長(zhǎng)鏈非編碼RNA及其生物學(xué)功能概述

李法君

(山東省濰坊科技學(xué)院 262700)

真核生物基因組由數(shù)量眾多的DNA序列組成，DNA轉(zhuǎn)錄成RNA并翻譯成蛋白質(zhì)，以此進(jìn)行生物信息的傳遞。研究表明，人類基因組中僅有1.5%的DNA序列用于蛋白質(zhì)的編碼。然而，有趣的是研究人員發(fā)現(xiàn)至少有90%的基因組DNA被轉(zhuǎn)錄成RNA。進(jìn)一步的研究確認(rèn)，這些序列被轉(zhuǎn)錄成非編碼RNA(non-coding RNA, ncRNA)，其中tRNA和rRNA已為人熟知，其余的ncRNA則被視為轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的“暗物質(zhì)”未被重視。依據(jù)片段大小，ncRNA又分為短鏈非編碼RNA和長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)。人們最初認(rèn)為lncRNA是轉(zhuǎn)錄過(guò)程中產(chǎn)生的“噪音”[1]，是基因組在進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的“垃圾序列”。但是近來(lái)的研究證實(shí)，lncRNA參與了染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾和RNA代謝等多個(gè)重要的生物學(xué)過(guò)程，已成為基因組功能研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

1 lncRNA的序列特征、分類及來(lái)源

lncRNA最早于2002年發(fā)現(xiàn)于小鼠的全長(zhǎng)cDNA文庫(kù)中[2]，其后科研人員將轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度超過(guò) 200 個(gè)核苷酸的非編碼 RNA命名為lncRNA[3]。目前發(fā)現(xiàn)的多數(shù)lncRNA由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄生成，雖然lncRNA缺乏開放閱讀框，沒(méi)有編碼蛋白質(zhì)的能力，但部分lncRNA具有與mRNA相似的序列特征：5′端帽子、 3′端多聚腺苷酸尾、外顯子、內(nèi)含子和剪接位點(diǎn)等序列特征[4]。

根據(jù) lncRNA 編碼序列與蛋白質(zhì)編碼基因的相對(duì)位置，可將lncRNA分為5類[5]：①正義lncRNA 轉(zhuǎn)錄于編碼蛋白質(zhì)基因的正義鏈；②反義lncRNA 轉(zhuǎn)錄于編碼蛋白質(zhì)基因的反義鏈；③雙向lncRNA 轉(zhuǎn)錄于編碼蛋白質(zhì)基因的兩條反向互補(bǔ)鏈；④內(nèi)含子lncRNA 轉(zhuǎn)錄于編碼蛋白質(zhì)基因的內(nèi)含子序列；⑤基因間lncRNA 轉(zhuǎn)錄于兩條編碼蛋白質(zhì)基因的間隔區(qū)域。

現(xiàn)有的研究表明，lncRNA主要有5種來(lái)源[6]：①編碼蛋白質(zhì)的基因由于某種原因發(fā)生斷裂而產(chǎn)生lncRNA；②染色質(zhì)重組的結(jié)果，即兩個(gè)未被轉(zhuǎn)錄的基因與另一獨(dú)立基因重組而產(chǎn)生具有多個(gè)外顯子的lncRNA；③非編碼蛋白質(zhì)基因復(fù)制過(guò)程中發(fā)生反移位而產(chǎn)生lncRNA；④由鄰近的復(fù)制子串聯(lián)而產(chǎn)生lncRNA；⑤基因中插入一個(gè)全新的轉(zhuǎn)座因子而產(chǎn)生有功能的lncRNA。

2 lncRNA的生物學(xué)功能及作用機(jī)制

2.1 生物學(xué)功能 研究表明，lncRNA以順式或反式作用的方式與核酸分子(DNA或RNA)和蛋白分子相互作用，參與細(xì)胞內(nèi)的多種生物學(xué)過(guò)程。具體而言，lncRNA通過(guò)染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾和RNA代謝等多種生化途徑在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平對(duì)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。

2.1.1 表觀遺傳水平的調(diào)控 表觀遺傳學(xué)是指在不改變生物體DNA序列的前提下，通過(guò)對(duì)基因的修飾(如甲基化)來(lái)調(diào)控基因的表達(dá)。這些修飾包括染色體重塑、基因組印記和X染色體失活等。lncRNA一方面可以直接與染色質(zhì)結(jié)合并與其相互作用，從而沉默或激活目標(biāo)基因；另一方面也可以通過(guò)修飾組蛋白來(lái)沉默目標(biāo)基因，同時(shí)還可以募集染色質(zhì)修飾抑制因子來(lái)參與等位基因的特異性沉默[7]。動(dòng)物體肝臟中的輔酶II依賴性視黃醇脫氫/還原酶(DHRS4)基因可以編碼重要的代謝酶，DHRS4基因的反義轉(zhuǎn)錄lncRNA(AS1DHRS4)可以募集DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMT3a)，使DHRS4基因的第二個(gè)拷貝(DHRS4L2)基因啟動(dòng)子序列中的 CpG 島甲基化，令DHRS4L2基因的轉(zhuǎn)錄失活[8]。研究表明，失活X染色體特定轉(zhuǎn)錄(Xist)基因和Xist的反義序列(Tsix)在X染色體失活過(guò)程中發(fā)揮重要作用，被活化的X染色體生成Tsix，它可以募集DNMT3a到Xist基因的啟動(dòng)子區(qū)域，并使其發(fā)生甲基化，從而使染色體完成活化[9]。

2.1.2 轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 RNA的轉(zhuǎn)錄是一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)而復(fù)雜的過(guò)程，具有嚴(yán)格的時(shí)序性和空間特異性，受多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。lncRNA也在其中發(fā)揮重要的作用?，F(xiàn)在公認(rèn)的觀點(diǎn)為，lncRNA的轉(zhuǎn)錄可以干擾相關(guān)基因的表達(dá)。原因在于，lncRNA可以與跟啟動(dòng)子相結(jié)合的抑制性復(fù)合物結(jié)合，“占領(lǐng)”啟動(dòng)子區(qū)域，使得RNA聚合酶II無(wú)法正常與啟動(dòng)子序列結(jié)合，從而干擾基因表達(dá)。例如，人類二氫葉酸還原酶(DHFR)基因的上游次級(jí)啟動(dòng)子可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生lncRNA，該 lncRNA可以與DHFR 基因的主要啟動(dòng)子結(jié)合形成 RNA-DNA 復(fù)合物，進(jìn)而使轉(zhuǎn)錄輔助因子TFIID無(wú)法與啟動(dòng)子結(jié)合，從而阻斷DHFR基因的表達(dá)[10]。此外，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控的還體現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄干擾方面[11]。

2.1.3 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控 轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控主要是通過(guò)lncRNA與靶mRNA序列的互補(bǔ)配對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體而言，lncRNA可以與靶mRNA形成RNA-RNA二聚體，掩蔽mRNA序列中的相關(guān)順式作用元件，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平的剪切、拼接、翻譯等過(guò)程。如人急性粒細(xì)胞白血病細(xì)胞HL-60細(xì)胞系中PU.1的mRNA水平很高，但是蛋白質(zhì)水平卻不高。主要是由于PU.1轉(zhuǎn)錄的反義lncRNA(ASRNA)與其mRNA序列結(jié)合導(dǎo)致翻譯受到抑制所致[12]。

2.2 作用機(jī)制 lncRNA在生物體內(nèi)的作用機(jī)制非常復(fù)雜，具體的作用機(jī)制至今尚不完全清晰。已經(jīng)確認(rèn)的lncRNA作用機(jī)制主要有8種[6]：①在編碼蛋白質(zhì)基因上游啟動(dòng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄，從而影響下游基因的表達(dá)；②通過(guò)抑制RNA聚合酶II的活性或參與染色質(zhì)重組和組蛋白修飾，影響下游基因的表達(dá)；③與編碼蛋白質(zhì)的mRNA形成雙鏈雜交體，干預(yù)mRNA的剪切，從而形成不同的剪切體；④與編碼蛋白質(zhì)的mRNA形成雙鏈雜交體，通過(guò)Dicer酶剪切產(chǎn)生內(nèi)源性的小干擾RNA(small interfering RNA, siRNA)；⑤與特定蛋白質(zhì)結(jié)合，調(diào)節(jié)相應(yīng)蛋白的活性；⑥作為結(jié)構(gòu)組分，與蛋白質(zhì)形成核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體；⑦與目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)合，改變其細(xì)胞定位；⑧作為某些小分子RNA的前體分子。

3 lncRNA與癌癥

現(xiàn)在最新的觀點(diǎn)認(rèn)為，癌癥所涉及的特征包括：不可控的生長(zhǎng)信號(hào)、抵抗細(xì)胞死亡、細(xì)胞無(wú)限生長(zhǎng)、逃避生長(zhǎng)抑制、激活侵染與轉(zhuǎn)移及免疫逃避等[13]。上述過(guò)程包括了最基本的幾個(gè)生物學(xué)過(guò)程：細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡與壞死、免疫反應(yīng)及腫瘤代謝等。無(wú)一例外，lncRNA均參與了上述過(guò)程。因此，與癌癥相關(guān)的lncRNA研究也成為進(jìn)展最快、獲得成果最多的新興領(lǐng)域。

業(yè)已證明與癌癥相關(guān)的lncRNA包括：基因組印記基因H19、 HOX 基因的反義基因間的RNA(HOTAIR)、母系表達(dá)基因3(MEG3)、肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(MALAT1)以及細(xì)胞周期激酶抑制因子4b(INK4b) 位點(diǎn)的反義非編碼RNA(ANRIL)等。

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，如果細(xì)胞中具有非常顯著的癌癥類型特異性的lncRNA出現(xiàn)異常過(guò)表達(dá)就會(huì)促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)展，導(dǎo)致癌癥發(fā)生。例如，最新的前列腺癌研究發(fā)現(xiàn)，兩種lncRNAs在許多侵襲性前列腺癌中高水平表達(dá)，增強(qiáng)了雄激素受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄程序，促進(jìn)了癌細(xì)胞生長(zhǎng)[14]。但是，lncRNA在癌癥發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的具體作用機(jī)制尚需進(jìn)一步探索。

4 展望

lncRNA的出現(xiàn)給“中心法則”帶來(lái)了極大的補(bǔ)充，使人們重新認(rèn)識(shí)了RNA?，F(xiàn)階段人們對(duì)lncRNA的認(rèn)識(shí)還只是冰山一角，但是其功能涉及范圍之廣已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們最初的設(shè)想，尚有許多問(wèn)題亟待解決：

①最基本的lncRNA分類。目前針對(duì)lncRNA的定義也僅僅是根據(jù)其核酸序列的長(zhǎng)度，但是這種分類明顯具有程序化。隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，必將會(huì)有多個(gè)物種的lncRNA被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。如何準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)量龐大的lncRNA進(jìn)行分類，從而更好地研究其功能，顯得越來(lái)越重要。②lncRNA的數(shù)量尚未明了。以人類為例，人類的基因組中有多少lncRNA？其序列又是怎樣的？這些問(wèn)題的解決是深入研究lncRNA的基礎(chǔ)。③研究lncRNA最重要的是闡明其功能。因此，揭示lncRNA與其它生物分子(如DNA、RNA、microRNA和蛋白質(zhì))相互作用機(jī)制就成為研究lncRNA生物學(xué)功能的關(guān)鍵所在。癌癥至今仍被視為“不可治愈”的頑疾，多年來(lái)人們雖然苦苦探索，但迄今還沒(méi)有從根本上找到有效的治療方法，癌癥的發(fā)病機(jī)理尚不明確是造成這種狀況的主要因素。因此，從新的視角探索癌癥的分子機(jī)制勢(shì)在必行。lncRNA的發(fā)現(xiàn)為我們帶來(lái)了新的希望，可以極大推進(jìn)癌癥的發(fā)病機(jī)理研究，進(jìn)而為以lncRNA為靶點(diǎn)進(jìn)行新的抗腫瘤藥物的開發(fā)提供理論依據(jù)。

(基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金，No. 31572617)