长链非编码RNA(lncRNA)
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长链非编码RNA(lncRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子,它们并不编码蛋白,而是以RNA的形式在多种层面上(表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等)调控基因的表达水平。
lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”,是RNA聚合酶II转录的副产物,不具有生物学功能。然而,近年来的研究表明,lncRNA参与了X染色体沉默,基因组印记以及染色质修饰,转录激活,转录干扰,核内运输等多种重要的调控过程,lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA(相应的蛋白编码RNA的比例是1%),虽然近年来关于lncRNA的研究进展迅猛,但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。
目前并不能仅根据序列或者结构来推测它们的功能,根据它们在基因组上相对于蛋白编码基因的位置,可以将其分为正义链(sense)、反义链(antisense)、双向(bidirectional)、内含子间(intronic)、基因间(intergenic)这5种类型。这种位置关系对于推测lncRNA的功能有很大帮助。
根据lncRNA在基因组上的位置,可将其分为5种类型:1. sense, 2.
antisense, 3. bidirectional, 4. intronic,
5.intergenic。图中编码RNA和非编码RNA外显子分本别用蓝色和红色表示。
近年来通过对已发现的lncRNA的研究表明,lncRNA能够在多种层面调控基因的表达水平,其调控机制开始为人们所揭示
lncRNA的作用机制。根据进年来所发现的lncRNA的作用机制,lncRNA主要可能具有以下几个方面的功能:
1)通过在蛋白编码基因上游启动子区(桔)发生转录,干扰下游基因(蓝)的表达(如酵母中的SER3基因)。
2)通过抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰,影响下游基因(蓝)表达(如小鼠中的p15AS)。
3)通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链(紫),进而干扰mRNA的剪切,从而产生不同的剪切形式。
4)通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链(紫),进一步在Dicer酶作用下产生内源性的siRNA,调控基因的表达水平。
5)通过结合到特定蛋白质上,lncRNA转录本(绿)能够调节相应蛋白的活性。
6)作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体。
7)通过结合到特定蛋白上,改变该蛋白的胞质定位。
8)作为小分子RNA,如miRNA,piRNA的前体分子转录。
一般来说,lncRNA主要从以下三种层面实现对基因表达的调控:
1.
表观遗传学调控
lncRNA招募染色质重构复合体到特定位点进而介导相关基因的表达沉默。例如来源于HOXC基因座的lncRNA
HOTAIR,它能够招募染色质重构复合体PRC2并将其定位到HOXD位点,进而诱导HOXD位点的表观遗传学沉默。同样,Xist,Air,Kcnq1ot1这些lncRNA都能够通过招募相应的重构复合体,利用其中的甲基转移酶如Ezh2或者G9a等实现表观遗传学沉默。
2.
转录调控
lncRNA能够通过多种机制在转录水平实现对基因表达的沉默,表现在如下几个方面:1.lncRNA的转录能够干扰临近基因的表达。例如在酵母中,SER3基因会受到其上游lncRNA
SRG1的转录的干扰;2.lncRNA能够通过封阻启动子区域来干扰基因的表达。例如,DHFR上游的一个lncRNA能够和DHFR的启动子区域形成RNA-DNA3螺旋结构,进而抑制转录因子TFIID的结合,从而抑制DHFR的基因表达;3.lncRNA能够与RNA结合蛋白作用,并将其定位到基因启动子区从而调控基因的表达。例如,CCND1启动子上游一个lncRNA能够调节RNA结合蛋白TLS的活性,进而调控CCND1的表达;4.lncRNA能够调节转录因子的活性,里例如lncRNA
Evf2能够与转录因子Dlx2形成转录复合体从而激活Dlx6的表达;5.lncRNA也能够通过调节基本转录因子来实现调控基因的表达。例如,Alu
RNA能够通过抑制RNA聚合酶II来实现广谱的基因抑制。
3.
转录后调控
lncRNA能够在转录后水平通过与mRNA形成双链的形式调控基因的表达。例如,Zeb2 antisense
RNA能够和Zeb2
mRNA内含子5’剪切位点区域形成双链,从而抑制该内含子的剪切。而该区域含有对于Zeb2蛋白表达所必须的核糖体结合位点,Zeb2 antisense
RNA通过这种方式,能够提高Zeb2蛋白的表达量
LncRNA与疾病
大量的研究表明,在肿瘤细胞中,某些特定的lncRNA的表达水平会发生改变。这种表达水平的变化能够作为癌症诊断的标志物(有时是非常灵敏的诊断标志物,如前列腺癌中的DD3)和潜在的药物靶点.