中樞神經系統(tǒng)長鏈非編碼RNA的研究進展

賈中驕，尹 希（綜述），史海水（審校）

（1.河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖學教研室，河北石家莊 050017；2.河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院功能科，河北石家莊 050011 3.河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生物化學與分子生物學教研室，河北石家莊 050017）

·綜 述·

中樞神經系統(tǒng)長鏈非編碼RNA的研究進展

賈中驕1，尹 希（2綜述），史海水3*（審校）

（1.河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院解剖學教研室，河北石家莊 050017；2.河北醫(yī)科大學第四醫(yī)院功能科，河北石家莊 050011 3.河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院生物化學與分子生物學教研室，河北石家莊 050017）

中樞神經系統(tǒng)；RNA，未翻譯；精神??；綜述文獻

中樞神經系統(tǒng)是一個非常復雜的生物系統(tǒng)，包含由不同類型的神經元和神經膠質細胞整合形成的動態(tài)神經網絡，不同的神經網絡負責介導中樞神經系統(tǒng)的高級認知和行為學功能。表觀遺傳修飾主要包括基因組DNA特定位點的甲基化以及組蛋白修飾等，與中樞神經系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、應激反應、可塑性，甚至某些疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。這種共價修飾調節(jié)需要多種酶、蛋白復合物以及分子腳手架等的有序參與，但具體的作用機制不清。非蛋白編碼RNA（non-prtein-coding RNA，ncRNA）主要包括核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）、轉運RNA（transfer RNA，tRNA）、microRNA（miRNA）、小干擾 RNAs（small interfering RNA，siRNA）、PIWI相互作用RNA（PIWI-interacting RNAs，PiRNA）以及長鏈非編碼RNA（long non-protein-coding RNA，lncRNA）等［1］。ncRNA的表達具有典型的時空特異性和環(huán)境敏感性，參與了表觀遺傳調節(jié)中的分子募集，中樞神經系統(tǒng)的ncRNA在大腦發(fā)育、神經干細胞維持、神經元發(fā)生、膠質細胞發(fā)生、應激反應、穩(wěn)態(tài)、突觸和神經元網絡的連接和可塑性等過程中發(fā)揮著關鍵作用，引起了科學家們的廣泛關注［2］。目前針對ncRNAs的研究集中在miRNA的與疾病發(fā)生發(fā)展的關系研究，對lncRNAs的研究相對較少。

1 lncRNAs簡介

lncRNAs是在小鼠全長互補DNA文庫的高通量測序分析中被描述出來的一類新的轉錄產物，最初被認為是由于轉錄過程中RNA聚合酶的低保真度所致。lncRNAs長度超過200nt、沒有或少有編碼蛋白能力，分布在細胞核和（或）細胞質中［3］。lncRNA是表達量最豐富的一類ncRNA，起初被認為是不具有生物學功能的轉錄副產物。研究［4］表明，lncRNA在基因表達調控中發(fā)揮著重要作用，作用模式與其定位［細胞核和（或）細胞質］有關。哺乳動物的lncRNAs位于基因組內長的基因間區(qū)，基因組序列往往被分隔為許多不同的編碼和非編碼部分，以正義或反義方向轉錄，包含蛋白編碼基因在內的正義和反義轉錄物常形成重疊交織的網狀轉錄復合物。lncRNAs的一級結構普遍缺乏保守性或僅具有低保守性，而二級結構具有保守性［5］。此外，和成熟的mRNA結構相似，某些lncRNAs還具有帽子結構和多聚腺苷酸尾巴結構以及經歷相似的轉錄后剪接修飾。

2 lncRNAs的功能

lncRNAs在脊椎動物（小鼠、大鼠、人等）和無脊椎動物（線蟲、果蠅等）具有表達。很多l(xiāng)ncRNA在生物發(fā)育的某些階段產生，具有組織或細胞特異性，其功能涉及染色體結構動態(tài)變化、亞細胞結構組成、基因組印記、劑量補償效應等眾多過程［6-7］。lncRNAs作用機制相對復雜，可在靶基因表達的不同環(huán)節(jié)發(fā)揮調節(jié)作用［8］。

2.1 lncRNAs的表觀遺傳調節(jié)：lncRNAs在表觀遺傳學修飾中扮演了重要角色。可以通過表觀遺傳修飾改變染色質構象，沉默或激活部分基因的表達，特別在胚胎發(fā)育階段，lncRNAs參與可遺傳的等位基因后期的表達沉默、表觀性狀的維持，這對于多細胞動物的正常發(fā)育和細胞分化至關重要。lncRNAs可通過直接與染色質結合并募集作用因子發(fā)揮其作用，也可通過組蛋白修飾導致靶基因沉默，還能通過募集染色質修飾抑制因子來參與等位基因的特異性沉默［8］。

細胞核內的lncRNAs與染色質在空間上鄰近，使得這些lncRNA與其靶基因直接結合并誘導其沉默成為可能。盡管沒有得到充分的證據證實，系列研究結果支持這一觀點［9］，如X染色體特異性是或轉錄物（X inactivation-specific transcript，Xist）lncRNAs對于哺乳動物雌性個體細胞的X染色體失活必不可少。熒光原位雜交實驗顯示Xist lncRNAs信號幾乎覆蓋了整個 X染色體，小鼠胎盤 Air lncRNA可以結合到Slc22a3基因的啟動子區(qū)，招募H3K9組蛋白甲基轉移酶 G9a，誘導轉錄沉默。lncRNAs與靶基因的結合可通過表觀遺傳方式改變染色質結構，也可以通過物理結合DNA并成為染色質的組成成分，從而影響染色質的構象。這種結合可能有利于穩(wěn)定染色質的空間結構，或有利于非組蛋白與染色質的結合。哺乳動物中，PcG蛋白質可以結合并沉默上千基因，而三胸節(jié)類（trithorax group，TrxG）蛋白質則能夠維持基因的活化狀態(tài)，它們與目標位點的結合也均是由lncRNA指導。而在酵母IMD2和URA2基因位點，蛋白質編碼基因和lncRNA基因具有相同的啟動子，上游lncRNA基因可以通過競爭轉錄因子，抑制下游蛋白質基因的表達。

組蛋白修飾研究［10］表明，Air lncRNA對其基因簇中的基因具有調節(jié)功能。三甲基化組蛋白H3K9me3位于靶基因Slc22a3的啟動子區(qū)，Air與其存在較強的關聯。在依賴Kcnq1ot1沉默的基因啟動子區(qū)富集H3K27me3和H3K9me3，H3K27me3的修飾作用依賴于Kcnq1ot1。提示不同lncRNA通過組蛋白修飾發(fā)揮沉默機制存在一定差異。

募集染色質修飾因子是多數lncRNA的功能，lncRNA的表觀遺傳修飾可通過募集染色質修飾抑制因子實現［11］。近40%表達的lncRNAs與抑制染色質修飾因子如多梳抑制復合體 2（ polycomb repressive complex 2，PRC2）、RE1沉默轉錄因子共抑制因子（ corepressor for RE1 silencing transcription factor CoREST）存在物理上的結合，并有可能抑制位于反式作用元件上的靶基因。組蛋白修飾調節(jié)因子G9a（H3K9組蛋白甲基轉移酶），參與了Kcnq1ot1 lncRNA的沉默機制。Air lncRNAs與G9a分子能相互作用，Air lncRNAs參與父源Slc22a3啟動子上與G9a的連接作用，而Kcnq1ot1可與G9a、Ezh2以及Suz12發(fā)生免疫共沉淀，后兩者屬PRC2家族，并且參與調解H3K27甲基化。

2.2 lncRNAs與轉錄調節(jié)：細胞核中的lncRNA除了可以通過表觀遺傳修飾基因表達外，也可通過其他方式在轉錄水平對靶基因表達進行調節(jié)。lncRNAs可以作為直接調控因子、共調控因子等，通過調節(jié)轉錄起始復合體的形成實現對靶基因轉錄的調控［12］。這種調控作用可干擾靶基因的轉錄（如酵母Srg1 lncRNA）或促進靶基因的轉錄（如人的β-球蛋白基因上游的 lncRNA）。在轉錄后水平，lncRNAs可與mRNAs序列形成RNA二聚體，掩蔽與轉錄加工有關的位點，以此來調控轉錄后水平的剪切、拼接、翻譯等過程產生不同的剪切形式。lncRNA也可通過與蛋白編碼基因的轉錄本形成互補雙鏈，進一步在 Dicer酶作用下產生內源性的siRNA，調控基因的表達水平。

3 中樞神經系統(tǒng)lncRNAs與疾病發(fā)生

中樞神經系統(tǒng)疾病是神經科學領域研究的熱點，ncRNAs與復雜疾病發(fā)生發(fā)展之間的關系研究引起關注［7］。盡管對其具體的致病機制不甚清楚，人類的很多疾病都和lncRNA的表達異常相關，如白血病、結腸癌、前列腺癌、乳腺癌、肝細胞、牛皮癬、冠心病、糖尿病等。動物腦組織中l(wèi)ncRNAs呈現高表達的特性也提示其可能參與中樞神經系統(tǒng)功能調節(jié)。lncRNAs廣泛參與了視網膜發(fā)育、神經細胞的分化和增殖，以及突觸可塑性調節(jié)，與阿爾茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）、睡眠障礙、精神分裂癥、自閉癥、成癮等神經系統(tǒng)疾病相關。

3.1 lncRNAs與神經發(fā)育相關疾病：lncRNAs與涉及基因組印跡的神經發(fā)育異常疾病有關，包括Prader-Willi綜合征（Prader-Willisyndrome，PWS）、Angelman綜合征（angelman syndrome，AS）等。很多父源 lncRNA的表達來源于基因印記簇［13］。其中一部分作為作為snoRNA的前體間接地發(fā)揮表觀遺傳調節(jié)，另外一部分lncRNAs可直接參與基因印記簇中基因表達的調節(jié)。母源表達的Ube3a是AS發(fā)生的候選基因，Ube3a-as是Ube3a基因的反義轉錄產物，提示Ube3a-as可能沉默父源Ube3a基因的表達，衍生于PWS-AS的lncRNA定位于細胞核，并通過動態(tài)調節(jié)細胞核結構來參與調控基因表達。

lncRNA會影響脆性X染色體綜合征（fragile X syndrome FXS）、脆性X染色體相關的震顫和共濟失調綜合征（fragile X-associated tremor and ataxia syndrome FXTAS）的發(fā)生發(fā)展。兩者分別是由于蛋白編碼基因FMR1的突變和前突變所致。FMR4是靈長類特異的lncRNA，與FMR1基因共享雙向啟動子。和FMR1相似，FMR4在FXS患者中也被沉默，利用siRNA技術下調FMR4并不影響FMR1表達，提示FMR1并非是FMR4的惟一靶標，而過表達上調FMR4會顯著促進細胞增殖。進一步表明lncRNA功能的復雜性。

lncRNA還可能參與了Down′s綜合征（Down′s syndrome，DS）的病理過程。NRON lncRNA介導了激活 T細胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）這類轉錄因子的核轉位。利用DSCR1和DYRK1A基因異常表達可協(xié)同阻止NFAT的核轉位，引起NFATc活性降低，在模型動物上可誘導DS的一些病癥。

3.2 lncRNAs與神經退行性疾?。篈D是一類以認知功能障礙為主要特征的神經退行性疾病。β淀粉樣蛋白（amyloidβ，Aβ）的過度生成被認為是其最重要的致病機制。β淀粉樣前體蛋白裂解酶1（βsite amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1，BACE1）催化淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）生成Aβ。人神經系統(tǒng)中可表達產生的兩類lncRNAs可影響AD的發(fā)生發(fā)展。一類是lncRNAs（ BC200），BC200在正常老人新皮質組織中的表達會隨著年齡的增長而下降，在AD患者的受累腦組織中，BC200的表達量顯著增高，并且其表達量與患病嚴重程度呈正相關。BC200的亞細胞定位在AD病程的晚期也發(fā)生了改變。BC200的變異表達和非正常定位導致了 AD的發(fā)生和病程的進展，但BC200與AD發(fā)生的因果關系尚待證實［14］。另一種IncRNA是β分泌酶-1（beta-secreatse-1，BACE1）基因反義鏈轉錄產物（BACE1 antisense transcript，BACE1-AS），BACE1 AS能夠在細胞各種外界壓力刺激條件下，與BACE1mRMA形成RNA復合體來防止BACE1mRNA受到核酸酶的降解，從而增加BACE1mRNA的穩(wěn)定性，導致更多的β淀粉樣蛋白累積，且促進更多BACE1-AS的表達，這個正反饋循環(huán)最終加速AD的發(fā)展。利用BACE1-AS特異的 siRNA降低 BACE1-AS的表達后，BACE1 mRNA與β淀粉樣蛋白的表達水平也同時下降，這就表明BACE1-AS是一個較理想的治療AD的藥物靶點［15］。此外，lncRNA也與脊髓小腦性共濟失調、肌萎縮測索硬化、杭廷頓病等疾病發(fā)生密切相關［16］。

3.3 lncRNA與神經免疫性疾?。憾喟l(fā)性硬化（multiple sclerosis，MS）是一類復雜的自身免疫性疾病。免疫病理性研究［17］發(fā)現，CD8+T細胞活性異常與MS的發(fā)病有關。小鼠 CD8+T細胞來源的lncRNAs在T細胞分化與活化的過程中動態(tài)表達。Tmevpg1是一類可能參與MS病理過程的lncRNA，它存在于人和小鼠的免疫細胞，是細胞因子基因簇的轉錄產物。小鼠中Tmevpg1控制鼠腦脊髓炎病毒（Theiler′s murine encephalomyelitis virus，TMEV）感染的持續(xù)。值得注意的是，由于能引起伴隨少突膠質細胞凋亡和軸突變性的長期炎性脫髓鞘，TMEV感染常用于制備MS動物模型。

3.4 lncRNA與神經精神疾?。撼伺c神經發(fā)育相關疾病、神經退行性疾病以及神經免疫疾病外，lncRNAs還與多種精神疾病存在關聯。DISC基因座可表達DISC1蛋白和DISC2 lncRNA。DISC基因組定位改變與精神分裂癥、雙相情感障礙、重性抑郁癥、自閉癥等的發(fā)生風險高度相關。DISC2存在于DISC1的互補鏈上，兩者存在部分重疊，轉錄方向相反，提示DISC2可能參與了DISC1的表達調節(jié)，后者可參與包括胚胎期和成年神經發(fā)生在內的中樞神經系統(tǒng)結構與功能的調節(jié)。

應用高通量測序技術，Michelhaugh等［18］對海洛因成癮者和正常人伏隔核腦區(qū)lncRNAs進行了檢測分析，鑒別出 5條在成癮者伏隔核上調的lncRNA，提示lncRNA可能參與了藥物成癮過程。基于定位于神經系統(tǒng)相關基因簇的特點，Soshnev等［19］對 yar lncRNA的功能進行研究，發(fā)現 yar lncRNA可通過影響mRNA的穩(wěn)定以及在翻譯水平調節(jié)果蠅睡眠行為。lncRNA也可能在動物睡眠行為以及睡眠障礙相關疾?。ń箲]、抑郁癥等）發(fā)生中發(fā)揮作用，需實驗進一步驗證。

4 展 望

中樞神經系統(tǒng)的lncRNAs具有重要的中樞神經系統(tǒng)調節(jié)功能，與多種疾病發(fā)生、發(fā)展存在關聯。但是，與眾多編碼蛋白的基因功能研究相比，在中樞神經系統(tǒng)疾病，尤其是一些主要精神疾?。ㄒ钟舭Y、焦慮、成癮等）發(fā)病過程中l(wèi)ncRNA的功能與作用機制還不得而知，主要包括：①在疾病發(fā)生過程中都有哪些lncRNA發(fā)生了變化；②這些變化的lncRNA在疾病發(fā)生過程中發(fā)揮何種分子生物學功能；③疾病特異性相關的lncRNA的亞細胞定位是否發(fā)生改變；④正常和疾病狀態(tài)下lncRNA的穩(wěn)定性如何。通過建立合適的動物模型，綜合運用高通量篩選、測序技術和生物信息學、分子生物學方法，挖掘和疾病發(fā)病密切相關的lncRNA，進一步對其功能和作用機制進行深入研究，這不僅僅會豐富對lncRNAs這一神秘RNA分子的認識，也為重大神經精神疾病發(fā)病機制研究和開發(fā)以RNA為靶點的新型藥物拓寬思路。

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（本文編輯：劉斯靜）

R338.2

A

1007-3205（2012）09-1102-04

2012-02-16；

2012-06-10

賈中驕（1982-），男，河北石家莊人，河北醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院助理實驗師，醫(yī)學碩士研究生，從事神經精神疾病發(fā)生機制研究。

*通訊作者。E-mail：shshhdsh@163.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.09.047