蔡含芳，李明勛，陳 宏（西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌，712100）

綜 述

長(zhǎng)鏈非編碼RNA及其在家畜中的應(yīng)用與展望

蔡含芳，李明勛，陳 宏*
（西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌，712100）

在哺乳動(dòng)物基因組中，絕大多數(shù)被轉(zhuǎn)錄成為非編碼RNA （non-coding RNA，ncRNA），其中，長(zhǎng)鏈非編碼RNA （long non-coding RNA，lncRNA）是數(shù)目最多的，也是功能最復(fù)雜的一類(lèi)非編碼RNA。研究表明，長(zhǎng)鏈非編碼RNA可以從染色質(zhì)水平、轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平對(duì)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。長(zhǎng)鏈非編碼RNA在劑量補(bǔ)償效應(yīng)、基因組印記、細(xì)胞分化和組織形成等多個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。在此將著重介紹長(zhǎng)鏈非編碼RNA的概念、作用機(jī)制及其在家畜方面的應(yīng)用，最后對(duì)長(zhǎng)鏈非編碼RNA在家畜育種方面的應(yīng)用進(jìn)行展望。

長(zhǎng)鏈非編碼RNA；生物學(xué)功能；家畜；應(yīng)用；展望

近幾年，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，非編碼RNA的研究也取得了巨大的進(jìn)展，這些曾經(jīng)一度被認(rèn)為是基因組在進(jìn)化過(guò)程中累積的無(wú)功能的“垃圾序列”也逐漸被揭開(kāi)“神秘面紗”，其中包括大量的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，它們參與細(xì)胞分化和個(gè)體發(fā)育等重要生命過(guò)程。在本文中，我們將簡(jiǎn)單介紹長(zhǎng)鏈非編碼RNA的概念及分類(lèi)，然后綜述它們?cè)诙喾N生理過(guò)程中的功能及其分子機(jī)制，最后總結(jié)出長(zhǎng)鏈非編碼RNA在家畜育種研究中的進(jìn)展以及未來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)。

1　長(zhǎng)鏈非編碼RNA的簡(jiǎn)介

在龐大的哺乳動(dòng)物基因組中，75%能夠被轉(zhuǎn)錄，而只有2%具有編碼蛋白的能力，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄本不能編碼蛋白，稱(chēng)為非編碼RNA （non-coding RNA，ncRNA）［1，2］，包括短鏈非編碼RNA （Small ncRNA）和長(zhǎng)鏈非編碼RNA，短鏈非編碼RNA指的是片段小于200bp的非編碼RNA，包括轉(zhuǎn)運(yùn)RNA （transfer RNA，tRNA），核糖體RNA （ribosomal RNA，rRNA），核內(nèi)小RNA （small nuclear RNA，snRNA），核仁小分子RNA （small nucleolar RNA，snoRNA），microRNA，小干擾RNA （small interference RNA，siRNA）和Piwi蛋白互作RNA （Piwi-interacting RNA，piRNA）［37］。長(zhǎng)鏈非編碼RNA指的是片段大于200bp，沒(méi)有或少有編碼能力的非編碼RNA。這類(lèi)非編碼RNA是數(shù)目最多的，也是功能最復(fù)雜的［8］。

自長(zhǎng)鏈非編碼RNA的概念被第一次提出之后［9］，已有15，000多個(gè)長(zhǎng)鏈非編碼RNA被鑒定。大多數(shù)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA是由RNA聚合酶I I轉(zhuǎn)錄而來(lái)，并且同mRNA一樣，具有多聚腺苷酸尾（polyA），5'端的帽子結(jié)構(gòu)以及可變剪切位點(diǎn)［10，11］。而由RNA聚合酶I I I轉(zhuǎn)錄而來(lái)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA是不具有polyA尾結(jié)構(gòu)的［12，13］。根據(jù)長(zhǎng)鏈非編碼RNA在基因組中與鄰近基因的相對(duì)位置，可以將其分為5類(lèi)：同義長(zhǎng)鏈非編碼RNA，即與同一鏈（正義鏈）上另一轉(zhuǎn)錄物的一個(gè)或多個(gè)外顯子相重疊；反義RNA，即與另一鏈（反義鏈）上的轉(zhuǎn)錄物外顯子相重疊；雙向長(zhǎng)鏈非編碼RNA，即長(zhǎng)鏈非編碼RNA的表達(dá)起始位點(diǎn)與其互補(bǔ)鏈上向兩邊編碼轉(zhuǎn)錄物的表達(dá)起始點(diǎn)十分靠近；內(nèi)含子長(zhǎng)鏈非編碼RNA，即完全來(lái)源于另一轉(zhuǎn)錄物的一個(gè)內(nèi)含子的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，基因間長(zhǎng)鏈非編碼RNA，即由兩個(gè)基因的間隔區(qū)序列轉(zhuǎn)錄而來(lái)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA［14］。

2　長(zhǎng)鏈非編碼RNA的作用機(jī)制

不同于micro RNA或是編碼蛋白的基因，長(zhǎng)鏈非編碼RNA的一個(gè)重要作用機(jī)制就是能夠調(diào)控鄰近的編碼蛋白的基因的表達(dá)，被稱(chēng)為“trans”效應(yīng)［15］。正是由于這種作用方式，才使得長(zhǎng)鏈非編碼RNA在染色質(zhì)重塑、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的方面發(fā)揮著重要作用。

2.1長(zhǎng)鏈非編碼RNA與染色質(zhì)重塑

長(zhǎng)鏈非編碼RNA對(duì)染色體修飾的調(diào)控主要表現(xiàn)為它能夠影響基因組特定位點(diǎn)對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合物的募集。例如，同源異型框基因反義基因間RNA （HOX antisense intergenic RNA，HOTAIR）是由同源異型框基因C（Homeobox C，HOXC）位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄得到，它能夠募集多梳抑制復(fù)合體2（Polycomb repressive complex 2，PRC2），反式作用于HOXD位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄，從而抑制基因的表達(dá)［16］。長(zhǎng)鏈非編碼RNA的這種作用機(jī)制能夠引起表觀表型的改變，例如基因印記。X染色體特異性失活轉(zhuǎn)錄物（X inactivation-specific transcription，Xist）是一種被人們所熟知長(zhǎng)鏈非編碼RNA，該基因5'端的重復(fù)A（Re-pA）位點(diǎn)募集PRC2復(fù)合物，導(dǎo)致大量的組蛋白甲基化，從而沉默一條X染色體，維持劑量補(bǔ)償效應(yīng)［17］。

2.2長(zhǎng)鏈非編碼RNA與轉(zhuǎn)錄調(diào)控

大量的長(zhǎng)鏈非編碼RNA能夠從基因的增強(qiáng)子區(qū)和啟動(dòng)子區(qū)轉(zhuǎn)錄而來(lái)，從而這些長(zhǎng)鏈非編碼RNA參與基因的調(diào)控，它們能夠影響RNA結(jié)合蛋白的作用。例如，細(xì)胞周期蛋白1的5'端上游能夠轉(zhuǎn)錄一種長(zhǎng)鏈非編碼RNA，它能夠作用于并影響RNA結(jié)合蛋白脂肪肉瘤轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（translocated in liposarcoma，TLS）的活性，從而抑制CREP結(jié)合蛋白和p300的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，從而抑制周期蛋白1的表達(dá)［18］。另一方面，一些長(zhǎng)鏈非編碼RNA能夠影響轉(zhuǎn)錄因子的活性。在小鼠的細(xì)胞中，Evf2是從超保守增強(qiáng)子區(qū)域轉(zhuǎn)錄而成的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，它能夠影響該增強(qiáng)子與同源轉(zhuǎn)錄因子DLX2的結(jié)合及其活性，進(jìn)而影響毗鄰的編碼蛋白基因的表達(dá)［19］。此外，長(zhǎng)鏈非編碼RNA能夠影響RNA聚合酶I I的活性，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄，如人類(lèi)的二氫葉酸還原酶上游轉(zhuǎn)錄的長(zhǎng)鏈非編碼RNA DH-FR［20］。

2.3長(zhǎng)鏈非編碼RNA與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控

長(zhǎng)鏈非編碼RNA能夠識(shí)別與其序列互補(bǔ)配對(duì)的mRNA序列，與mRNA特異性的結(jié)合，從而參與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的多個(gè)過(guò)程，如mRNA剪接、mRNA降解、mRNA編輯以及運(yùn)輸?shù)取Ｔ诓溉閯?dòng)物基因組中，眾多基因的反義轉(zhuǎn)錄本能夠發(fā)揮這一作用。肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄物11（Metastasis-associated in lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1）的長(zhǎng)鏈非編碼RNA已被發(fā)現(xiàn)在多種癌癥中異常表達(dá)，它能夠與絲氨酸/精氨酸（Serine/arginine，SR）剪接因子相互作用，并調(diào)控剪接因子在剪接斑點(diǎn)中的分布和磷酸化水平，從而改變mRNA前體的選擇性剪接模式［21］。另有研究表明，RNA結(jié)合蛋白Stau1（Staufen1）可以介導(dǎo)mRNA的降解［22］。而一種被稱(chēng)為半Stau結(jié)合位點(diǎn)RNA（Half-Stau1-binding site RNA，1/2-sbsRNA）的長(zhǎng)鏈非編碼RNA通過(guò)與mRNA的3'UTR的Alu原件的不完全配對(duì)，形成Stau1結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)Stau1與mRNA結(jié)合，導(dǎo)致mRNA降解［23］，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄。此外，研究表明長(zhǎng)鏈非編碼RNA能夠與內(nèi)源性的siRNA相互作用，從而參與RNA的沉默途徑［24］。

作為功能最復(fù)雜的非編碼RNA，眾多長(zhǎng)鏈非編碼RNA的功能及其作用機(jī)制有待進(jìn)一步的研究。

3　長(zhǎng)鏈非編碼RNA在家畜方面的應(yīng)用

近幾年，隨著二代測(cè)序技術(shù)以及長(zhǎng)鏈非編碼RNA研究技術(shù)的發(fā)展，其在家畜方面的研究也取得了一些進(jìn)展，但仍處于起步階段。2013年Weikard等利用RNA深度測(cè)序，發(fā)現(xiàn)牛皮膚組織中存在4848個(gè)潛在的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，其中4365個(gè)是位于基因間區(qū)的［25］。2011年Esteve-Codina等利用RNA-seq的方法，鑒定伊比利亞公豬和大白豬的公豬的性腺轉(zhuǎn)錄組，發(fā)現(xiàn)了2047個(gè)潛在的長(zhǎng)鏈非編碼RNA與精子發(fā)生或與脂質(zhì)代謝相關(guān)，其中有469個(gè)是與人類(lèi)同源的［26］。近期，Huang等利用已公布的牛特定的表達(dá)序列標(biāo)簽，在405個(gè)基因間隔區(qū)篩選了449種長(zhǎng)鏈非編碼RNA，通過(guò)特征分析結(jié)果表明這些長(zhǎng)鏈非編碼RNA一般以組織特異性方式表達(dá)，其G C含量高于隨機(jī)選擇的基因間序列，但比蛋白編碼基因的低且在哺乳動(dòng)物中比較保守［27］。與此同時(shí)，Li等利用RNA-Seq技術(shù)和生物信息學(xué)分析，在雞基因組中鑒定了281種新的長(zhǎng)鏈非編碼RNA，這些長(zhǎng)鏈非編碼RNA與雞骨骼肌發(fā)育相關(guān)。與Huang等的結(jié)果一致，這些長(zhǎng)鏈非編碼RNA序列的保守性低于編碼基因的序列［28］。目前，長(zhǎng)鏈非編碼RNA在家畜育種及品種改良的研究當(dāng)中，取得了初步可觀的進(jìn)展，這些長(zhǎng)鏈非編碼RNA可作為可貴的遺傳資源，應(yīng)用到畜禽遺傳資源的開(kāi)發(fā)以及畜禽育種工程當(dāng)中。

4　展望

隨著越來(lái)越多的研究者將目光投向長(zhǎng)鏈非編碼RNA功能的研究，人們對(duì)于長(zhǎng)鏈非編碼RNA的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入。長(zhǎng)鏈非編碼RNA已經(jīng)被公認(rèn)為是基因調(diào)控大家族的新成員。長(zhǎng)鏈非編碼RNA因其在染色體重塑、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平重要的調(diào)控機(jī)制，使其參與一系列的生物過(guò)程，包括X染色體沉默、染色體修飾、基因轉(zhuǎn)錄、mRNA剪接、基因組印記、細(xì)胞分化和發(fā)育及疾病和癌癥發(fā)生等。目前，長(zhǎng)鏈非編碼RNA在醫(yī)學(xué)上的研究得到了快速的發(fā)展，解析出了長(zhǎng)鏈非編碼RNA對(duì)不同類(lèi)型細(xì)胞的分化以及個(gè)體發(fā)育的調(diào)控作用，發(fā)現(xiàn)了在病理過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的長(zhǎng)鏈非編碼RNA基因，并研究了可能為人類(lèi)重大疾病的診斷和治療提供新的靶標(biāo)和藥物分子的長(zhǎng)鏈非編碼RNA［29-30］。然而，相比之下長(zhǎng)鏈非編碼RNA在家畜上的研究仍處于初級(jí)階段，其功能與調(diào)控機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。通過(guò)建立RNA文庫(kù)，利用高通量測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)分析手段，預(yù)測(cè)非編碼RNA的序列和結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)更多新的長(zhǎng)鏈非編碼RNA；通過(guò)原位雜交技術(shù)、過(guò)表達(dá)技術(shù)、s i RNA介導(dǎo)基因沉默等技術(shù)來(lái)研究長(zhǎng)鏈非編碼RNA的功能；利用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù) （Chromatin Immunoprecipitation，CHIP），RNA免疫沉淀技術(shù)（RNA immunoprecipitation，RIP）和雙熒光素酶報(bào)告系統(tǒng)等研究長(zhǎng)鏈非編碼RNA的作用機(jī)制，這是家畜上一般的研究長(zhǎng)鏈非編碼RNA對(duì)生長(zhǎng)或經(jīng)濟(jì)性狀的調(diào)控作用機(jī)理的方法。與編碼蛋白基因和m i c r o RNA相同，利用現(xiàn)代生物技術(shù)方法和手段，長(zhǎng)鏈非編碼RNA同樣可以作為改良動(dòng)物性狀和生長(zhǎng)的靶點(diǎn)或外源產(chǎn)物。因此，揭示與重要經(jīng)濟(jì)性狀或是生長(zhǎng)性狀相關(guān)的關(guān)鍵長(zhǎng)鏈非編碼RNA，為加快家畜生長(zhǎng)性狀改良，加快家畜育種進(jìn)程提供有力的理論基礎(chǔ)。

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The Biological Function of Long non-coding RNA and Its Application and Prospect in Domestic Animals

CAI Han-fang，LI Ming-xun，CHEN Hong*
（College of Animal Science and Technology，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi，712100，China）

Most of the mammalian genome is transcribed as non-coding RNA （non-coding RNA， ncRNA）.Among them，long non-coding RNA（long non-coding RNA，lncRNA）is the most predominant and the most complicated.Previous researches have suggested that lncRNA regulates gene expression at the levels of chromatin modification，transcription and post-transcriptional processing.lncRNA plays an essential role in dosage compensation，genomic imprinting，cell differentiation and histogenesis.This paper reviewed the definition，biological function of lncRNA and its current application and prospect in domestic animals

long non-coding RNA；biological function；domestic animal；application；prosp ect

S

A

1001-9111（2015）

2015-03-11 修改日期：2015-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.31272408），國(guó)家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（編號(hào)：CARS-38），陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（No.2015KTCL 02-08，2014KTZB 02-02-02-02），國(guó)家發(fā)改委生物育種能力建設(shè)與產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)（2014-2573）。資助。

蔡含芳（1990-），女，河南人，在讀博士，研究方向：生物技術(shù)與動(dòng)物育種。

陳宏（1955-），男，陜西西安人，博士，教授，研究方向：生物技術(shù)與動(dòng)物育種。