長(zhǎng)鏈非編碼RNA在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中的作用

岳文峻(綜述)，宋　成(審校)

(棗莊礦業(yè)集團(tuán)中心醫(yī)院燒傷整形美容科，山東 棗莊 277000)

長(zhǎng)鏈非編碼RNA在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中的作用

岳文峻(綜述)，宋成※(審校)

(棗莊礦業(yè)集團(tuán)中心醫(yī)院燒傷整形美容科，山東 棗莊 277000)

摘要：多細(xì)胞生物基因組的特點(diǎn)是普遍表達(dá)不同類型的非編碼RNA(ncRNAs)。長(zhǎng)鏈ncRNAs(LncRNAs)作為ncRNA中一種新的類型，包含著數(shù)千種不同的種類。LncRNAs在分化和發(fā)育過(guò)程中起關(guān)鍵作用，并且在復(fù)雜生物體基因組內(nèi)發(fā)現(xiàn)的LncRNAs數(shù)量不斷增加，也暗示了其在多細(xì)胞生物進(jìn)化過(guò)程中調(diào)控的重要性。研究表明，LncRNAs在劑量補(bǔ)償、基因印跡、細(xì)胞分化及器官形成等方面發(fā)揮著重要功能，特別是在哺乳動(dòng)物的發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)鏈非編碼RNA；分類；神經(jīng)系統(tǒng)；發(fā)育

在過(guò)去的研究中已經(jīng)證明RNA在細(xì)胞功能和生物進(jìn)化中的核心作用，但是通過(guò)Tiling微陣列(芯片)技術(shù)、基因表達(dá)系列分析、帽分析基因表達(dá)、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)、染色質(zhì)免疫沉淀技術(shù)等分析哺乳動(dòng)物基因組與轉(zhuǎn)錄組結(jié)果表明,大約2/3的基因組DNA普遍轉(zhuǎn)錄，但是最終只有大約2%翻譯為蛋白質(zhì)[1]。而且與編碼RNA相比，非編碼RNA(non-coding RNAs，ncRNAs)與生物復(fù)雜程度的關(guān)系更為密切。在真核生物中ncRNA的范圍很廣泛，超出了蛋白質(zhì)編碼基因的數(shù)量。其中長(zhǎng)鏈ncRNAs(long noncoding RNAs,LncRNAs)通常大于200個(gè)核苷酸，并且多聚腺苷酸化后缺乏明顯的開(kāi)放閱讀框?，F(xiàn)將LncRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中的研究進(jìn)展作一綜述。

1LncRNAs的特點(diǎn)及分類

LncRNAs大于200個(gè)核苷酸,通常被多聚腺苷酸化并且缺乏明顯的開(kāi)放閱讀框[2]。LncRNAs在核糖核蛋白復(fù)合物中發(fā)揮重要作用，調(diào)控基因表達(dá)的各個(gè)階段[2]。其內(nèi)在的核酸天然賦予LncRNAs雙重功能：①作為蛋白質(zhì)的配體(如在基因調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮功能的LncRNAs)；②介導(dǎo)堿基配對(duì)的相互作用來(lái)引導(dǎo)包含LncRNAs的復(fù)合體到特殊的RNA或DNA靶點(diǎn)[2-3]。區(qū)別于小ncRNAs，LncRNAs還可以折疊成復(fù)雜的二級(jí)或更高級(jí)的結(jié)構(gòu)來(lái)為蛋白質(zhì)和目標(biāo)識(shí)別提供更高的潛能和多能性[2-3]。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)或功能的特點(diǎn)，其可以被進(jìn)一步分為多個(gè)子類，如環(huán)狀RNA[4]，自然翻譯轉(zhuǎn)錄物[5-6]，超保守轉(zhuǎn)錄區(qū)域[7]，有增強(qiáng)子作用的LncRNAs[8]，長(zhǎng)鏈基因間RNA和假基因。LncRNAs發(fā)揮功能的分子機(jī)制還不清楚，目前有以下幾種假設(shè)，包括RNA:DNA:DNA triplex(trans-)RNA:DNA hybrid、RNA:RNA hybrid of LncRNA with a nascent transcript、RNA-protein interaction(cis/trans-)[9]。通常認(rèn)為L(zhǎng)ncRNAs通過(guò)相應(yīng)的DNA、RNA、Pr 相互作用，發(fā)揮信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、抑制劑/誘餌、染色質(zhì)修飾因子/支架、順式和反式基因表達(dá)調(diào)控因子/向?qū)У茸饔肹9-10]。

2LncRNAs與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育

在器官發(fā)育過(guò)程中LncRNAs對(duì)于建立和維持細(xì)胞特異性基因表達(dá)模式所起的作用已經(jīng)得到證實(shí)。尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(以大量而廣泛的神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的亞型為特點(diǎn))在ncRNAs方面是迄今為止最復(fù)雜和多樣性的。LncRNAs 在中樞神經(jīng)細(xì)胞中高度表達(dá)，并且LncRNAs數(shù)量的增加與進(jìn)化的復(fù)雜性密切相關(guān)。

2.1神經(jīng)系統(tǒng)中含量最豐富的 LncRNAs肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1，Malat1)是迄今為止研究最廣泛、在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)最多的LncRNAs。這種LncRNAs在不同類型的小鼠神經(jīng)中均呈現(xiàn)高表達(dá)[11]。Malat1定位于核散斑上，通過(guò)一系列調(diào)控核與突觸功能的基因來(lái)調(diào)控突觸的形成[11]。在培養(yǎng)的小鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞中敲除Malat1基因?qū)?huì)導(dǎo)致突觸密集度降低及樹(shù)突生長(zhǎng)受限。然而，Malat1功能缺失小鼠模型證明其在小鼠產(chǎn)前和產(chǎn)后發(fā)育過(guò)程中并非必不可少，僅表現(xiàn)出個(gè)別基因的輕微下調(diào)，如Malat1的鄰近基因，這同時(shí)也證明了在基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程中Malat1具有潛在的順式調(diào)控作用[12]。

與癌原鑒定結(jié)果一致，通過(guò)結(jié)合RNA不穩(wěn)定的元件鋅指核酸酶到Malat1基因上導(dǎo)致Malat1在人肺腫瘤細(xì)胞下調(diào)至0.1%，揭示了一種Malat1基因控制的轉(zhuǎn)移基因表達(dá)模式[12]。總之，Malat1在腫瘤發(fā)展和神經(jīng)元分化過(guò)程中準(zhǔn)確的作用機(jī)制還需要深入研究。

2.2LncRNAs與神經(jīng)發(fā)育相關(guān)編碼基因的聯(lián)系通過(guò)全基因組研究方法的整合對(duì)LncRNAs進(jìn)行總體檢測(cè)，同時(shí)在不同的成年小鼠大腦區(qū)域進(jìn)行原位雜交，結(jié)果表明LncRNAs與不同類型的腦細(xì)胞有關(guān)，且與mRNA相比其表達(dá)更具有組織特異性[13]。同時(shí)，它們?cè)诖竽X發(fā)育過(guò)程中的表達(dá)也呈現(xiàn)出特殊的時(shí)空表達(dá)模式[13]。

轉(zhuǎn)錄組分析表明，許多腦組織表達(dá)的LncRNAs是靈長(zhǎng)類或人類所特異表達(dá)的，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)LncRNAs可能對(duì)人類大腦進(jìn)化及認(rèn)知和行為起關(guān)鍵作用[14]。自從人類與其他類人猿具有趨異性開(kāi)始，高加速區(qū)域1A LncRNA就加快了自身的進(jìn)化。它的表達(dá)水平與Reelin蛋白的表達(dá)水平相關(guān)，表明它可以通過(guò)類似的方式協(xié)同區(qū)域腦組織的建立。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從鳥(niǎo)類到哺乳動(dòng)物等各種物種大腦中表達(dá)的LncRNAs似乎都高度保守并且具有類似的時(shí)空表達(dá)譜系，表明這些LncRNAs 在大腦發(fā)育過(guò)程中自古就發(fā)揮著作用[15]。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)來(lái)源于腦組織DNA超保守區(qū)域的LncRNAs轉(zhuǎn)錄自復(fù)雜的基因位點(diǎn)，它們與編碼發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵蛋白的基因重疊或反義[16]。例如，LncRNAs通過(guò)充當(dāng)分子支架募集特殊因子來(lái)調(diào)節(jié)鄰近基因的活性[16]。共激活LncRNA Dlx6反義鏈轉(zhuǎn)錄物1(distal-less homeobox 6,opposite strand 1，Dlx6os1，也被稱為Evf2)，位于一個(gè)超高保守區(qū)域內(nèi)；它是Dlx6的反義RNA并且位于Dlx5的下游。這些Dlx基因與黑腹果蠅 Distal-less(Dll)基因有關(guān)；它們編碼同源異型結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子，而這些轉(zhuǎn)錄因子在腹側(cè)前腦的發(fā)育過(guò)程中表達(dá)并且可能在前腦以及顱頜面的發(fā)育過(guò)程中也發(fā)揮作用。Dlx6os1通過(guò)順式與反式作用機(jī)制控制Dlx5、Dlx6以及谷氨酸脫羧酶1基因(clutamate decarboxylase，Gad1,也稱為Gad67)的表達(dá)。在順式作用中，Dlx6os1的轉(zhuǎn)錄負(fù)向調(diào)控Dlx6的表達(dá)。相反，在反式作用中，Dlx6os1募集轉(zhuǎn)錄因子同源異型盒蛋白(一種活化劑)以及甲基化-CpG-結(jié)合蛋白2(一種抑制劑)來(lái)調(diào)控Dlx5和Gad1的表達(dá)[16]。小鼠體內(nèi)Dlx6os1功能缺失實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一種特殊的神經(jīng)表型，出生后早期在海馬區(qū)γ氨基丁酸能中間神經(jīng)元減少。盡管γ氨基丁酸能中間神經(jīng)元以及Gad1 RNA水平在成年的Dlx6os1突變的海馬體中恢復(fù)正常，但是突觸抑制的缺陷依舊存在，表明Dlx6os1在體內(nèi)的神經(jīng)元活動(dòng)中起關(guān)鍵作用[16]。Dlx6os1基因的發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了探究轉(zhuǎn)錄自超高保守區(qū)域的LncRNA之路。

2.3LncRNA誘導(dǎo)的神經(jīng)發(fā)生對(duì)神經(jīng)發(fā)生有關(guān)的LncRNA進(jìn)行大量篩選，確定各種敲除后能阻止人類胚胎干細(xì)胞發(fā)育為成熟神經(jīng)元的LncRNA。有趣的是，核定位的LncRNA-N1(也被稱為 LINC01109)以及 LncRNA-N3被結(jié)合到多梳蛋白和神經(jīng)元限制性沉默基因，表明一種模式神經(jīng)元通過(guò)募集組蛋白H3K27甲基化酶復(fù)合體到特定的膠質(zhì)細(xì)胞譜系基因從而增強(qiáng)神經(jīng)元限制性沉默因子活性，促進(jìn)神經(jīng)形成。與之相反，細(xì)胞質(zhì)的LncRNA-N2(也稱為 MIR100HG)似乎充當(dāng)let-7 以及神經(jīng)性的miR-125b基因的前體分子， let-7和miR-125b都是miRNAs，它們分別促進(jìn)增殖停滯和神經(jīng)元分化[17]。

2.4視網(wǎng)膜上的LncRNAs有趣的是,幾種LncRNAs被發(fā)現(xiàn)在視網(wǎng)膜上特異性表達(dá)，視網(wǎng)膜是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)特殊組成部分。視網(wǎng)膜是體內(nèi)研究的一個(gè)容易控制的組織類型，因?yàn)榛蚬δ苋笔?shí)驗(yàn)可以通過(guò)局部注射RNA干擾試劑得以實(shí)現(xiàn)，與之相反,許多體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究需要對(duì)生殖細(xì)胞系進(jìn)行遺傳修飾。目前已經(jīng)較為清晰的知道視網(wǎng)膜模型中特異性表達(dá)的幾種LncRNA功能,如Xist、Tsix、Kcnq1ot1、Airn、Fendrr、Hotair、Dlx1os、Dlx6os1、Malat1等基因。

2.5非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的LncRNAs最近在人與小鼠大腦皮質(zhì)錐體神經(jīng)元和中間神經(jīng)元中證實(shí)，環(huán)狀RNA是來(lái)源于不規(guī)則剪接的反義轉(zhuǎn)錄本(cerebellar degeneration-related protein 1 antisense,CDR1AS,也被稱為ciRS-7)的小腦變性相關(guān)蛋白1(cerebellar degeneration-related protein 1，CDR1)mRNA。有趣的是，這種環(huán)狀RNA通過(guò)70個(gè)選擇性保守的miR-7靶位點(diǎn)來(lái)發(fā)揮海綿樣作用并調(diào)節(jié)內(nèi)源性miR-7靶點(diǎn)[18-19]。斑馬魚(yú)在胚胎期大腦發(fā)育過(guò)程中由于維持miR-7基因的表達(dá)而失去了CDR1位點(diǎn)，所以常被用來(lái)研究環(huán)狀RNA在體內(nèi)的功能。胚胎表達(dá)異位CDR1AS基因可導(dǎo)致大腦發(fā)育障礙以及腦區(qū)萎縮，這與通過(guò)嗎啉代寡核苷酸干擾導(dǎo)致miR-7功能缺失實(shí)驗(yàn)獲得的表型相似[19]。因此，cirRNAs可能在神經(jīng)元的功能以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病中起調(diào)控作用[18-19]。

總之，LncRNAs功能的多樣性似乎與中樞神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜的調(diào)控需要相適應(yīng)，關(guān)于LncRNAs對(duì)大腦復(fù)雜功能的調(diào)控以及在神經(jīng)退行性疾病中的發(fā)病機(jī)制還需要更深入的研究。

3小結(jié)

隨著對(duì)于LncRNAs功能研究的深入，已知的基因調(diào)控機(jī)制已經(jīng)不能對(duì)此作出完善的解釋。盡管有關(guān)LncRNAs的新的研究方法不斷涌現(xiàn)，但是LncRNAs編碼位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及與編碼基因復(fù)雜的相互作用關(guān)系導(dǎo)致其準(zhǔn)確的作用機(jī)制尚不清楚。對(duì)于轉(zhuǎn)錄物非編碼性質(zhì)的準(zhǔn)確定義上也存在著挑戰(zhàn)，研究表明實(shí)際上某些特殊的LncRNAs具有以前未知的編碼小分子多肽(小于50個(gè)氨基酸)的生物學(xué)功能[19]。研究表明[20-21]，即使與核糖體結(jié)合，LncRNAs也可以表現(xiàn)出與那些典型的非編碼序列相似的核糖體占用的行為方式，表明依靠這種方法區(qū)分轉(zhuǎn)錄體是編碼還是ncRNAs還不充分[22]。因此，還需要進(jìn)一步研究來(lái)定義LncRNAs與核糖體的之間的聯(lián)系，并確定是否具有可以編碼蛋白質(zhì)的LncRNAs亞類存在。

對(duì)于LncRNAs功能的研究需要合適的體內(nèi)探究模型，以便對(duì)LncRNAs的進(jìn)化、功能以及發(fā)育和分化過(guò)程中的作用提供更好的理解。但是由于進(jìn)化保守性或多樣性的巨大變化，尋找適當(dāng)?shù)膭?dòng)物模型并非易事。對(duì)于LncRNAs表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制目前還尚難以解決，需要考慮轉(zhuǎn)錄調(diào)控及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。主要的問(wèn)題是如何理解多聚腺苷酸化LncRNAs的維持以及明確控制LncRNAs亞細(xì)胞定位和成熟的蛋白質(zhì)是如何相互作用的。

參考文獻(xiàn)

[1]Consortium EP,Birney E,Stamatoyannopoulos JA,etal.Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project[J].Nature，2007，447(7146):799-816.

[2]Batista PJ,Chang HY.Long noncoding RNAs:cellular address codes in development and disease[J].Cell，2013，152(6):1298-307.

[3]Guttman M,Rinn JL.Modular regulatory principles of large non-coding RNAs[J].Nature，2012，482(7385):339-346.

[4]Willingham AT,Orth AP,Batalov S,etal.A strategy for probing the function of noncoding RNAs finds a repressor of NFAT[J].Science，2005，309(5740):1570-1573.

[5]Mercer TR,Dinger ME,Mattick JS.Long non-coding RNAs:insights into functions[J].Nat Rev Genet，2009，10(3):155-159.

[6]Pang KC,Dinger ME,Mercer TR,etal.Genome-wide identification of long noncoding RNAs in CD8+ T cells[J].J Immunol，2009，182(12):7738-7748.

[7]Khachane AN,Harrison PM.Mining mammalian transcript data for functional long non-coding RNAs[J].PLoS One，2010，5(4):e10316.

[8]Liao Q,Liu C,Yuan X,etal.Large-scale prediction of long non-coding RNA functions in a coding-non-coding gene co-expression network[J].Nucleic Acids Res，2011，39(9):3864-3878.

[9]Rinn JL,Chang HY.Genome regulation by long noncoding RNAs[J].Annu Rev Biochem，2012，81:145-166.

[10]Wang KC,Chang HY.Molecular mechanisms of long noncoding RNAs[J].Mol Cell，2011，43(6):904-914.

[11]Bernard D,Prasanth KV,Tripathi V,etal.A long nuclear-retained non-coding RNA regulates synaptogenesis by modulating gene expression[J].EMBO J，2010，29(18):3082-3093.

[12]Zhang B,Arun G,Mao YS,etal.The lncRNA Malat1 is dispensable for mouse development but its transcription plays a cis-regula-tory role in the adult[J].Cell Rep，2012，2(1):111-123.

[13]Lipovich L,Tarca AL,Cai J,etal.Developmental changes in the transcriptome of human cerebral cortex tissue:long noncoding RNA transcripts[J].Cereb Cortex，2014，24(6):1451-1459.

[14]Lindblad-Toh K,Garber M,Zuk O,etal.A high-resolution map of human evolutionary constraint using 29 mammals[J].Nature，2011，478(7370):476-482.

[15]Dorus S,Vallender EJ,Evans PD,etal.Accelerated evolution of nervous system genes in the origin of Homo sapiens[J].Cell，2004，119(7):1027-1040.

[16]Feng J,Bi C,Clark BS,etal.The Evf-2 noncoding RNA is transcribed from the Dlx-5/6 ultraconserved region and functions as a Dlx-2 transcriptional coactivator[J].Genes Dev,2006,20(11):1470-1484.

[17]Le MT,Xie H,Zhou B,etal.MicroRNA-125b promotes neuronal differentiation in human cells by repressing multiple targets[J].Mol Cell Biol,2009,29(19):5290-5305.

[18]Hansen TB,Jensen TI,Clausen BH,etal.Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges[J].Nature,2013,495(7441):384-388.

[19]Memczak S,Jens M,Elefsinioti A,etal.Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency[J].Nature,2013,495(7441):333-338.

[20]Spizzo R,Almeida MI,Colombatti A,etal.Long non-coding RNAs and cancer:a new frontier of translational research?[J].Oncogene,2012,31(43):4577-4587.

[21]Ingolia NT,Brar GA,Rouskin S,etal.The ribosome profiling strategy for monitoring translation in vivo by deep sequencing of ribosome-protected mRNA fragments[J].Nat Protoc,2012,7(8):1534-1550.

[22]Guttman M,Russell P,Ingolia NT,etal.Ribosome profiling provides evidence that large noncoding RNAs do not encode pro-teins[J].Cell,2013,154(1):240-251.

The Role of Long Non-coding RNA in the Nervous System DevelopmentYUEWen-jun，SONGCheng. (DepartmentofBurnandPlasticSurgery,ZaozhuangMiningGroupCenterHospital,Zaozhuang277000,China)

Abstract:Characteristics of genome of multicellular organisms is widely expressed various types of non-coding RNAs(ncRNAs).Long non-coding RNA(LncRNAs),as a new type of ncRNAs,contains thousands of different species.It plays a critical role in differentiation and development，and the number of LncRNAs discovered in the genome of complex organisms is keep increasing,which suggests the importance of its regulation in multicellular organisms during evolution.Researches have shown LncRNAs plays an important role in many processes,for example in the dosage compensation,gene imprinting,cell differentiation and organ formation,particularly in the development of the mammal.

Key words:Long non-coding RNA; Classification; Neural system; Development

收稿日期：2014-10-13修回日期：2015-03-13編輯：伊姍

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.007

中圖分類號(hào)：R741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)17-3090-03