinetal.2002HIS-1骨髓性白血病Askewetal.1994HOST2卵巢癌Rangeletal.2003MALAT-1非小细胞肺癌，肝癌等Jietal.2003;Linetal.2006;Yamadaetaal.2006NC612前列腺癌A.P.Silvaetal.2003OCC1结肠癌Pibouinetal.2002PCGEM1前列腺癌Srikantanetal.2000SRA乳腺癌Lanzetal.1999与神经系统疾病相关的lncRNABC200阿兹海默症Lukiwetal.1992DISC2精神分裂症Millaretal.2000,2004;Blackwoodetal.2001IPWPrader-Willi综合症Wevricketal.1994PSZA11q14精神分裂症Polesskayaetal.2003RAY1/ST7自闭症Vincentetal.2002ZNF127ASPrader-Willi综合症Jongetal.1999与其它类型疾病相关的lncRNA22k48DiGeorge综合症Pizzutietal.1999COPG2IT1Russell-Silver综合症Yamasakietal.2000DGCR5DiGeorge综合症Sutherlandetal.1996H19Beckwith-Wiedemann综合症Sparagoetal.2004LIT1Beckwith-Wiedemann综合症Niemitzetal.2004MESTIT1Russell-Silver综合症T.Lietal.2002;Nakabayashietal.2002;Sonkolyetal.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。