lncRNA究竟是大腕還是龍套：解讀lncRNA

概述

隨著技術的發展，我們對RNA的認識不斷加深：全基因組只有2%左右為編碼蛋白的mRNA，而不能編碼蛋白的lncRNA（longnoncoding RNA）則具有重要的功能調節意義。哺乳動物基因組序列中4%~9%的序列產生的轉錄本是lncRNA（相應的蛋白編碼RNA的比例是1%），它們是長度超過200nt的RNA，雖然本身並不編碼蛋白，卻以RNA的形式參與了X染色體沉默，基因組印記以及染色質修飾，轉錄激活，轉錄干擾，核內運輸等多種重要的調控過程，從而發揮其生物學功能。

lncRNA通常長度在200-100000 nt，具有mRNA樣結構，經過剪接，具有5』帽子和polyA尾巴結構，分化過程中有動態的表達與不同的剪接方式。

作用機制

相對於小分子ncRNA而言，lncRNA具有相對較長的核苷酸鏈，其分子內部具有特定而又複雜的二級空間結構，能提供與蛋白質結合的多個位點，或與DNA、RNA之間通過鹼基互補配對原則發生特異性動態性相互作用，形成由lncRNA參與的複雜精確而微妙的基因表達調控網路。

研究表明：lncRNA可作為人類基因組中一類非常重要的表觀遺傳調控因子，通過表觀遺傳轉錄調控以及轉錄後調控等多種機制調控DNA甲基化組蛋白修飾或染色質重構，使基因沉默或激活。也可以作為一種競爭性內源性RNA( competingendogenousRNA，ceRNA) 與miRNA相互作用，參與靶基因的表達調控，並在腫瘤的發生髮展中發揮重要的作用。其主要通過以下4種作用方式發揮其生物學功能：

1. lncRNA可擔任信號分子角色；

當細胞受到特定刺激後，能夠表現出相應的組織特異性，並具有作為生物標記物的潛力。通過顯微鏡發現，X染色體特異性失活轉錄物Xist( Xin-activation-specifictranscript) ，lncRNA的熒光原位雜交信號幾乎覆蓋了整個X染色體。

2.引導型lncRNA通過與DNA或者蛋白質結合，可將特定的複合體引導到正確的染色體位置上；

例如位於HOXA基因簇的5"端啟動子區域的lncRNAHOTTIP，能夠增強HOXA的轉錄。HOTTIP通過染色質纏繞接近其目標基因，並與MLL( mixedlineageleukemia) 接頭蛋白WDR5複合體結合，使WDR5/MLL複合體到達HOXA基因，進一步改變甲基化情況來達到增強組蛋白H3賴氨酸-4的三甲基化( H3K4me3) ，即: lncRNAHOTTIP相當於起到類增強子的作用，促進了下游HOXA基因的轉錄。

3. lncRNA還可作為分子誘餌來誘導特定蛋白( 如轉錄因子) 並與之結合，該作用能使其序列下游的反應受到阻礙；

例如DNA損傷活化P21相關非編碼RNA( P21associated ncRNA DNA damage activated，PANDA) 與 核 轉 錄 因 子Y-( nucleartranscriptionfactor Y-，NFYA) 結合後，可抑制促凋亡基因的表達。

4.lncRNA可以作為蛋白質複合物的骨架把兩個表觀修飾的酶聯合在一起。

例如同源異形盒基因轉錄的反義RNA( Hox transcript antisenseRNA，HOTAIR) 能夠將甲基化酶和去甲基化酶聯合起來，從而動態控制與發育和疾病有關的基因的表達變化。

研究思路

通過Microarrayor Sequencing，找到樣本間或者組間差異表達的lncRNA，對其進行qPCR驗證，然後可進行lncRNA生物標記物研究或者lncRNA功能研究。

應用領域

1.與生物學過程相關

lncRNA的表達不僅具有細胞型和組織特異性，一些lncRNA 還在真核生物發育過程的特定階段表達。對線蟲和果蠅發育過程中長鏈非編碼 RNA 的表達研究發現, 這類 RNA 分子呈現出動態的表達變化, 多數長鏈非編碼RNA 具有精確的時間和空間表達模式, 有的表達模式還保守地存在不同種的果蠅中。原位雜交分析中發現, 在黑腹果蠅的胚胎髮育過程中高表達的33個 mRNA-like lncRNA, 有16個僅在中樞或者外周神經系統中得到表達。

2.與疾病相關

研究發現，lncRNA 的表達或功能異常與人類疾病的發生密切相關，其中就包括癌症、退行性神經疾病在內的多種嚴重危害人類健康的重大疾病，具體表現為長鏈非編碼 RNA 在序列和空間結構上的異常、表達水平的異常、與結合蛋白相互作用的異常等。

lncRNA與miRNA之間可通過相互調控作用來影響腫瘤的形成和進展

由於多數lncRNA的結構與mRNA具有一定的相似性，提示miRNA可能通過類似於mRNA的作用機制負向調控lncRNA的表達，進而發揮一系列生物學作用。

人類白血病細胞中存在一種能轉錄出多種lncRNA的極度保守區域( ultraconservedregion，UCR)，而這些lncRNA的表達水平與13個miRNA的表達明顯呈負相關。通過序列比對分析這13個miRNA發現，其中5個miRNA( miR-24 miR-155 miR-233 miR-146a miR-29b) 與UCR轉錄出來的lncRNA存在明顯的種子區匹配。當將潛在匹配序列克隆入熒光素酶基因的3"-UTR後，熒光素酶報告基因實驗證實miR-155 miR-24和miR-29b確實對這些lncRNA具有調控作用。之後對miR-155進行進一步驗證發現，當miR-155在MEGO1白血病細胞株中過表達時，目的lncRNA的表達水平明顯下降；反之，當降低miR-155表達時，目的lncRNA的表達明顯升高。

此外，miRNA不僅能負向調控特異性lncRNA的表達，同時也能促進特異lncRNA的表達。

通過使用lncRNA晶元來對比肝癌細胞株和人肝細胞的lncRNA表達水平，檢測出具有抑癌活性的母本印跡表達基因3( maternallyexpressedgene3，MEG3) 在肝癌細胞中表達顯著下調。並發現該類細胞 中DNA 甲基化酶( DNAmethyltransferase，DNMT) 1和DNMT-3B的表達水平較高。進一步研究發現，MEG3基因啟動子區發生高度甲基化，當用siRNA技術降低肝癌細胞株中DNMT-1和DNMT-3B的表達後，MEG3的水平顯著升高，從而抑制肝癌細胞增殖和促進細胞凋亡。另外，通過體內實驗發現，在miR-29a敲除的轉基因小鼠中，肝臟組織中MEG3的鼠類同系物的表達水平明顯低於野生型小鼠，進一步證實miR-29a對MEG3的正向調控作用。