lncRNA的研究進展

邢曉蕊 呂海燕 趙紅桃

摘 要：長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是指長度大于200個核苷酸的不參與蛋白質編碼過程的DNA轉錄產物。近年來，這類lncRNA在表觀遺傳、轉錄及轉錄后水平上調控基因表達方面的研究比較廣泛，已獲得較為深刻的認知。最近人們認識到lncRNA在許多的生理、病理途徑中發揮著一定的作用，比如干細胞全能性、神經生長分化與腫瘤發生等。本文主要介紹lncRNA在人及動物中的功能及相關的研究進展。

關鍵詞：lncRNA；表觀遺傳；腫瘤

基因組測序結果表明人基因組30億個堿基對中，僅有1.5%的核酸序列用于蛋白質編碼，其余的98.5%的序列為非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）[ 1 ]。

隨著研究的深入，ncRNA的功能越來越受到人們的重視。在ncRNA 調控中，短鏈非編碼RNA在基因組水平調控基因表達、介導mRNA降解，導致染色質結構改變，進而改變細胞命運。

長鏈非編碼RNA（lncRNA）是通過募集特定蛋白質或參與microRNA調控網絡等方式發揮不同的作用。并且，相關實驗數據顯示，lncRNA也可以調控機體的生長、發育等正常生理過程以及癌癥等病理過程。

在本篇綜述中，我們總結了最近的研究報告，試圖闡述人和動物中lncRNA的功能和其在表觀遺傳中的作用。

1 lncRNA的發現

RNA是具有高靈活性與準確性的信息編碼分子，具有容易激活、修飾、轉運和降解的特點。在分子生物學領域中，信使RNA（mRNA）的主要作用就是指導氨基酸組裝成蛋白質。然而，一些功能性的ncRNA，比如核糖體RNA（rRNA ）和轉運RNA（tRNA），其在蛋白質翻譯過程中的功能也不容忽視。

在真核生物中，除參與蛋白質翻譯過程的tRNA及rRNA這些功能性的ncRNA外，還存在著許多的不同長度的ncRNA。根據其大小可以將其分為很多類。

到現在為止，并不存在一個一致的標準來判定一個RNA分子是否屬于ncRNA。對于未知的RNA分子，分析其轉錄本的開放閱讀框（open reading frame，ORF）是被廣泛認可的區分編碼RNA和ncRNA的初級標準。

2002年，日本科學家在小鼠全長cDNA文庫大規模測序中首次提出lncRNA的概念。lncRNA是指核苷酸數大于200的非編碼RNA轉錄本[ 2 ]。lncRNA種類豐富，功能復雜，位于不同的亞細胞核區域，在不同物種間序列保守性低，有組織與發育階段特異性，同時又是具有快速進化潛力的ncRNA分子。lncRNA可轉錄自基因與非基因區域，包括基因的上游區域、基因間區域、基因內部內含子區域等。

現在，被認定的編碼lncRNA基因的數量遠比編碼蛋白質基因的數量要多。數據分析表明，在人類基因組中有9640多種lncRNA，其中僅有大約100種的功能被報道[ 3，4 ]。

2 lncRNA的功能

LncRNA起初被認為是沒有功能的轉錄垃圾。在經過大量研究論證后，大多數的lncRNA被確定是轉錄和翻譯過程中的關鍵調控因子，在細胞正常功能發揮中有著重要的影響。比如染色質重塑、轉錄及轉錄后調控、細胞內物質運輸、細胞核亞結構形成、干細胞多能性、體細胞重編程、發育調控、疾病發生等。在發揮這些功能時，lncRNA通過不同的作用途徑及方式實現基因表達的調控。包括順式調節與反式調節方式。另外，lncRNA可以借助蛋白質與microRNA網絡這兩種不同途徑來發揮具體的作用[ 5 ]。

LncRNA在機體發育分化進程中扮演著重要的角色。大腦發育過程中，神經細胞和神經膠質細胞分化時，lncRNA是動態表達的。

相關lncRNA基因的敲除會導致神經元的分化異常。這些lncRNA主要通過和SOX2、PRC2復合體組分（REST和SUZ12）互作發揮其功能。其表達的異常會導致細胞分化的命運從神經發生細胞轉變為膠質發生細胞。這些結果表明lncRNA在神經細胞命運決定過程中發揮著重要作用[ 5 ]。

最近，越來越多的證據證明lncRNA的突變和異常調節與許多復雜疾病的發展都有關，比如病毒感染、癌癥等。在病毒感染研究中beta2.7是一個受到較多關注的lncRNA。

通常，它可以特異地結合并抑制GRIM-19（gene associated with retinoid/interferon-induced mortality-19）在細胞內的重新定位。當細胞產生凋亡信號時，beta2.7對于穩定線粒體膜電位和線粒體ATP具有重要作用。過量表達beta2.7 RNA會降低活性氧產生，可抑制細胞凋亡，它也可以避免代謝功能異常，這對于病毒生命周期的完成很關鍵。

在牛皮癬患者表皮表達的lncRNA PRINS（Psoriasis susceptibility-related RNA Gene Induced by Stress），可以調控牛皮癬病變組織中抑制細胞凋亡的G1P3基因的表達。

Meg3（Maternally expressed 3）是人類細胞中長度大約為1.6kb的lncRNA。在垂體瘤中，Meg3 RNA的異位表達會抑制腫瘤細胞的生長。這些結果顯示，Meg3 RNA有抑制生長的作用。Meg3 RNA在不同的癌癥中，發揮著不同的作用。

例如，在腦膜瘤中，它可抑制DNA的合成和刺激p-53介導的轉錄激活途徑；在舌鱗狀細胞癌中，它是重要的腫瘤抑制因子，并且在患者的舌鱗狀細胞癌成層中表現出了潛在的預后生物標記物的特性。在前列腺癌中，lncRNA ANRIL（antisense non-coding RNA in the INK4 locus）的表達上調會導致腫瘤抑制子INK4a/p16和INK4b/p15的表達。

在乳腺癌、肝癌、胃腸癌和胰腺癌中，HOTAIR的表達上調與疾病不良預后相關；同時它也會增強癌細胞的侵染力和轉移力。

LncRNA PCAT-1為多梳抑制復合物（PRC2）的靶基因，在疾病進程中可以促進細胞的增殖。LncRNA在染色質重塑、轉錄、轉錄后調控中扮演著重要的角色。它們的錯誤表達會賦予腫瘤細胞發生、生長和新陳代謝的能力。

最近，研究者通過基因組計算分析確定了一個翻譯調控lncRNA（trlncRNA）。在一些臨床乳腺癌和淋巴結轉移樣本中發現trlncRNA的表達是上調的。

除此之外，trlncRNA會通過抑制上皮E-cadherin mRNA的翻譯從而使其表達下調。這或許可以解釋，在體內外實驗中發現的trlncRNA 的表達會刺激腫瘤的浸潤和轉移。

有報道稱，在尿道癌中，許多lncRNA的表達譜都不同。這些研究預示著，通過對lncRNA在特異表型中的表達及其潛在機制的研究，lncRNA可能將被作為癌癥的預后生物標記物[ 5 ]。

3 lncRNA與表觀遺傳的關系

染色質是細胞核的主要組分，由DNA和蛋白質組成。染色質在DNA的包裝、復制和基因表達中發揮著重要的作用。一般認為，表觀遺傳控制機制是在染色質水平的調節，是DNA的序列不發生改變，而基因表達卻發生變化的遺傳機制，表現在兩代不同個體擁有相同的基因組DNA序列但卻發生了可遺傳的變異。目前關于其調控機制的研究集中在DNA的共價修飾（如甲基化）、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA等。

在癌癥中，組蛋白修飾和DNA甲基化這兩種表觀遺傳調控機制會導致lncRNA表達的異常。正常的黑色素細胞、角質形成細胞和來源于黑色素瘤第一階段的細胞系中，可以轉錄抑癌lncRNA的13q14.3位點的甲基化水平很低。

然而，在第三階段或已轉移的黑色素瘤中，該位點上游的CpG島出現超甲基化現象。抑癌lncRNA 會因被甲基化而表達下調或沉默。然后，在癌變的過程中癌基因表達會上調[ 6 ]。使用DNA甲基化轉移酶（DNMT）抑制劑5-azadC處理超甲基化的lncRNA，該lncRNA在24-96 h內會被去甲基化而重新表達。

在結合使用組蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制劑治療后，超甲基化lncRNA 的表達會更加強。這些事實表明了在抑癌lncRNA 的沉默中，DNA甲基化與組蛋白修飾的相互協作。lncRNA在一些癌癥細胞中，可以通過調控一些關鍵基因來調整染色質的表觀遺傳結構。lncRNA基因通過miR-29調控meg3，并且在肝癌細胞中可調節相應的染色質結構。

另外，在前列腺腫瘤中，過表達的lncRNA是與染色質重塑蛋白（Bmi1、Ring2、Ezh2）一同作用的重要組分。在人類黑色素瘤細胞中，lncRNA所起到的表觀遺傳調控的重要性也有越來越多的證據支持[ 5，7，8 ]。

4 總結與展望

lncRNA種類復雜，功能繁多，目前僅確定了部分lncRNA的功能。表觀遺傳學是環境與遺傳相互作用的節點，在人類健康及科學研究中都有著重要的作用。

關于lncRNA是如何與蛋白質、染色質等相互作用的，一些特殊來源lncRNA 的功能是什么等問題仍是RNA研究領域的熱點。LncRNA與表觀遺傳學關系的研究，對于特定疾病的檢測、治療及預后提供了一種新的方法。然而，目前對于二者關系中關鍵節點及網絡的構建研究仍然處于初步階段，相關研究還有待進一步深入。

參考文獻：

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