LncRNA參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控作用機制研究進展

楊旭，訾晶晶，郭宏，丁向彬，劉新峰，張林林

LncRNA參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控作用機制研究進展

楊旭，訾晶晶，郭宏，丁向彬，劉新峰通信作者，張林林通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院 動物科學(xué)與動物醫(yī)學(xué)學(xué)院 天津市農(nóng)業(yè)動物繁育與健康養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300392）

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是廣泛存在于動植物細胞中的一類長度大于200 nt的非編碼RNA，lncRNA能夠與DNA、RNA或蛋白質(zhì)相互作用調(diào)控生物體的各項生理過程。近年來，國內(nèi)外大動物遺傳育種領(lǐng)域也報道了許多新鑒定出來的lncRNAs，但畜牧領(lǐng)域仍缺乏相關(guān)lncRNA作用機制研究。主要從lncRNA調(diào)控mRNA的剪接、轉(zhuǎn)運、翻譯和降解等方面闡述了lncRNA與mRNA相互作用參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的機制，并對lncRNA在動物遺傳育種中的研究前景進行了展望，以期為深入開展lncRNA在大動物體內(nèi)的功能研究提供參考。

lncRNA；mRNA；轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

哺乳動物基因組中可編碼蛋白的基因只占其中一小部分[1]，大部分DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，并以RNA作為終產(chǎn)物，這類RNA被稱為非編碼RNA。非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）是一大類不具有蛋白編碼潛能的RNA轉(zhuǎn)錄本，根據(jù)轉(zhuǎn)錄本的長度可以將非編碼RNA分為小非編碼RNA和長鏈非編碼RNA。目前在豬[2]、牛[3-4]、羊[5-6]等動物基因組轉(zhuǎn)錄物中發(fā)現(xiàn)大量lncRNA，但其功能機制尚不完善，因此深入研究lncRNA作用機制，可以為畜牧業(yè)養(yǎng)殖發(fā)展提供新的研究思路。

1 LncRNA簡介

LncRNA為長度超過200個核苷酸的RNA分子，缺乏明顯的開放閱讀框，不具有或具有較低蛋白編碼功能。LncRNA在同一物種的組織和器官中高度保守，但在不同發(fā)育階段表達量存在差 異[7-8]。一般，lncRNA可分為正義lncRNA（sense lncRNA）、反義lncRNA（antisense lncRNA，AS lncRNA）、雙向lncRNA（bidirectional lncRNA）、基因內(nèi)lncRNA（intronic lncRNA）及基因間lncRNA（intergenic lncRNA）5種主要類型[9]。其中，AS lncRNA因其結(jié)構(gòu)特殊而備受關(guān)注。LncRNA長度較長，因此空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，作用機制也多種多樣，主要分以下幾個方面：表觀遺傳學(xué)調(diào)控、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。LncRNA主要通過與mRNA相互作用調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后的表達過程，主要包括轉(zhuǎn)錄后mRNA的剪接、轉(zhuǎn)運、翻譯和降解等過程[10-12]。

2 LncRNA調(diào)控mRNA剪接

DNA轉(zhuǎn)錄合成帶有遺傳信息的mRNA后，并不能直接發(fā)揮作用，需經(jīng)過剪切、拼接等生物學(xué)過程，才能成為成熟的mRNA。超過95 %基因的轉(zhuǎn)錄本都會進行選擇性剪接過程，選擇性剪接增加了生物基因表達的復(fù)雜程度，對生物機體的生長發(fā)育具有調(diào)控作用[13-14]。未成熟的mRNA，又稱為mRNA前體（pre-mRNA），具有多個剪切位點，各個剪接位點的剪接能力不同，剪接過程需要依賴富含絲氨酸/精氨酸序列（serine/arginine-rich，SR）的蛋白家族等剪接調(diào)控因子的調(diào)控[15-16]。已有研究證實lncRNA作為調(diào)控因子，調(diào)控SR蛋白家族磷酸化水平，進而調(diào)控mRNA剪接。VIDISHA等發(fā)現(xiàn)發(fā)生缺失突變后，SR蛋白家族的磷酸化水平降低，同時剪接能力變?nèi)?，?dǎo)致pre-mRNA經(jīng)過剪接后，存在于第三和第四外顯子之中的內(nèi)含子并沒有被剪切掉[17]。TOLLERVEY等隨后發(fā)現(xiàn)lncRNA MALAT1能與核蛋白TDP-43特異性結(jié)合，促使SR蛋白家族等剪接因子被招募到核斑點中，進而提高SR蛋白家族的磷酸化水平，從而提高SR蛋白家族的剪接能力[18]。BLIN- WAKKACH等發(fā)現(xiàn)了一條轉(zhuǎn)錄自反義鏈的lncRNA Msx1 AS，研究發(fā)現(xiàn)lncRNA Msx1 AS通過與的pre-mRNA結(jié)合，從而干擾pre-mRNA的剪接過程，并阻礙Msx1蛋白表達[19]。綜上所述，lncRNA不僅可以影響pre-mRNA的剪接能力，還可以調(diào)控剪接過程。

3 LncRNA調(diào)控mRNA轉(zhuǎn)運

Pre-mRNA在細胞核中經(jīng)過特異性剪接成為成熟的mRNA后，由細胞核轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)中的核糖體上，才能翻譯生成蛋白質(zhì)。已有研究證明，lncRNA能夠影響mRNA轉(zhuǎn)運從而調(diào)控脂肪生 成[20-21]。CAI等已發(fā)現(xiàn)在成脂過程中，脂聯(lián)素（AdipoQ）作為脂肪細胞分泌的一種內(nèi)源性生物活性多肽，同時也是胰島素增敏激素，可以降低血糖，促進脂肪形成。在細胞核中，AdipoQ AS lncRNA與AdipoQ mRNA形成雙鏈，抑制了AdipoQ mRNA從細胞核向細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移，從而抑制脂肪形成[22]。

4 LncRNA調(diào)控mRNA翻譯

結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄成為mRNA是基因表達的第一步，mRNA翻譯成蛋白質(zhì)是基因表達的第二步，結(jié)構(gòu)基因只有最終成功表達出活性蛋白質(zhì)，基因才真正發(fā)揮了功能。目前已有諸多研究表明lncRNA能夠影響mRNA的翻譯過程?；蛞驯蛔C實是造血過程中的主要轉(zhuǎn)錄因子[23-24]，基因位點可同時產(chǎn)生mRNA和AS lncRNA，并且pu1AS lncRNA可以影響pu1 mRNA的翻譯過程。WEI等發(fā)現(xiàn)pu1 AS lncRNA表達水平升高后，pu1蛋白水平降低，反之亦然。隨后在分化過程中，干擾pu1 AS lncRNA后發(fā)現(xiàn)pu1 mRNA的表達水平并未發(fā)生變化，蛋白水平卻上調(diào)了。通過核糖核酸酶保護試驗結(jié)合RT-PCR檢測到pu1 mRNA和pu1 AS lncRNA形成了RNA二聚體。由此可知，pu1 AS lncRNA與pu1 mRNA形成了雙鏈，阻斷了pu1 mRNA翻譯，抑制蛋白質(zhì)合成[25]。SHANG發(fā)現(xiàn)在睪丸中特異性表達，干擾，降低c-myc mRNA水平與蛋白水平，并促進細胞凋亡；過表達后，通過RNA pull down和RIP試驗，發(fā)現(xiàn)促進了蛋白IGF2BP1與c-myc mRNA結(jié)合，并提高c-myc mRNA水平與蛋白水平。由此可知，lncRNA THOR調(diào)控IGF2BP1蛋白和c-myc mRNA結(jié)合，進而參與調(diào)控c-myc mRNA翻譯[26]。WANG等研究證明Sirt1 AS lncRNA與miR-34a通過競爭與Sirt1 mRNA 3’UTR區(qū)形成RNA雙鏈，可以激活Sirt1 mRNA進行翻譯。當過表達Sirt1 AS lncRNA后，促進了成肌細胞增殖，但抑制了其分化進程?？偟膩碚f，Sirt1 AS lncRNA與miR-34a通過競爭與mRNA結(jié)合，增強Sirt1 mRNA翻譯，抑制肌肉形成[27]。以上試驗說明了lncRNA通過不同的作用機制來調(diào)控mRNA翻譯過程。

5 LncRNA調(diào)控mRNA降解

細胞中mRNA的水平對基因正常表達是非常必要的，mRNA降解也是維持mRNA正常水平的關(guān)鍵過程[28-29]。現(xiàn)已有報道證明lncRNA調(diào)控mRNA降解過程。SHEN等發(fā)現(xiàn)miR-193a-3p與RAD51 mRNA的3’UTR區(qū)域結(jié)合，促進了RAD51 mRNA降解。lnc-RI作為ceRNA通過與miR-193a-3p結(jié)合，解除了miR-193a-3p對RAD51 mRNA的降解作用，從而調(diào)控RAD51 mRNA的穩(wěn)定性[30]。GONG等篩選了含有Alu元件的多條lncRNA，Alu元件已經(jīng)被證明影響mRNA轉(zhuǎn)錄，其中l(wèi)ncRNA?-sbsRNAs通過與CDCP1 mRNAs 3’-UTR區(qū)的Alu元件互補成為一個STAU1結(jié)合位點，先招募STAU1與之結(jié)合，后招募UPF1并激發(fā)STAU1介導(dǎo)的mRNA降解途徑，導(dǎo)致CDCP1 mRNA降解，抑制了基因表達[31]。據(jù)多人研究報道證明，lncRNA也可以通過與RNA結(jié)合蛋白結(jié)合，來調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定。ZHAO等在小鼠的背根神經(jīng)節(jié)發(fā)現(xiàn)名為Kcna2 AS RNA的lncRNA，其可以與MZF1蛋白結(jié)合，導(dǎo)致Kcna2 mRNA降解，引起神經(jīng)元興奮，維持疼痛發(fā)生[32]。FENG等發(fā)現(xiàn)可以調(diào)控ELF3 mRNA穩(wěn)定，通過Pull down及質(zhì)譜分析，篩選出了與NEAT1結(jié)合的蛋白IGF2BP1。他們的后續(xù)試驗首先干擾了，發(fā)現(xiàn)IGF2BP1與ELF3 mRNA的結(jié)合水平降低。隨后又通過IGF2BP1 shRNA轉(zhuǎn)染細胞，發(fā)現(xiàn)IGF2BP1蛋白表達水平降低，不再調(diào)節(jié)ELF3 mRNA的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，通過與IGF2BP1結(jié)合調(diào)控ELF3 mRNA的穩(wěn)定[33]。

6 小結(jié)

目前，畜牧領(lǐng)域的研究者已經(jīng)在豬、牛、羊中鑒定出越來越多的lncRNAs，然而這些lncRNAs的功能及其分子機制相關(guān)研究仍然不足。但是隨著lncRNA研究技術(shù)成熟，這些鑒定出來的lncRNA的功能會逐漸被揭示，參考lncRNA已有的調(diào)控機制有利于解析新發(fā)現(xiàn)的lncRNA的分子機制，相信未來幾年畜牧領(lǐng)域的研究者對于已經(jīng)獲得的新lncRNAs會有明確的功能和機制報道，這將有助于理解影響動物生長發(fā)育的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并為動物分子遺傳育種提供新的參考靶標。

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Research progress on the mechanism of lncRNA involved in post-transcriptional regulation

Yang Xu, Zi Jingjing, Guo Hong, Ding Xiangbin, Liu XinfengCorresponding Author, Zhang LinlinCorresponding Author

（Tianjin Key Laboratory of Agricultural Animal Breeding and Healthy Husbandry, College of Animal Science and Veterinary Medicine, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

Long non-coding RNA（lncRNA）is a kind of non-coding RNA with a length longer than 200 nt which widely exists in animal and plant cells. LncRNA can interact with DNA, RNA or proteins to regulate various physiological processes of organisms. In recent years, many newly identified lncRNAs have been reported in the field of large animal genetics and breeding at home and abroad, but there is still a lack of research on the mechanism of lncRNA in the field of animal husbandry. In this article the mechanism of lncRNA-mRNA interaction in post-transcriptional regulation was mainly discussed from the aspects of splicing, transport, translation and degradation of lncRNA regulated mRNAs. The research prospects of lncRNA in animal genetics and breeding has been expected, with a view to provide reference for further development of the function research of lncRNA in large animals.

lncRNA; mRNA; post-transcriptional regulation

1008-5394（2022）02-0085-03

10.19640/j.cnki.jtau.2022.02.016

Q71

A

2020-05-18

天津市自然科學(xué)基金項目（18JCYBJC95800）；天津市教委科研計劃項目（2018KJ183）

楊旭（1996—），女，碩士在讀，研究方向為動物轉(zhuǎn)基因與分子育種。E-mail：17332775057@163.com。

張林林（1988—），女，講師，博士，研究方向為動物分子遺傳育種。E-mail：zhangll@126.com。劉新峰（1981—），男，副教授，博士，研究方向為動物配子與胚胎工程、畜禽健康養(yǎng)殖。E-mail：lxf20001924036@126.com。

責任編輯：張愛婷