解碼基因組中的“暗物質(zhì)”

孫奮勇

(同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院檢驗(yàn)科，上海 200072)

解碼基因組中的“暗物質(zhì)”

孫奮勇

(同濟(jì)大學(xué)附屬第十人民醫(yī)院檢驗(yàn)科，上海 200072)

長鏈非編碼RNA;功能;microRNA;疾病;診斷;治療

長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)是非編碼RNA家族的重要成員，因其數(shù)量、種類、功能狀況都不明確，又被稱作基因組中的“暗物質(zhì)”。本研究對(duì)其研究價(jià)值、作用的分子機(jī)制、與疾病的關(guān)系進(jìn)行了探討，重點(diǎn)分析了lncRNAs與非編碼RNA家族另一重要成員microRNA的相互關(guān)系，提出了lncRNAs調(diào)控microRNA功能的新假說。目前，關(guān)于lncRNA的研究才剛剛起步，相信不久的將來lncRNA會(huì)成為分子生物研究領(lǐng)域又一顆璀璨的明星。

20世紀(jì)物理學(xué)界最重要的發(fā)現(xiàn)之一，可能就是暗物質(zhì)了，這種難以觀察的物質(zhì)以極大的權(quán)重裹挾著熟知的“明物質(zhì)”的世界，動(dòng)搖著關(guān)于物質(zhì)世界的基本認(rèn)知與規(guī)律。21世紀(jì)初，生命科學(xué)領(lǐng)域中最偉大的發(fā)現(xiàn)毫無疑問是另一種形式的“暗物質(zhì)”:非編碼RNA。之所以稱為“暗物質(zhì)”，是因?yàn)槠鋽?shù)量，種類與功能均不明確，尚缺乏有效的研究手段，然而正是這些“暗物質(zhì)”，卻蘊(yùn)藏著調(diào)控細(xì)胞功能的巨大潛力。

過去10年中，基因組測(cè)序獲得的數(shù)據(jù)達(dá)到空前規(guī)模，讓我們對(duì)基因組有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。但與所期待的結(jié)果大相徑庭，人、小鼠與線蟲的蛋白編碼基因數(shù)量并沒有太大的差異，有些低級(jí)的多細(xì)胞生命的編碼基因數(shù)量甚至少于單細(xì)胞生命個(gè)體［1］。似乎生物的復(fù)雜程度與編碼基因的數(shù)量沒有明顯的相關(guān)性。那么，生命的復(fù)雜程度究竟由基因組的什么特性來決定呢?有兩方面的證據(jù)似乎可以給出答案:(1)高度復(fù)雜的生命形式往往具有更加大量的非編碼轉(zhuǎn)錄本數(shù)量;(2)在哺乳動(dòng)物基因組中，mRNA只占全部轉(zhuǎn)錄本的2%，剩余98%是非編碼RNA［2］。這些轉(zhuǎn)錄本很可能在細(xì)胞生命活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中承擔(dān)了極其重要的作用。因此，必須重新思考非編碼RNA在細(xì)胞中的作用。

1 lncRNAs的潛在作用

新一代測(cè)序技術(shù)的結(jié)果表明，基因組具有密集轉(zhuǎn)錄的特點(diǎn)，其中80%的轉(zhuǎn)錄本為長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNAs)［3］。長期以來，這些lncRNAs被誤認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄的“噪聲”，但有4點(diǎn)證據(jù)表明這些轉(zhuǎn)錄本可能直接參與了細(xì)胞功能的調(diào)控:(1)lncRNAs通常較長(一般大于2 kb，甚至超過100 kb)，具有 mRNA樣結(jié)構(gòu)，經(jīng)過剪接，具有polyA尾巴與啟動(dòng)子結(jié)構(gòu)，分化過程中有動(dòng)態(tài)的表達(dá)與不同的剪接方式;(2)lncRNAs啟動(dòng)子同樣可以結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，如 Oct3/4，Nanog，CREB，Sp1，c-myc，Sox2 與 p53［4］，局部染色質(zhì)組蛋白同樣具有特征性的修飾方式與結(jié)構(gòu)特征;(3)大多數(shù)的lncRNAs在組織分化發(fā)育過程中，都具有明顯的時(shí)空表達(dá)特異性，如有人針對(duì)小鼠的1 300個(gè)lncRNAs進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在腦組織中的不同部位，lncRNAs具有不同的表達(dá)模式［5］;(4)在腫瘤與其他疾病中有特征性的表達(dá)方式。

學(xué)術(shù)界關(guān)于lncRNAs序列保守性的紛爭，一直是影響其功能評(píng)價(jià)的主要矛盾焦點(diǎn)。有研究者認(rèn)為，雖然lncRNAs的序列保守性差，卻具有高度保守的結(jié)構(gòu)特征，而RNA與蛋白質(zhì)的作用主要依賴一些特殊的結(jié)構(gòu)域。2009年，Calin等關(guān)于lincRNA的報(bào)道堪稱非編碼RNA研究領(lǐng)域的里程碑，他們通過對(duì)轉(zhuǎn)錄基因的染色質(zhì)組蛋白的甲基化修飾進(jìn)行高通量解析，分別發(fā)現(xiàn)小鼠與人類基因組中有1 600與3 000種基因間lncRNAs，具有高度保守的序列特性與調(diào)控基因表達(dá)的功能［6］。

2 lncRNAs的作用機(jī)制

目前，已知lncRNAs具有多種功能，其中最重要的是參與了編碼基因表達(dá)調(diào)控的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。例如，Hox基因座位能夠轉(zhuǎn)錄數(shù)百種lncRNAs，決定了同源盒基因家族啟動(dòng)子局部染色質(zhì)開放狀態(tài)伴隨發(fā)育軸的時(shí)空特性而改變［7］。其中，由HOXC座位轉(zhuǎn)錄的lncRNA HOTAIR，能夠指導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控蛋白PRC2與HOXD家族基因啟動(dòng)子的結(jié)合，抑制后者的轉(zhuǎn)錄。最新的研究表明，超過20%的基因間lincRNAs(large intergenic ncRNA，lincRNA)具有類似功能［8］。

lncRNAs也能直接調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄與蛋白的降解。例如，lncRNAs Evf2能夠激活轉(zhuǎn)錄因子Dlx2并招募其結(jié)合Dlx5啟動(dòng)子上的高度保守序列而誘導(dǎo)后者的表達(dá)［9］。Evf2敲除小鼠在發(fā)育早期發(fā)生明顯的GABA能神經(jīng)元數(shù)量的減少，揭示了Evf2在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的重要性［9］。再例如 p53 mRNA，除了可以作為翻譯模板，也能夠抑制泛素連接酶mdm2與P53蛋白的結(jié)合，抑制其泛素化降解。研究表明，一些mRNAs與p53 mRNA相似，具有某種特征性的結(jié)構(gòu)，具有調(diào)節(jié)性RNA的功能［10］。

某些lncRNAs可能涉及細(xì)胞器的形成與細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。例如，lncRNAs NRON參與了轉(zhuǎn)錄因子NFAT從胞漿到胞核的轉(zhuǎn)運(yùn)過程［11］，而 lncRNAs NEAT/MENε/β則參與了分化細(xì)胞核中亞單位區(qū)域的形成以及某些特殊mRNA的運(yùn)輸［12］。

3 lncRNAs與m icroRNA的相互作用

多數(shù)lncRNAs具有mRNA樣結(jié)構(gòu)，提示有可能與ncRNA家族另外一個(gè)重要的成員microRNA有相互作用的可能性。例如，人類染色質(zhì)上有一些在不同物種中極度保守的區(qū)域也能夠轉(zhuǎn)錄出lncRNAs，稱作UCRs(ultraconserved regions encoding ncRNAs)，雖然其功能尚不明確，但與人類白血病有密切的關(guān)系，研究表明 miR-155，miR-24，miR-29b，miR-155 能夠靶向調(diào)控4種UCRs［13］，促進(jìn)后者的降解。最近，發(fā)現(xiàn)在肝癌中過度表達(dá)的lncRNA HULC，能夠有效結(jié)合miR-372，抑制其與下游靶基因的結(jié)合以促進(jìn)細(xì)胞增殖。籍此，首次提出miRNAs功能調(diào)控的新機(jī)制［14］。Steilz等發(fā)現(xiàn)了極其相似的情況，Herpesvirus saimiri病毒能夠轉(zhuǎn)錄兩種ncRNA HSUR1與HSUR2，結(jié)合宿主細(xì)胞表達(dá)的miR-27a與miR-142-3p，并抑制其功能［15］。β-secreatase的編碼基因BACE1座位能夠轉(zhuǎn)錄一條反義RNA，通過與BACE1 mRNA的3'UTR相結(jié)合，抑制miRNAs對(duì)mRNA的降解［16］。值得注意的是，lncRNAs與miRNA相互作用機(jī)制的提出，為其功能研究指明了新的方向。

4 lncRNAs與疾病的發(fā)生

越來越多的證據(jù)表明，lncRNAs至少在轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后翻譯水平兩個(gè)層面調(diào)控了蛋白編碼基因的表達(dá)，包括一些關(guān)鍵基因。因此，很容易聯(lián)想到lncRNAs與疾病發(fā)生的關(guān)系。事實(shí)表明，lncRNAs表達(dá)的異常能夠?qū)е乱恍?fù)雜疾病的發(fā)生，例如:白血病、結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌、心肌梗死、Alzhemier病［16］。雙鏈DNA結(jié)合蛋白PSF組成性地抑制原癌基因GAGE6的表達(dá)，但是至少有5種lncRNAs能夠結(jié)合PSF而抑制其作用，導(dǎo)致GAGE6表達(dá)水平的增加而成瘤［17］。有研究在白血病細(xì)胞中鑒定到一種lncRNAs是抑癌基因p15的反義轉(zhuǎn)錄本，能夠調(diào)控p15啟動(dòng)子區(qū)域DNA與組蛋白的甲基化狀態(tài)，影響p15的表達(dá)［18］。p21基因也具有相似功能的反義lncRNAs。上述結(jié)果提示，存在于數(shù)千種蛋白編碼基因座位上的反義轉(zhuǎn)錄本lncRNAs，極可能通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制調(diào)控鄰近編碼基因的表達(dá)。甚至可以得出結(jié)論，導(dǎo)致腫瘤形成的“二次打擊”，很有可能包括lncRNAs的異常，并非只局限于編碼基因。

目前，流行的 GWAS(Genome-wide association study)技術(shù)加速了對(duì)lncRNA致病機(jī)制的認(rèn)識(shí)，例如:GWAS研究表明，lncRNAs MIAT與心肌梗死有關(guān);由于染色體缺失導(dǎo)致了LUC7L多聚腺苷酸化的異常，能夠引起鄰近HBA2基因DNA甲基化水平的異常，是引發(fā)α-thalassemia的重要原因。FoxL2基因上游250 kb附近約7．4 kb的一段缺失與Blepharophimosis綜合征的形成密切相關(guān)，研究表明這種缺失導(dǎo)致了一條未知功能的lncRNAs PISRT1的基因突變［19］。

5 lncRNAs用于疾病診斷與治療

有較多的lncRNAs被發(fā)現(xiàn)與疾病形成有關(guān)，提示lncRNAs可能是一種有效的疾病診斷標(biāo)志。據(jù)報(bào)道，在前列腺癌組織中鑒定到23種內(nèi)含子lncRNAs與腫瘤的分化程度有密切關(guān)系;HULC在肝癌中呈現(xiàn)明顯的高表達(dá)趨勢(shì)，而且在患者血漿中也檢測(cè)到高水平的HULC，進(jìn)一步研究表明，正常的結(jié)腸組織與結(jié)腸癌中均不表達(dá)HULC，當(dāng)結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移到肝臟中時(shí)，則表達(dá)水平明顯增高［20］。有研究針對(duì)22個(gè)正常組織以及133種白血病與其他腫瘤組織進(jìn)行表達(dá)譜系分析，發(fā)現(xiàn)基因組極高保守區(qū)域的非編碼轉(zhuǎn)錄本UREs的表達(dá)水平與腫瘤的組織特異性有明顯的相關(guān)性［11］。

目前，利用lncRNAs作為腫瘤的分子靶點(diǎn)治療腫瘤的報(bào)道還十分罕見。但最近的研究表明乳腺癌細(xì)胞中高表達(dá)的HOTAIR能夠募集PcG蛋白至靶基因的啟動(dòng)子，導(dǎo)致局部的異染色質(zhì)化，抑制靶基因的表達(dá)水平，其中包括HOXD10，該基因具有抑制乳腺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的重要作用［21］。針對(duì)HOTAIR進(jìn)行siRNA干擾，則能夠明顯抑制乳腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。

lncRNA的研究才剛剛開始，隨著生命科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是新一代測(cè)序技術(shù)與基因芯片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將深刻認(rèn)識(shí)lncRNA的功能、機(jī)制，與細(xì)胞分化、組織發(fā)育、疾病形成的內(nèi)在聯(lián)系，相信隨著lncRNAs致病功能的不斷深入發(fā)掘，以其作為治療靶點(diǎn)的臨床實(shí)踐工作將有可能成為現(xiàn)實(shí)。

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A

1008-0392(2011)01-0001-04

10．3969/j．issn1008-0392．2011．01．001

2010-11-01

上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(10JC1412800)

孫奮勇(1970—)，男，博士，教授．E-mail:sunfenyong@263．net