lncRNAs調(diào)控表觀遺傳的研究進展＊

郭 楊，馮帥帥，王 昕

（西北農(nóng)林科技大學動物科技學院，陜西楊凌712100）

表觀遺傳學是20世紀80年代逐漸興起的一門學科，是研究在DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生可遺傳的改變并最終導致表型變化的現(xiàn)象和本質(zhì)。2014年國際遺傳學大學（ISAG）的主題是“遺傳學走向基因組學和表觀遺傳學”（Genetics goes to genomics and epigenetics），可見表觀遺傳學的作用越來越受到重視。表觀遺傳學主要研究“表觀遺傳現(xiàn)象”建立和維持的機制，大致內(nèi)容包括：一方面為基因選擇性轉(zhuǎn)錄調(diào)控，主要有DNA甲基化、基因印記、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等［1］。另一方面是基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，包括基因組中的非編碼RNA、微小RNA、反義RNA、內(nèi)含子及核糖開關等［2］。

長鏈非編碼RNAs（lncRNAs）是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過200nt的RNA分子，它們并不編碼蛋白［3－5］，通過允許蛋白復合物、基因和染色體等結(jié)合在適當?shù)奈恢眉せ罨蛞种破浠钚裕?］，從而以RNA的形式在表觀遺傳調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等多種層面上調(diào)控基因的表達水平［3，7］。

1 lncRNAs調(diào)控表觀遺傳的機制

科學家已經(jīng)對基因組中的表觀遺傳學修飾進行了廣泛的研究，不過對表觀遺傳學修飾如何指向靶位點仍然未知。由于細胞和生物面臨的壓力不同，表觀遺傳學修飾的位點也不同，顯然有某種物質(zhì)負責指引表觀遺傳學修飾。有研究提出，這一物質(zhì)就是lncRNAs，它介導了表觀遺傳學修飾及其跨代遺傳的現(xiàn)象。lncRNAs的功能多種多樣，目前已知的lncRNAs最重要的功能是參與編碼基因表達調(diào)控的表觀遺傳學機制［8－9］。lncRNAs通過募集組蛋白修飾酶和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3a等對基因組相關位點進行修飾，通過染色質(zhì)重塑參與表觀調(diào)控的過程，最終調(diào)控基因的表達（圖1）。此外，lncRNAs還可以直接修飾附近的組蛋白，對組蛋白尾部進行甲基化；有些lncRNAs在正常轉(zhuǎn)錄過程中與蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄本相結(jié)合，相關染色質(zhì)重塑蛋白隨即對該位點上的染色質(zhì)和DNA進行修飾，從而抑制基因表達。

2 lncRNAs介導的表觀調(diào)控研究

近年來的研究表明，lncRNAs參與了基因組印記、X染色體沉默、染色質(zhì)修飾、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾以及核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要的調(diào)控過程，因此lncRNAs的調(diào)控作用也引起了人們的廣泛關注。lncR NAs可以被聚腺苷酸化或非聚腺苷酸化積累在細胞核和細胞質(zhì)中［10－11］，也可以被RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄和5＇加帽而發(fā)揮作用［12］。lncRNAs被分為基因間的lncRNAs（lincRNA），增強RNAs（eRNAs），內(nèi)含子lncRNAs和反義lncRNAs［13］。

圖1 lncRNAs通過激活或抑制染色質(zhì)修飾復合物結(jié)合特異基因組位點［8］Fig.1 lncRNAs as guides for activation or repressing chromatin modifier complexes towards specific genomic loci

染色質(zhì)在細胞間期負責DNA包裝、基因表達和DNA復制等。染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化被認為是表觀遺傳的控制機制［14－16］，組蛋白在乙?；⒓谆?、類泛素化和泛素化進程中進行化學修飾，最終導致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變異［17］。lncRNAs在癌癥的發(fā)展過程中具有重要作用［20］。一些與癌癥相關的lncRNAs可與DNA、RNA、蛋白分子或它們的結(jié)合體相互作用，在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)等機制中起到重要的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs幾乎參與了生命發(fā)育周期每一階段中相關基因的調(diào)控，一旦表達異常就可能導致體內(nèi)生物學功能的紊亂，進而引發(fā)疾病甚至癌癥。有研究人員發(fā)現(xiàn)，lncRNA－LET（lncRNA Low Expression in Tumor）在肝癌、結(jié)腸癌、直腸癌、肺鱗狀細胞癌等多種癌組織中普遍下調(diào)，表明lncRNA－LET在多種癌癥的致癌過程中有著相同的調(diào)控機制［19］。lncRNAs在癌癥的診斷與治療中起作用，有報道指出，許多尿路上皮腫瘤細胞癌中的lncRNA表達狀況都不同［20］。因此lncRNAs可以作為預測這些癌癥的生物學標志。哺乳動物基因組中4%～9%的序列產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是lncRNAs（相應的蛋白編碼RNA的比例是1%）［21－22］。lncRNAs幾乎參與每一個表觀遺傳調(diào)控事件，表觀遺傳標記的錯誤調(diào)節(jié)可能會引起不適當?shù)募せ罨蛞种聘鞣N基因，并可能導致癌癥［23］。

2.1 lncRNAs調(diào)節(jié)DNA甲基化

DNA甲基化是表觀遺傳的一種主要修飾形式，是一個動態(tài)和可逆的過程，一般發(fā)生胞嘧啶－磷酸－鳥嘌呤（CpG）甲基化。DNA甲基化可通過抑制甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1或者激活酶促反應，導致甲基化消失，以此來應對發(fā)育和環(huán)境信號［24］?；騿幼訁^(qū)CpG島的甲基化主要受多種酶和復合物的調(diào)控，如染色體修飾復合物PRC1和PRC2［25－26］。lncRNAs通過募集染色質(zhì)重塑復合物并結(jié)合在特異的基因組位點，通過抑制基因的表達而介導表觀遺傳調(diào)控。研究表明，Xist（X chromosome inactive specific transcript）lncRNAs可以通過募集染色體修飾復合物PRC2至特異性的基因位點，導致染色體上的CpG島啟動甲基化，從而抑制X染色體的基因表達而介導X染色體失活［27］，X染色體失活會導致神經(jīng)系統(tǒng)疾病和精神疾病在不同性別間存在明顯的差異［28］。越來越多的證據(jù)表明，環(huán)境能夠通過表觀遺傳學機制對基因組做出永久性的改變，而這些改變可以在世代間遺傳下去。例如，轉(zhuǎn)錄抑制基因FLC具有阻止擬南芥某些花期基因轉(zhuǎn)換的作用。lncRNAs通過多種途徑調(diào)控FLC，當冬天長時間暴露在寒冷環(huán)境中導致FLC有義轉(zhuǎn)錄本COLDAIR的表達。COLDAIR通過募集PRC2復合物作用在染色質(zhì)的特定位點，從而實現(xiàn)對FLC基因的表觀調(diào)控。FLC也受反義lncRNACOOLAIR的轉(zhuǎn)錄干擾調(diào)控，并且這些反義RNAs受低溫的上調(diào)控制；反之，溫暖的條件下，COOLAIR選擇性的對FLC的5＇端進行多聚腺苷化，從而干擾FLC基因的表達［29－30］。在一些黑色素瘤形成的過程中，在miR－375的下游區(qū)域CpG島的變化會導致DNA甲基化異常［31－32］。在人類癌細胞中，反義lncRNA TARID通過對TCF21基因啟動子區(qū)的甲基化，從而降低TCF21基因的表達水平［33］。另外，如人類反義lncRNA HOTAIR由HOXC位點轉(zhuǎn)錄而來，通過募集PRC2在HOXD位點反義調(diào)控表觀遺傳的變化［30］。最新的研究表明：源于甲基化敏感基因CEBPA位點的lncRNA（命名為ecCEBPA）和DNA甲基化酶1（DNMT1）相互作用，阻止CEBPA位點上的甲基化，從而促進CEBPA基因的表達［33］。組蛋白修飾和DNA甲基化是調(diào)節(jié)基因表達的重要的表觀遺傳學機制［34］。DNA甲基化和組蛋白修飾導致lncRNAs在癌癥中的表達異常。白血病人13q14.3的lncRNAs的上調(diào)與cis的下調(diào)都可作為NF－kB的目標基因簇［35］。在這個位點，正常的黑色素細胞、角質(zhì)細胞和細胞系都是由一個黑色素瘤最低的甲基化衍生的［36－37］。人類基因組中近80%的甲基化位點發(fā)生在CpG序列中的C堿基上，在lncRNAs的指引下，表觀遺傳學修飾對基因組做出永久可遺傳的改變。

圖2 lncRNAs的靶向調(diào)控機制［3］Fig.2 Targeting mechanism of lncRNAs

2.2 lncRNAs調(diào)節(jié)組蛋白修飾

組蛋白修飾是指經(jīng)共價修飾發(fā)生乙?；?、甲基化和磷酸化等現(xiàn)象，是表觀遺傳研究的一個重要內(nèi)容。lncRNAs可通過使組蛋白發(fā)生不同類型的修飾而影響其轉(zhuǎn)錄區(qū)下游基因的表達，常見的是啟動子區(qū)域H3K4me3、H3K9me2及H3K27me3等的修飾，這些組蛋白修飾會改變?nèi)旧|(zhì)活性，促進或抑制轉(zhuǎn)錄，從而控制基因的表達［38］。lncRNA HOTAIR通常與組蛋白H3K27的甲基化酶復合體PRC2結(jié)合，當HOTAIR上調(diào)時，出現(xiàn)H3K27me3組蛋白修飾，從而改變了染色質(zhì)的狀態(tài)，促進癌癥轉(zhuǎn)移。在細胞發(fā)生損傷時，損傷信號會刺激細胞周期蛋白D1（CCND1）基因5＇端啟動子區(qū)的調(diào)控序列轉(zhuǎn)錄出一種低拷貝的lncRNAs。該lncRNAs通過募集RNA結(jié)合蛋白TLS到CCND1基因的啟動子區(qū)，使TLS蛋白變?yōu)榛钚詷?gòu)象后與組蛋白乙?；窩BP／P300結(jié)合并抑制酶的活性，進而下調(diào)CCND1基因的表達而阻礙細胞由G1期到S期的復制過程［39］。

2.3 lncRNAs參與基因組印跡

基因組印跡（Genomic imprinting）是指來自父母雙方的等位基因在遺傳給子代時由于發(fā)生DNA甲基化、組蛋白甲基化和乙?；刃揎椥纬傻模瑤в杏≯E修飾的子代等位基因呈現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)錄活性，最終導致其中一方在功能表達上保持沉默。X染色體失活是基因組印跡的一個典型例子［40］。印跡基因通常以基因簇的形式存在，形成印跡區(qū)（imprinted region）。印跡區(qū)基因的轉(zhuǎn)錄活性受差異性甲基化區(qū)域（differentially methylated regions，DMRs）的調(diào)控。1個DMR內(nèi)至少存在1個非編碼RNA基因，其中l(wèi)ncRNAs基因出現(xiàn)的頻率高，提示lncRNAs基因的轉(zhuǎn)錄受基因組印跡調(diào)控。如印跡區(qū)lncRNA H19是miRNA－675的前體，與胰島素樣生長因子2（IGF2）反義。H19lncRNA通過miRNA－675反式調(diào)控骨骼肌的分化和再生［41］。在人結(jié)腸癌中，H19轉(zhuǎn)錄基因印跡丟失后導致miRNA－675的上調(diào)，而在結(jié)、直腸腫瘤中，miRNA－675下調(diào)腫瘤抑制因子RB1的表達，因此H19的上調(diào)表明其具有促癌作用。但在小鼠畸胎瘤模型中，缺乏H19的畸胎瘤小鼠出現(xiàn)胚胎快速生長的現(xiàn)象，表明H19又具有抑癌作用，由此推斷H19存在雙向調(diào)節(jié)的功能［42］。

2.4 lncRNAs調(diào)控劑量補償效應

劑量補償效應（dosage compensation effect）是在哺乳動物中普遍存在的一種現(xiàn)象，指調(diào)控性連鎖的基因在XX和XY兩種性別里以相對相等的劑量進行有效表達的遺傳學機制。具體表現(xiàn)為雌性個體中1條X染色體隨機失活后，其上的等位基因完全沉默。該過程由X染色體上的失活中心（X－inactivation center，Xic）控制，Xic缺失將終止X染色體失活現(xiàn)象。Xic功能的啟動由lncRNAs基因Xist調(diào)控，其調(diào)控機制是Xist通過招募并結(jié)合PRC2和H3K27me3而介導X染色體上的基因沉默。Xist由失活的X染色體轉(zhuǎn)錄后并附于該X染色體，Xist具有招募DNA甲基化酶和組蛋白去乙酰化酶等作用，通過H3K27me3和H3K9me2的甲基化對染色質(zhì)進行修飾，使之固縮為異染色質(zhì)，從而導致基因沉默。Xist的反義轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物Tsix對其具有負調(diào)控作用，能夠阻止染色體失活［27，43］。

3 展 望

對lncRNAs的認識從最初的“轉(zhuǎn)錄噪音”到現(xiàn)在具有重要的調(diào)控作用，包括基因組印跡、X染色體失活、染色質(zhì)修飾及蛋白編碼基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控和翻譯調(diào)控等細胞水平的調(diào)控作用。目前對lncRNAs調(diào)控機制的研究仍顯不足，有關lncRNAs與蛋白質(zhì)、DNA和miRNA等分子間的相互作用有待于深入研究，并逐步揭示lncRNAs在細胞分化和個體發(fā)育中的作用［44－46］。并且lncRNAs作為疾病治療的分子標記和作用靶點，為腫瘤等疾病的預防和治療及闡述性狀的調(diào)控機制提供了新的研究手段。

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