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The research progress on biological function and significance of long non-coding RNAs

长链非编码RNA生物学功能及其意义研究进展



全 文 :第24卷 第6期
2012年6月
Vol. 24, No. 6
Jun., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号:1004-0374(2012)06-0543-06
长链非编码RNA生物学功能及其意义研究进展
王俊青,张彦洁,任建敏,许春娣,刘炳亚,朱正纲,周 同*
(上海交通大学医学院附属瑞金医院,上海 200025)
摘 要:人类基因组 DNA核苷酸序列中约 93%能被转录为 RNA,其中仅 2%的转录产物被翻译为蛋白质,
余下 98%属于非编码 RNA(non-coding RNA, ncRNA)。ncRNA中长度超过 200 nt的称为长链非编码 RNA
(long non-coding RNA, LncRNA),长期以来 LncRNA被认为是转录过程中的副产物而不具有生物学功能。
近年随着微小 RNA(microRNA, miRNA)的研究进展,揭示了 ncRNA在人类基因转录后调节、细胞生长、
分化、增殖中起着相当重要的作用。同时也提示,相比 miRNA,在细胞内转录比例更高的 LncRNA具有极
其复杂而重要的生物学功能,并与人类疾病密切相关。结合 LncRNA的表观遗传学功能及其病理生理意义
作一简述。
关键词:真核生物;非编码 RNA;长链非编码 RNA;转录调控;表观遗传
中图分类号:Q522 文献标志码:A
The research progress on biological function and
significance of long non-coding RNAs
WANG Jun-Qing, ZHANG Yan-Jie, REN Jian-Min, XU Chun-Di, LIU Bing-Ya, ZHU Zheng-Gang, ZHOU Tong∗
(Ruijin Hospital, Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200025, China)
Abstract: Although 93% of human genome can be transcribed into RNAs, only 2% of these products can be
translated into proteins. The rest of the 98% RNAs are called noncoding RNAs (ncRNAs), which has been thought
as non-functional by-products of transcription. But in recent years, the research on microRNAs (miRNAs) revealed
that ncRNAs play important roles in the regulation of post-transcription of human genome, cell growth, cell
differentiation and cell proliferation. The ncRNAs, more than 200 nucleotides, are called long-noncoding RNAs
(LncRNAs). Studies of LncRNAs found that they are transcribed much more than that of miRNAs in cells, and they
have more complex biological functions than miRNAs as well. There is increasing evidence to indicate that
LncRNAs may be related to human diseases. This review mainly outlines the epigenetics function of LncRNA and
its pathophysiological significance in brief.
Key words: eukaryote; non-coding RNA; long non-coding RNA; transcriptional control; epigenetics
收稿日期:2012-03-19; 修回日期:2012-05-07
基金项目:国家自然科学基金项目(81070567,8117-
0383,81072012)
*通信作者:E-mail: zhoutong_cn@hotmail.com
真核细胞生物基因组由庞大复杂的 DNA序列
构成,通过转录成 RNA表达和传递生物遗传信息。
根据转录产物的功能,RNA可以分为编码蛋白质
的信使 RNA(messenger RNA, mRNA)和无蛋白编码
功能的非编码 RNA(non-coding RNA, ncRNA)。相
比 mRNA,ncRNA不具备典型的启始密码子、启
动子保守区、终止密码子、开放阅读框及终止密码
子等特性。人类基因组 DNA约 93%能被转录为
RNA,仅 2%被翻译成约 20 000种蛋白转录产物,
余下 98%均为编码能力极低或无编码功能的非编
码 RNA[1-2]。ncRNA中,除 tRNA、rRNA等为人熟
知外,其余大量 ncRNA一直被视做转录过程的“暗
物质”(dark matter) 而未受重视 [3]。根据 ncRNA长
∙ 评述与综述 ∙
生命科学 第24卷544
度,将 ncRNA分为小非编码 RNA和长链非编码
RNA (long non-coding RNA, LncRNA),后者碱基组
成从 200 nt到 100 000 nt不等 [4]。研究提示 ncRNA
在细胞发展和代谢方面扮演举足轻重的角色 [5-6],
目前发现最小的功能性 ncRNA为转录起始 RNA
(transcription initiation RNA, tiRNA),仅 18 nt [7],长
度 22 nt的微小 RNA (microRNA或 miRNA)则可作
为肿瘤抑制因子或促癌因子行使功能,由此提示
LncRNA也具有重要病理生理功能 [8]。
LncRNA 占 ncRNA 的 80%,多由 RNA 聚合
酶 II转录。LncRNA转录水平低于蛋白质编码基因,
具有组织特异性,既参与表观遗传、可变剪接、入
核转运等过程,也能以细胞微结构原件、小 RNA
前体等发挥功能 [9],且其转录和功能失调可能参与
肿瘤发生 [10]。因此,对 LncRNA生物学功能及其
与疾病关系的深入研究可为临床提供新的思路和应
对策略。
1 LncRNA发现与概况
在 miRNA成为研究热点之前,X染色体失活
特异性转录因子 (X-inactive-specific transcript, XIST)
和 H19印迹基因等经典 LncRNA就已被发现 [11-12]。
根据 LncRNA在基因组中与邻近基因的相对位置,
将 LncRNA分为基因间、基因内及与编码序列反义
三类。目前 LncRNA的研究并不深入,LncRNA的
定义也不像 miRNA那样明确,长度大于 200 nt的
非编码 RNA序列在许多文献中被冠以大非编码
RNA (large non-coding RNA)、mRNA样长链 RNA
(mRNA-like long RNA)、长链基因间 RNA (long inter-
genic noncoding RNA, LincRNA)或超保守转录区
域 (transcribed ultraconserved regions, T-UCRs)等称
谓 [13],其中相当一部分序列其实存在编码短小多
肽的功能 [14]。如将上述形式均纳入 LncRNA范畴,
估计人类 LncRNA达 7 000至 23 000种。
2 LncRNA生物学作用机制
随着 LncRNA功能逐步显现,其与靶点的作
用机制成为进一步的热点。早期认为原位调控是
LncRNA作用的唯一机制,它通过招募形成染色质
修饰复合物而沉默邻近基因转录,例如 IGF2R反
义 RNA (antisense of IGF2R RNA, AIR)、XIST等 [15]。
而 Hox基因反义基因间 RNA (Hox antisense intergenic
RNA, HOTAIR)的发现提示 LncRNA可能存在远程
调控。同源异型基因 (homeotic genes, HOX)在细胞
增殖与定向分化中起关键作用,人类 Hox基因簇约
含 100个 ncRNA基因 [16],其中 HOTAIR定位于
HOXC基因座 12q13.13[17]。HOTAIR的 5端可招募
结合多梳蛋白抑制复合物 2 (polycomb repressive
complex 2, PRC2),借助 PRC2上三个 H3K27甲基化
酶 EZH2、SUZ12和 EED [18],使另一基因座 HOXD
上长约 40 kb的序列转录沉默,从而在乳腺上皮细
胞内使细胞内转录倾向于胚胎成纤维细胞样表型。
超过 20%的 LncRNA能够通过结合 PRC2或其他
类似复合物发挥作用,提示 LncRNA的远程调控机
制在生物体内广泛存在。
根据 LncRNA自身结构和所结合靶位点的性
质,将 LncRNA的作用方式分为四类:RNA-RNA
序列特异性识别;RNA-DNA序列杂交;与 RNA
构型相关功能;与蛋白相关的功能。其作用机制分
述如下。
2.1 RNA-RNA序列特异性识别
LncRNA中 70%来源于编码基因的反义序列,
因此通过同源序列直接识别,在 RNA间产生相互
作用的机制普遍存在。顺义和反义转录产物之间通
过直接识别进行调控,如调节失衡将引起病理性改
变。典型例子是血管发育异常的组织中 TIE-1 mRNA
和其反义 TIE1-AS LncRNA转录的比例失调 [19]。
随着认识的深入,在真核生物中,ncRNA显现出相
比 mRNA更为复杂的功能 [20]。近期发现一类称为
竞争性内源 RNA (competing endogenous RNA, ceRNA)
的 LncRNA,将 RNA-RNA之间的相互作用提高到
了新的认识水平。目前对 ceRNA功能观察提示,
编码和非编码 RNA之间可通过相互调节,通过竞
争性结合相应的 miRNA,对该 miRNA的后续转录
后调控作用发生有效的控制 [21]。ceRNA与 miRNA
的结合可阻碍 miRNA作用于靶基因,进而保证相
应靶基因的转录后表达 [22-23]。Cesana等 [24]在研究
人和鼠的骨骼肌分化过程中,发现了一种名为 linc-
MD1的 LncRNA,可与 miR-135及 miR-133分别
特异性结合,进而保证这两者的靶基因,即肌细胞
增强因子 2C(myocyte enhancer factor 2C, MEF2C)
及决定因子样蛋白 -1(mastermind-like 1, MAML1)
的表达,由此对人和鼠的成肌纤维细胞分化产生显
著影响。
2.2 RNA-RNA序列杂交
RNA-DNA双联 /三联体是碱基互补结合的一
种高级构型。例如, LncRNA与二氢叶酸还原酶
(dihydrofolate reductase, DHFR)基因启动子通过互
王俊青,等:长链非编码RNA生物学功能及其意义研究进展第6期 545
补序列结合成 RNA-DNA三联复合物,阻碍转录因
子 IIB结合 DHFR启动子并抑制转录 [25]。RNA-
DNA双联 /三联体结构稳定,具有特异性,有学
者提出,根据基因序列能够预测相应编码基因转
录水平。然而,在不同成纤维细胞株中,同一基因
失活水平并不均衡 [26],提示 LncRNA双联 /三联体
形成机制尚无法用单纯的基因序列互补进行解释。
2.3 与RNA构型相关功能
有别于短序列 ncRNA, LncRNA具有更为复杂
的二级和三级结构。LncRNA分子可通过碱基互补
形成茎环结构,复杂的二级结构赋予 LncRNA特
殊的结合功能。如 LnRNA repA通过形成带有 4个
发夹结构的二聚体才能与 PRC2结合 [27];LncRNA
Gas5的发夹结构诱导糖皮质激素受体远离它在
DNA上的靶位点,如发夹缺失,Gas5与 DNA的
结合和转录抑制功能将受到糖皮质激素的影响 [28]。
不同物种中存在大量功能相似,但序列上无保守性
的 LnRNA,例如人 Alu和鼠 B2可以通过形成相似
的二级结构阻止 RNA聚合酶 II与转录起始位点结
合,提示二级结构具有决定 LncRNA功能的作用 [29]。
2.4 与蛋白质相关的功能
已知人类的蛋白质中 1/4的分子具有核苷酸结
合结构域 [30]。例如核非均一核糖核蛋白 A2具有
RNA和 DNA结合结构域,在细胞有丝分裂过程中,
能够同时结合端粒酶 RNA和末端着丝位点重复
DNA片段 (telomitic duplicate DNA segment)[31]。然
而在这一领域,是否存在 LncRNA与蛋白结合以及
LncRNA在其中所发挥的功能尚不明确,推测蛋白
可作为连接体与 LncRNA和靶基因结合,介导
LncRNA的调控作用。
3 LncRNA和表观遗传学调控的相互影响
表观遗传 (epigenetics)指在基因组 DNA序列
不发生改变的情况下,基因表达发生可遗传改变,
该现象普遍存在于动植物中,包括 DNA甲基化、
组蛋白修饰、基因组印迹、随机染色体失活及
ncRNA的调节作用等。LncRNA的功能往往受到表
观遗传作用的影响,同时 LncRNA通过基因组印迹、
剂量补偿效应、染色质修饰等过程,在基因的表达
中发挥表观遗传学作用 [32]。
3.1 LncRNA基因转录与基因组印迹
基因组印迹是表观遗传学重要内容,表现为来
自父母双方的等位基因在遗传给子代时发生 DNA
甲基化、组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化等修饰形成
基因组印迹,使带有印迹修饰的子代等位基因呈现
不同的转录活性,最终导致其中一方功能表达上
保持沉默。印迹基因通常以基因簇形式存在,形
成印迹区 (imprinted region),印迹区基因转录活性
受差异性甲基化区域 (differentially methylated regions,
DMRs),即印迹中心 (imprinting centers, ICs)调控。
1个印迹区内至少存在 1个非编码 RNA基因,其
中 LncRNA基因出现频率高 [33],提示 LncRNA基
因转录受基因组印迹调控。
印迹区 LncRNA H19与胰岛素样生长因子 2
(insulin-like growth factor 2, IGF2)反义,是miRNA-675
前体,呈母源表达 [34]。胚胎组织中H19转录水平高,
出生后下调。在结肠癌,H19转录因基因座印迹
丢失而上调,导致 miRNA-675上调,由于在结直
肠肿瘤中 miRNA-675下调肿瘤抑制因子 RB1的
表达,因此 H19的上调提示了它的促癌作用。相反
Leighton等 [35]在缺乏 H19的小鼠畸胎瘤模型中发
现了胚胎生长快速的现象,又提示了 H19的抑癌作
用。由此推断 H19存在双向调节功能。
3.2 LncRNA与剂量补偿效应
剂量补偿效应 (dosage compensation effect),是
具有 X、Y性别决定机制的生物体内,调控性连锁
基因在两种性别里以相对相等的剂量进行有效表达
的遗传学机制。哺乳动物中剂量补偿效应普遍存在,
表现为雌性个体细胞同型配子 (XX)中 1条染色体
失活,其上等位基因完全沉默。该过程由 X染色体
上失活中心 (X-inactivation center, Xic)控制,Xic缺
失将中止 X染色体失活。LncRNA基因 Xist定位于
Xic,能通过和 HOTAIR相似的机制,招募并结合
PRC2介导基因沉默。Xist由拟失活的X染色体转录,
随之附着于该条 X染色体,招募 DNA甲基化酶
和组蛋白去乙酰化酶,通过染色体修饰,使之固缩
为异染色质,导致基因沉默。Xist的反义转录产物
Tsix对 Xist起负调控作用,阻止染色体失活。此外
增强子相关 Xite和上游 Jpx及 Ftx[36-38]等也参与
Xist的调控。
4 LncRNA的病理生理意义
4.1 LncRNA与人类疾病
HOTAIR在乳腺癌中作为判断预后和转移独立
指标的发现 [39],使人们将疾病机理研究的目光转
向 LncRNA,并发现 LncRNA与如阿尔兹海默症、
银屑病、脊髓小脑共济失调 8型 (spinocerebellat ataxia
type 8, SCA8)[40-42]等众多疾病相关。
生命科学 第24卷546
在先天性畸形中,过去认为 FOXL2基因突变
是睑裂狭小综合征的病因,而距该基因 283 kb处发
现的 LncRNA PISRT1缺失现象提示除 FOXL2因素
外,LncRNA失调是该病发生的重要原因之一。手
足裂畸形的发生与编码蛋白 DlX5和 DLX6转录活
化相关,研究发现上述蛋白的转录活化和上调是由
LncRNA EVF2招募转录因子 Dlx2而实现 [43]。
神经系统疾病同样涉及 LncRNA。阿尔兹海默
症研究发现 70%的患者脑组织中 LncRNA BC200
下调,同时观察到 BC200失调与脆性 X综合征发
病有关。在另一关于阿尔兹海默症的研究中,
Faghihi等 [40]发现反义产物 LncRNA β-分泌性酶基
因反义链 (β-site APP-clerving enzyme 1-antisense RNA,
BACE1-AS)通过与 β-分泌性酶基因 (β-site APP-
clerving enzyme 1, BACE1)结合增加 BACE1 mRNA
稳定性,使后者加速阿尔兹海默症发展。而在
SCA8中,多聚谷氨酸蛋白 KLHL1的反义 LncRNA
共济失调蛋白 8反义链 (ataxin 8 opppsite strand, ATXN-
8OS)转录上调是促进疾病发展的重要因素。
心血管疾病方面 LncRNA ANRIL与冠心病发
生有关,该基因定位于 9p21,调控邻近基因 Cdkn2A
和 Cdkn2AB的转录,ANRIL的失调引起心肌细胞
增殖异常和冠脉疾病 [44]。
4.2 LncRNA与人类肿瘤
随着分子肿瘤学研究的深入,人们发现 Lnc-
RNA涉及白血病、前列腺癌、乳腺癌、肝细胞癌、
结肠癌等多种肿瘤的发生 [45-49]。
例如肿瘤抑制基因 p15的反义 LncRNA能通
过调控 p15基因甲基化水平促进白血病发生 [50];同
时至少有 5种以上 LncRNA能与双链 DNA结合蛋
白 (the dsDNA-bingding protein, PSF)结合并致其失
活,而由于 PSF具有沉默原癌基因 GAGE6的功能,
由此 LncRNA与 PSF的结合,间接上调了 GAGE6,
促进了肿瘤的发生 [51]。
又如转移相关性肺腺癌转录子 1 (metastasis-
associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1)
基因,其定位于染色体 11q13.1,MALAT1能锚定
于染色质易位断裂点促进肿瘤侵袭和肿瘤细胞转
移 [52]。体外实验敲除MALAT1功能后发现肺腺癌
细胞迁移能力受到抑制 [53]。同样,在子宫颈癌细胞
中敲除MALAT1后肿瘤增殖受到抑制 [54]。
研究显示,在前列腺癌中 LncRNA PlncRNA-1
与雄激素受体之间存在相互调节,PlncRNA-1能上
调雄激素受体基因转录、促进细胞增殖 [55],这为前
列腺癌的靶向治疗提供了依据。
LncRNA中也存在抑制肿瘤的成员。母源表达
基因 3 (maternally expressed gene 3, MEG3)是最早
被发现具有肿瘤抑制作用的 LncRNA,已发现 12
个MEG3亚型 [56]。MEG3基因转录来自父源印迹,
MEG3调控区超甲基化导致MEG3转录失活。MEG3
存在 3种二级结构,M1~M3。借助二级结构的功能,
MEG3介导抑癌基因 p53转录活化。多数正常组织
细胞具有MEG3转录活性,脑和脑垂体中转录活性
最高 [57],在多种人类恶性肿瘤细胞株中MEG3转
录水平显著降低甚至无法检测。
5 总结与展望
近年来通过对非编码 RNA在表观遗传学功能
上的研究,逐步揭示非编码 RNA的重要生物学功
能。LncRNA作为 ncRNA中的重要组份,已成为
遗传性和分子生物学关注的新热点。目前 LncRNA
的研究尚在初级阶段,研究发现 LncRNA受到基因
组印记的调控,并与之存在复杂的网络调控关系,
同时 LncRNA表观遗传机制介导了数量众多的编码
基因调控。值得关注的是,LncRNA的特异性改变,
对上述机制产生影响显著,在研究人类疾病上具有
重要价值,尤其是在肿瘤学研究中,LncRNA的意
义挖掘潜力巨大。目前虽已有肿瘤发生过程中具有
特征变化的 LncRNA相关研究,然而它们所扮演的
角色和所起的特异性功能尚未明了。LncRNA功能
复杂多样,既存在促进肿瘤发生发展的促癌因子,
也存在抑制肿瘤生长的抑癌因子,有的 LncRNA促
进肿瘤远处转移和引起预后不良,也有的以 miRNA
前体形式改善肿瘤预后。相信随着 LncRNA与肿瘤
发生的关系的阐明, LncRNA将可能作为一类肿瘤
分子标记物或治疗靶点,为肿瘤的诊断和治疗提供
新契机。
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