lncRNA究竟是大腕还是龙套：解读lncRNA

概述

随着技术的发展，我们对RNA的认识不断加深：全基因组只有2%左右为编码蛋白的mRNA，而不能编码蛋白的lncRNA（longnoncoding RNA）则具有重要的功能调节意义。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%），它们是长度超过200nt的RNA，虽然本身并不编码蛋白，却以RNA的形式参与了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，从而发挥其生物学功能。

lncRNA通常长度在200-100000 nt，具有mRNA样结构，经过剪接，具有5’帽子和polyA尾巴结构，分化过程中有动态的表达与不同的剪接方式。

作用机制

相对于小分子ncRNA而言，lncRNA具有相对较长的核苷酸链，其分子内部具有特定而又复杂的二级空间结构，能提供与蛋白质结合的多个位点，或与DNA、RNA之间通过碱基互补配对原则发生特异性动态性相互作用，形成由lncRNA参与的复杂精确而微妙的基因表达调控网络。

研究表明：lncRNA可作为人类基因组中一类非常重要的表观遗传调控因子，通过表观遗传转录调控以及转录后调控等多种机制调控DNA甲基化组蛋白修饰或染色质重构，使基因沉默或激活。也可以作为一种竞争性内源性RNA( competingendogenousRNA，ceRNA) 与miRNA相互作用，参与靶基因的表达调控，并在肿瘤的发生发展中发挥重要的作用。其主要通过以下4种作用方式发挥其生物学功能：

1. lncRNA可担任信号分子角色；

当细胞受到特定刺激后，能够表现出相应的组织特异性，并具有作为生物标记物的潜力。通过显微镜发现，X染色体特异性失活转录物Xist( Xin-activation-specifictranscript) ，lncRNA的荧光原位杂交信号几乎覆盖了整个X染色体。

2.引导型lncRNA通过与DNA或者蛋白质结合，可将特定的复合体引导到正确的染色体位置上；

例如位于HOXA基因簇的5'端启动子区域的lncRNAHOTTIP，能够增强HOXA的转录。HOTTIP通过染色质缠绕接近其目标基因，并与MLL( mixedlineageleukemia) 接头蛋白WDR5复合体结合，使WDR5/MLL复合体到达HOXA基因，进一步改变甲基化情况来达到增强组蛋白H3赖氨酸-4的三甲基化( H3K4me3) ，即: lncRNAHOTTIP相当于起到类增强子的作用，促进了下游HOXA基因的转录。

3. lncRNA还可作为分子诱饵来诱导特定蛋白( 如转录因子) 并与之结合，该作用能使其序列下游的反应受到阻碍；

例如DNA损伤活化P21相关非编码RNA( P21associated ncRNA DNA damage activated，PANDA) 与 核 转 录 因 子Y-( nucleartranscriptionfactor Y-，NFYA) 结合后，可抑制促凋亡基因的表达。

4.lncRNA可以作为蛋白质复合物的骨架把两个表观修饰的酶联合在一起。

例如同源异形盒基因转录的反义RNA( Hox transcript antisenseRNA，HOTAIR) 能够将甲基化酶和去甲基化酶联合起来，从而动态控制与发育和疾病有关的基因的表达变化。

研究思路

通过Microarrayor Sequencing，找到样本间或者组间差异表达的lncRNA，对其进行qPCR验证，然后可进行lncRNA生物标记物研究或者lncRNA功能研究。

应用领域

1.与生物学过程相关

lncRNA的表达不仅具有细胞型和组织特异性，一些lncRNA 还在真核生物发育过程的特定阶段表达。对线虫和果蝇发育过程中长链非编码 RNA 的表达研究发现, 这类 RNA 分子呈现出动态的表达变化, 多数长链非编码RNA 具有精确的时间和空间表达模式, 有的表达模式还保守地存在不同种的果蝇中。原位杂交分析中发现, 在黑腹果蝇的胚胎发育过程中高表达的33个 mRNA-like lncRNA, 有16个仅在中枢或者外周神经系统中得到表达。

2.与疾病相关

研究发现，lncRNA 的表达或功能异常与人类疾病的发生密切相关，其中就包括癌症、退行性神经疾病在内的多种严重危害人类健康的重大疾病，具体表现为长链非编码 RNA 在序列和空间结构上的异常、表达水平的异常、与结合蛋白相互作用的异常等。

lncRNA与miRNA之间可通过相互调控作用来影响肿瘤的形成和进展

由于多数lncRNA的结构与mRNA具有一定的相似性，提示miRNA可能通过类似于mRNA的作用机制负向调控lncRNA的表达，进而发挥一系列生物学作用。

人类白血病细胞中存在一种能转录出多种lncRNA的极度保守区域( ultraconservedregion，UCR)，而这些lncRNA的表达水平与13个miRNA的表达明显呈负相关。通过序列比对分析这13个miRNA发现，其中5个miRNA( miR-24 miR-155 miR-233 miR-146a miR-29b) 与UCR转录出来的lncRNA存在明显的种子区匹配。当将潜在匹配序列克隆入荧光素酶基因的3'-UTR后，荧光素酶报告基因实验证实miR-155 miR-24和miR-29b确实对这些lncRNA具有调控作用。之后对miR-155进行进一步验证发现，当miR-155在MEGO1白血病细胞株中过表达时，目的lncRNA的表达水平明显下降；反之，当降低miR-155表达时，目的lncRNA的表达明显升高。

此外，miRNA不仅能负向调控特异性lncRNA的表达，同时也能促进特异lncRNA的表达。

通过使用lncRNA芯片来对比肝癌细胞株和人肝细胞的lncRNA表达水平，检测出具有抑癌活性的母本印迹表达基因3( maternallyexpressedgene3，MEG3) 在肝癌细胞中表达显著下调。并发现该类细胞 中DNA 甲基化酶( DNAmethyltransferase，DNMT) 1和DNMT-3B的表达水平较高。进一步研究发现，MEG3基因启动子区发生高度甲基化，当用siRNA技术降低肝癌细胞株中DNMT-1和DNMT-3B的表达后，MEG3的水平显著升高，从而抑制肝癌细胞增殖和促进细胞凋亡。另外，通过体内实验发现，在miR-29a敲除的转基因小鼠中，肝脏组织中MEG3的鼠类同系物的表达水平明显低于野生型小鼠，进一步证实miR-29a对MEG3的正向调控作用。