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标题:
带你走进神秘的长链非编码RNA
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作者:
小丫
时间:
2012-11-26 16:33
标题:
带你走进神秘的长链非编码RNA
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。
B- H) F# j. v5 w D
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。
# j, G0 e: Z% E* I' d
7 o; I" p- d* q) |. b- `
生物学功能
& I2 O. T1 Q0 i/ K0 Y# Y% X
0 ~! A! S8 a; ^4 h$ _5 K! b: O/ }
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)
7 N; y8 H! x" o* X
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。
, { x0 L! u" P" e! D O" |/ c
: Y3 |0 b3 G* c, i( P. W- x
[p_w_upload=6023]
( c, ]3 @ E0 D' j
; D! b1 z' }2 X7 y L) K
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
外显子分本别用蓝色和红色表示。
1 Q5 [/ }6 ?/ P5 x" e; `7 C
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
)。
! Z+ S# H" c4 }; G
9 p; D2 n% O4 ^7 r
8 {- ` N) m( |$ u/ t
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(
Jeremy E. Wilusz et al, 2009, Genes Dev.
)。
- W% T5 P5 Y) V0 F
- X3 N& i! p0 u. H5 f5 I1 n+ C. P4 \
( y D& P6 X) Z& N- h( m
4 b6 [4 X$ \% E
一般来说,
lncRNA
主要从以下三种层面实现对基因表达的调控:
9 j1 E F( [% H) f4 u
/ [! n3 f9 W4 D
1.
表观遗传学调控
6 ?# o9 n. K, y4 U- x( e6 S7 E4 |
+ ]9 b; X- Y* `; Q) z, w' L! {
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
lncRNA HOTAIR
,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。
( P+ [3 \9 `. r& v& T
2.
转录调控
, |0 p8 Q! m" ]$ s
5 I1 @6 p5 Q S
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
lncRNA SRG1
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
lncRNA Evf2
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,
Alu RNA
能够通过抑制
RNA
聚合酶
II
来实现广谱的基因抑制。
7 X$ l/ y- {7 ]# k" z U, `
* o& k& h- a5 D2 M" a
3.
转录后调控
: M! L* h! r% }9 p' |( D& ^9 ^
# d& T: g" Z$ {; b3 E5 Z
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,
Zeb2 antisense RNA
能够和
Zeb2 mRNA
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,
Zeb2 antisense RNA
通过这种方式,能够提高
Zeb2
蛋白的表达量。
: o2 t1 R0 p. ~+ d& t! T0 @
( {! Q: }0 c8 M
LncRNA
与疾病
* Y! e9 o9 B5 r0 j# d
$ ]/ ]: A: P9 g, D5 q: a
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
)。
- q, F$ o* T( P; y. S, r+ p T
/ X, D. I7 \8 P b/ k9 W3 M
[p_w_upload=6025]
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
BACE1 mRNA
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(
Mohammad Ali Faghihi, et al. 2008. Nature Medicine
)。
8 h5 T; y1 f: \" Y3 g
+ B# V7 [. q+ n+ i$ c: l
0 l9 ^* b0 u+ X- ]0 l2 m \
4 ~1 I0 F0 o' B& K) m, R2 _5 L# O
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。
6 q. ]9 o' I) ?! R" k5 Z& f
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
。
9 K1 u" @1 z3 {: g4 ]6 d; L
?8 N0 ?$ Z9 \2 O
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