lncRNA 參與農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)調(diào)控的研究進(jìn)展

雷宇航，黃志洋，譚 婭,2，甘麥鄰，沈林園，朱 礪*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，四川成都 611130；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，貴州貴陽 550005）

長鏈非編碼RNA（Long noncoding RNA，lncRNA）是一類由RNA 聚合酶II 催化轉(zhuǎn)錄而來，通常在5'和3'端分別具有M7G 帽子和poly A 尾結(jié)構(gòu)，剪切方式類似于mRNA，但不具備編碼蛋白能力的RNA。哺乳動物中盡管有80% 的基因被轉(zhuǎn)錄，但只有2% 的轉(zhuǎn)錄本具有編碼蛋白的能力，其余均被轉(zhuǎn)錄為非編碼RNA，其中l(wèi)ncRNA 約占70%，這一結(jié)果預(yù)示lncRNA 在機(jī)體內(nèi)可能起著重要的調(diào)控作用。近年來，有關(guān)lncRNA研究日益增多，部分lncRNA 被證實在遺傳印記、基因組重排、染色質(zhì)修飾、轉(zhuǎn)錄、剪接、mRNA 衰退和翻譯中起主要調(diào)控作用。lncRNA在與產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的一些關(guān)鍵步驟中發(fā)揮重要作用，包括卵細(xì)胞的形成、妊娠的建立以及早期胚胎的發(fā)育等?，F(xiàn)階段對于lncRNA 在農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)方面的研究大多只是基于高通量測序的鑒定，而對lncRNA 功能及機(jī)制探究相對較少。本文就lncRNA 作用機(jī)制進(jìn)行簡單歸納，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合lncRNA 在農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)方面的最新研究進(jìn)展，對lncRNA 參與調(diào)控產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)的關(guān)鍵步驟進(jìn)行總結(jié)，以期為深入探究與產(chǎn)仔數(shù)性狀相關(guān)的lncRNA 遺傳調(diào)控機(jī)制及生物學(xué)功能提供參考。

1 lncRNA 調(diào)控作用機(jī)制

lncRNA 因其具有特定的二級空間結(jié)構(gòu)，可以提供多個結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而通過不同的作用方式在生物體內(nèi)構(gòu)成了復(fù)雜且精準(zhǔn)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。lncRNA 能夠扮演不同的角色，如誘餌分子、信號分子、引導(dǎo)分子、支架分子來對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控（圖1）。例如，X 染色體失活特異轉(zhuǎn)錄物（X Inactive Specific Transcript，XIST）可以作為引導(dǎo)分子，參與雌性哺乳動物X 染色體失活(X Chromosome Inactivation，XCI)過程，即通過與RNA 結(jié)合蛋白Sharp和SMRT6 形成RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，依賴募集多梳抑制復(fù)合物2（PCR2）靶向定位到失活中心，從而導(dǎo)致組蛋白第27個賴氨酸發(fā)生三甲基化（H3K27)，沉默X 染色體相關(guān)基因表達(dá)，最終使X 染色體失活。當(dāng)然，lncRNA行使功能作用并不僅僅是依賴于某一特定的信號通路，而是幾種作用機(jī)制交叉進(jìn)行，即lncRNA 不僅可以作為信號分子進(jìn)行順式調(diào)控，也可以作為調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端基因的引導(dǎo)分子，還可以作為其他復(fù)合物聚集的支架分子。

圖1 lncRNA 的作用機(jī)制[6]

2 lncRNA 參與調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)

在哺乳動物中，lncRNA 自配子（即精細(xì)胞或卵細(xì)胞）形成再到受精卵以及受精卵發(fā)育成為個體的整個過程都直接或間接影響產(chǎn)仔數(shù)。近年來，越來越多的lncRNA 被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)，在卵細(xì)胞的形成、妊娠的建立以及早期胚胎的發(fā)育等關(guān)鍵步驟扮演著重要角色（圖2）。

圖2 不同lncRNAs 在與產(chǎn)仔數(shù)相關(guān)關(guān)鍵步驟中的表達(dá)調(diào)控(自繪)

2.1 卵原細(xì)胞減數(shù)分裂及卵細(xì)胞的成熟 在一次發(fā)情周期中，母畜排出的成熟卵子數(shù)目很大程度決定著胚胎數(shù)目。卵細(xì)胞的成熟及其排出的數(shù)目由相關(guān)基因的表達(dá)、激素水平以及受體形成等多種因素調(diào)控。lncRNA 在卵細(xì)胞分裂及成熟的過程中發(fā)揮重要作用（表1）。

表1 卵子的成熟過程中l(wèi)ncRNA 的調(diào)控作用

2.2 妊娠的建立 妊娠是胚胎和胎兒在母體內(nèi)生長發(fā)育的過程，妊娠的建立是影響產(chǎn)仔數(shù)的一個重要因素，胚胎與母體建立聯(lián)系的成功與否關(guān)系到胚胎的成長發(fā)育。在妊娠建立階段，lncRNA 通過影響相關(guān)激素的生成及蛋白質(zhì)的表達(dá)等來調(diào)控胚胎的附植以及妊娠的維持。梅山豬作為太湖豬的品系之一，其繁殖性狀受多種因素的影響。有研究者發(fā)現(xiàn)在梅山豬胎盤皺褶發(fā)育過程中，有141 個lncRNA 參與到細(xì)胞黏附附、細(xì)胞骨架組織、上皮細(xì)胞分化和血管生成的途徑中，雖然尚未指明這些lncRNA 所作用的方式，但H3K4me3 和/或H3K27ac水平的變化與其中37 個差異表達(dá)lncRNA 的表達(dá)水平的變化顯著相關(guān)說明了lncRNA 與妊娠建立的顯著關(guān)系。同時Su 等也發(fā)現(xiàn)lncRNA在梅山豬子宮內(nèi)膜中與孕酮和醛酮還原酶家族1 成員C1 (AKR1C1) 相互作用，表明lncRNA 參與對妊娠的維持與控制。對大白豬等外種豬，科學(xué)家們同樣也進(jìn)行l(wèi)ncRNA 對母豬妊娠功能影響的探索。Zhang 等通過對差異表達(dá)的基因與lncRNA 圖譜的整合分析表明，參與豬子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞凋亡信號通路的基因受lncRNA和的調(diào)控。除了對豬的研究外，科學(xué)家們對多胎綿羊品種湖羊也進(jìn)行了lncRNA 功能分析和差異表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)成百上千個差異表達(dá)的lncRNA，它們的靶點(diǎn)豐富在雌激素信號通路、催產(chǎn)素信號通路和Wnt 信號通路等與子宮內(nèi)膜功能相關(guān)的信號通路中，其中可通過miR1576 上調(diào)WNT6 的表達(dá)，激活Wnt/-catenin通路，從而促進(jìn)子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的增殖、遷移和生長因子的表達(dá)。EGFR 是上皮生長因子細(xì)胞增殖和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體。EGFR 通路調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、增殖、分化、黏附附以及遷移等活動。Liu 等通過qRT-PCR以及Western blot 等技術(shù)發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖并通過EGFR 途徑抑制早期流產(chǎn)和促進(jìn)胚胎著床。通過對同一品種但繁殖力具有差異性的黑山羊卵巢等器官進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)其中具有較多的差異表達(dá)的lncRNA，這說明同一品種繁殖力的差異可能與lncRNA 的表達(dá)有關(guān)，這些lncRNA 常常與生殖激素的釋放或者調(diào)控其信號通路密切相關(guān)。李耀坤等利用RNA-Seq 測序技術(shù)以及對相關(guān)lncRNA 靶基因進(jìn)行生物信息學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)和等差異表達(dá)的lncRNA 靶向調(diào)控的等基因富集于Jak-STAT、細(xì)胞黏附分子及AMPK 等信號通路的基因，從而對川中黑山羊產(chǎn)羔數(shù)造成影響。

2.3 lncRNA 對胚胎發(fā)育以及成活率的影響 早期的胚胎發(fā)育即從受精卵起到胚胎出離卵膜的一段過程。雖然動物之間形態(tài)差異巨大，但是胚胎發(fā)育過程十分相似，分為受精、卵裂、桑葚胚、囊胚、原腸胚與器官形成等幾個主要階段。據(jù)國外資料顯示，10%～15% 的胚胎死于胚胎發(fā)育過程中，胚胎的發(fā)育及成活率對產(chǎn)仔數(shù)有極大影響，lncRNA 它影響胚胎的形態(tài)、胚胎的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、滋養(yǎng)層細(xì)胞的分化以及胚胎性別分化等，在胚胎發(fā)育過程中起重要作用。有實驗結(jié)果顯示通過敲除斑馬魚胚胎的基因，其發(fā)育過程中體彎變小，眼睛變小，心包增大，色素沉著減少，還發(fā)現(xiàn)可能在胚胎神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中起關(guān)鍵作用。Kuang 等通過對兔胚胎不同發(fā)育階段進(jìn)行全轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)的和主要參與了胚胎發(fā)育過程中Wnt、PI3KAkt 和鈣信號通路。Roeszler 等發(fā)現(xiàn)在雞的雄性中錯誤表達(dá)會損害睪丸基因的性腺表達(dá)，上調(diào)會導(dǎo)致雄性偏向胚胎死亡率增加。

3 總結(jié)與展望

農(nóng)業(yè)動物產(chǎn)仔數(shù)更多意味著具備創(chuàng)造更高經(jīng)濟(jì)效益的能力，提高畜禽等農(nóng)業(yè)動物的繁殖性狀是科學(xué)家們不斷探索的課題。在農(nóng)業(yè)動物繁殖領(lǐng)域的研究中，對于lncRNA 的研究大多停留在繁殖性狀表型差異，鑒定出差異表達(dá)的lncRNAs，從而得出造成這種差異性狀可能與lncRNA 有關(guān)，但針對造成產(chǎn)仔數(shù)性狀表型差異的具體lncRNA 的研究較少，同時對于lncRNA 介導(dǎo)這些差異性狀中的作用機(jī)制的研究更是寥寥無幾。

隨著分子生物學(xué)發(fā)展的不斷深入以及科學(xué)技術(shù)手段的不斷更新，對于lncRNA 的研究將深入到對影響各個繁殖性狀的作用機(jī)制中。未來lncRNA 研究的發(fā)展方向可能會朝向以下4 個方面：①單一lncRNA 在某一繁殖過程中起到的作用以及其作用機(jī)制更加廣泛的研究；②對于研究lncRNA 的技術(shù)方法將更加多樣化，現(xiàn)已較為成熟研究方法如RNA 結(jié)合蛋白免疫沉淀（RIP）、RNA 下拉實驗（RNA pull down）及RNA 干擾（RNAi）等，將會更多應(yīng)用到探究lncRNA 的功能中；③通過對lncRNA 的研究改善農(nóng)業(yè)動物繁殖性狀，如增加每胎子代數(shù)、增強(qiáng)母畜泌乳力、增強(qiáng)公畜繁殖力等，提高農(nóng)業(yè)動物的經(jīng)濟(jì)效益；④lncRNA 的研究從農(nóng)業(yè)動物繁殖延展人類生育過程，為人類生殖類疾病的治療提供新思路。