王康巖，凌英會，章孝榮*

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，合肥 230036； 2.安徽地方畜禽遺傳資源保護與生物育種省級實驗室，合肥 230036)

長鏈非編碼RNA與動物的基因表達調(diào)控

王康巖1，2，凌英會1，2，章孝榮1，2*

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，合肥 230036； 2.安徽地方畜禽遺傳資源保護與生物育種省級實驗室，合肥 230036)

長鏈非編碼RNA(Long noncoding RNA，lncRNA)是一類長度超過200 nt的非編碼RNA，沒有完整的開放閱讀框，不具備編碼蛋白質(zhì)的能力。但是最近的研究表明，lncRNA參與機體內(nèi)許多重要的生理過程，如基因印記、X染色體失活等。其調(diào)節(jié)作用主要是通過DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等方式影響基因的表達。同時lncRNA在疾病的發(fā)生與發(fā)展過程中影響重大，對疾病的診斷與治療有重要的意義。因此，本文從lncRNA的生物學(xué)特性、lncRNA在表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄后水平、在干細胞中的作用以及在疾病上的研究內(nèi)容進行總結(jié)分析，闡述lncRNA的研究進展，為進一步研究lncRNA參與調(diào)控機體內(nèi)生理過程的作用機制提供參考。

lncRNA；表觀遺傳；ncRNA；基因印記；DNA甲基化；組蛋白修飾

根據(jù)經(jīng)典的中心法則，RNA經(jīng)常被認為是連接DNA和蛋白質(zhì)的橋梁。隨著眾多DNA高通量測序技術(shù)的發(fā)展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有2%的基因是能夠被翻譯成蛋白質(zhì)，其中90%以上是被轉(zhuǎn)錄成非編碼RNA(ncRNA)[1]，在生物體內(nèi)形成強大的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)眾多的生物學(xué)過程。ncRNA根據(jù)長度的大小可以分為miRNA、siRNA、piRNA等，被證實扮演著眾多的角色，如轉(zhuǎn)錄的調(diào)控、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的控制、異染色質(zhì)的形成和在蛋白質(zhì)組學(xué)中的影響等[2]。還有一些功能性的RNA，如rRNA、tRNA等。隨著對全基因轉(zhuǎn)錄組的深入研究，發(fā)現(xiàn)了長度超過200 nt的長鏈非編碼RNA(Long noncoding RNA，lncRNA)。一度被認為是轉(zhuǎn)錄“噪音”的lncRNA，雖然不具有開放的閱讀框，沒有編碼蛋白的能力[3]，但它們的作用是不可替代的。第一次在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的lncRNA是1998年在小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的Human homologue 19(H19)[4]。在接下來的20年里，更多的lncRNA基因被發(fā)現(xiàn)，它們影響著眾多的生物學(xué)過程，包括在X染色體失活、劑量補償效應(yīng)、基因印記等方面，同時lncRNA的異常表達與多種癌癥的發(fā)生也有密切的聯(lián)系。

盡管lncRNA在生物體內(nèi)廣泛分布，但是其功能機制的研究尚需完善。鑒于此，人們有必要深入研究lncRNA在生物體內(nèi)基因表達調(diào)控方面的作用機理。本文主要從lncRNA在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控作用、在干細胞的多能性的維持以及與疾病過程中的基因調(diào)節(jié)等方面進行闡述，為今后lncRNA更深入的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 lncRNA的生物學(xué)特性

lncRNA跟mRNA相似，大多數(shù)的lncRNA都是由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄而來的，也是經(jīng)過拼接，有帽子結(jié)構(gòu)和多聚腺苷酸尾巴，但與mRNA相比其缺乏完整的開放閱讀框[5]，與mRNA主要分布在細胞質(zhì)中不同，其主要分布在細胞核中[6]。表達具有時空特異性，同時在物種之間具有低保守性。雖然被稱作轉(zhuǎn)錄的“暗物質(zhì)”，但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)lncRNA發(fā)揮著重要的作用，不僅僅是其一級結(jié)構(gòu)，lncRNA的二級結(jié)構(gòu)同樣能夠發(fā)揮重要的作用，如lncRNA Mistral的3′端區(qū)域可以形成一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)，被稱作激活劑結(jié)合區(qū)域，用來結(jié)合MLL1的SET區(qū)域，這樣就可以結(jié)合ssDNA[7]。lncRNA可以通過“誘餌”(Decoy)、腳手架(Scaffold)和指導(dǎo)(Guide)而發(fā)揮作用，這可以為許多的功能提供解釋，同時也可以為預(yù)測lncRNA的功能提供依據(jù)。lncRNA的來源有5種形式：(1)編碼蛋白質(zhì)的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生中斷轉(zhuǎn)變而來的lncRNA；(2)染色質(zhì)重組的結(jié)局，也就是兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一個獨立的基因并排重組產(chǎn)生的lncRNA；(3)非編碼基因復(fù)制過程中的反移位產(chǎn)物；(4)局部的串聯(lián)重復(fù)序列也可能會產(chǎn)生一個新的lncRNA，這一現(xiàn)象可以在Kcnqlot1和Xist的轉(zhuǎn)錄子的5′區(qū)域里觀察到；(5)基因組中插入一個轉(zhuǎn)座成分而產(chǎn)生有功能的非編碼RNA[8]。雖然現(xiàn)在對lncRNA還沒有統(tǒng)一的定義，但是根據(jù)lncRNA編碼序列與蛋白質(zhì)編碼基因的相對位置大致可以將lncRNA分成5種類型：(1)正義鏈lncRNA；(2)反義鏈lncRNA；(3)雙向轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的lncRNA；(4)內(nèi)含子lncRNA；(5)基因間lncRNA，即lincRNA。研究發(fā)現(xiàn)，在人類和其他哺乳動物中能夠編碼數(shù)千種lncRNA[5]。既然有這么多的lncRNA，那么它們在基因表達調(diào)節(jié)中具體能發(fā)揮哪些作用？

2 lncRNA的生物學(xué)功能

2.1 lncRNA在表觀遺傳方面的基因調(diào)控

經(jīng)典遺傳學(xué)認為，核酸是遺傳的分子基礎(chǔ)，生命的遺傳信息儲存在核酸的堿基序列中。雖然每個個體內(nèi)所有細胞都含有相同的遺傳信息，但由于表達模式的不同，這些細胞經(jīng)過分化后成了具有不同功能和形態(tài)的細胞，從而形成不同的組織和器官。DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達發(fā)生可遺傳的改變，被定義為表觀遺傳現(xiàn)象。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等過程。在哺乳動物中DNA甲基化發(fā)生在CpG島中的胞嘧啶上，是影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的DNA化學(xué)修飾。根據(jù)lncRNA調(diào)控靶基因的相對位置關(guān)系將其作用方式分為順式和反式兩種，通過對一些染色質(zhì)修飾復(fù)合物的招募發(fā)揮作用。那些被招募的組蛋白修飾復(fù)合物具有識別(Read)，添加(Write)，轉(zhuǎn)移(Erase)或者替換功能。其中具有“添加”功能的包括EZH2，它是PRC2的催化亞單位，是H3K27三甲基化所必需的，甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 能夠催化H3K9的二甲基化或者三甲基化[9]?！癊rasers”如脫甲基酶LSD1，特異性轉(zhuǎn)移組蛋白標記[10]?！癛eaders”的功能是作為“翻譯器”，也可以識別特異的組蛋白標記然后將這些信息轉(zhuǎn)換成基因組的反應(yīng)[11]。然而這些染色體修飾酶如何識別、結(jié)合它們的目標區(qū)域仍然需要繼續(xù)探索。

lncRNA參與基因印記和X染色體失活現(xiàn)象[12]。在參與調(diào)控劑量補償效應(yīng)的lncRNA中，研究最為深入的是Xist，其發(fā)現(xiàn)于1991年，在X染色體失活中扮演重要的角色，是理解lncRNA參與表觀遺傳調(diào)控的重要模型[13]。現(xiàn)在普遍被接受的是Xist能夠沉默X染色體上數(shù)百種的基因。Xist通過覆蓋在X染色體上介導(dǎo)基因的失活，這其中需要轉(zhuǎn)錄因子Ying Yang 1(YY1)的幫助，YY1構(gòu)建了連接lncRNA和染色體的橋梁[14]，RepC在其中起到了關(guān)鍵性的作用。許多l(xiāng)ncRNA的功能區(qū)域來源于重復(fù)序列，另一種lncRNA Tsix轉(zhuǎn)錄自活化的X染色體，它能夠防止另一種重復(fù)序列RepA結(jié)合任何一個X染色體，Xist RNA的5′端的一種低拷貝的重復(fù)序列RepA，RepA能夠招募EZH2、SUZ12和EED(都是PRC2的組成部分)，然后結(jié)合于Xist基因轉(zhuǎn)錄位點附近，參與Xist基因啟動子區(qū)域的H3K27me3，該甲基化方式可促進Xist基因的大量表達，在X染色體失活中心結(jié)合到任何一條X染色體從而起始X染色體的失活[15]。上述提到的重復(fù)序列普遍存在，如SINEs和Alu，其能夠識別并介導(dǎo)mRNA的翻譯或者衰減。

所以，在活化的X染色體上，Tsix能夠阻止Xist轉(zhuǎn)錄生成，從而可以維持X染色體的活化狀態(tài)。Tsix可以通過多種方式調(diào)控Xist。Tsix使X染色體配對協(xié)調(diào)從而在Xist基因座產(chǎn)生表觀遺傳的不對稱性[16]，它也可以通過招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmt3a)從而沉默Xist。同時Tsix可以和Xist競爭PRC2，Xist 另一個影響因子是Jpx。敲除Jpx會影響Xist的活性[17]，同時也會影響Xist的上調(diào)表達以及在雌性ES細胞分化期間覆蓋在X染色體上，然而對于雄性的細胞沒有影響。奇怪的是，在雌性ES細胞Jpx單個復(fù)制的消除并不會導(dǎo)致野生型染色體的優(yōu)先失活[18]。在沒有Xist上調(diào)表達的情況下，Jpx在雄性ES細胞分化期間上調(diào)表達，這表明不止Jpx在發(fā)揮作用[19]。另一個與X染色體失活相關(guān)的lncRNA是Rsx，它與Xist相似，覆蓋在其轉(zhuǎn)錄的X染色體上，通過順式作用沉默X染色體上的基因[20]。該結(jié)果證明了不止一種lncRNA參與X染色體的失活效應(yīng)。另一個表觀遺傳現(xiàn)象也是利用lncRNA調(diào)控基因表達的，被稱為基因印記。有多種lncRNAs在調(diào)節(jié)臨近的印記基因的表達中扮演重要的角色[21]。如Air、Kcnq1ot1等，Air轉(zhuǎn)錄單元起始于小鼠第17號染色體上的Igf2r基因的第2個內(nèi)含子。Air可以招募G9a(H3K9組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶)定位于染色體上順式沉默3個印記基因：Slc22a3、Slc22a2和Igf2r[22]。與Air相似的是，Kcnq1ot1也能夠通過招募G9a、PRC2、和Dnmt1，然后順式調(diào)節(jié)Kcnq1及其鄰近基因的表達[23]。

lncRNA除了順式作用直接調(diào)節(jié)目標基因的表達外，還可以通過反式作用發(fā)揮作用。如HOTAIR通過反式作用調(diào)控Hox基因的表達。Hox基因在動物胚胎早期發(fā)育中對細胞的分化至關(guān)重要。哺乳動物中有39種Hox基因，它們分布在4種染色體區(qū)域(HoxA to HoxD)。Hox基因?qū)τ趧游锏纳L發(fā)育和細胞命運的決定都至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)Hox基因簇能夠編碼上百個lncRNA。這些lncRNA有的能夠調(diào)控Hox基因的表達。J.L.Rinn等發(fā)現(xiàn)HOTAIR可以通過反式作用抑制HoxD基因的表達，HOTAIR可以作為組蛋白修飾復(fù)合物的腳手架(Scaffold)，通過對PRC2、LSD1和CoREST/REST的招募，調(diào)節(jié)人類HoxD基因的表達[24]，其5′端區(qū)域結(jié)合PRC2而其3′端區(qū)域則結(jié)合LSD1[25]催化H3K4的脫甲基，引導(dǎo)它們?nèi)ヌ禺愋缘膮^(qū)域從而恢復(fù)組蛋白H3K4me2的活性，而使H3K27甲基化處于抑制狀態(tài)。然而在小鼠體內(nèi)HOTAIR并不能調(diào)控HoxD基因的表達，這表明HOTAIR在人和小鼠體內(nèi)的功能是有差別的[20]。最近的研究表明lncRNA可能首先結(jié)合染色質(zhì)，然后作為其他修飾復(fù)合物的“船塢”，發(fā)現(xiàn)HOTAIR就先于其蛋白結(jié)合伴侶PRC2而結(jié)合于染色質(zhì)上[26]。除了抑制作用同樣有促進作用，如HOTTIP和Mistral。HOTTIP能夠招募WDR5-MLL1去抑制H3K27me3，但是可以促進H3K4me3，所以HOTTIP能夠維持HoxA基因簇的活性，Mistral也是通過相同的方式調(diào)控目的基因[27]。另外，eRNAs也有相似的機制促進基因的表達[28]，ecRNAs同樣通過“捕獲”DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DMNT1)抑制DNA甲基化從而維持染色體的激活狀態(tài)[29]。

表1 lncRNA的作用方式

Table 1 Model of action of the lncRNAs

lncRNA作用方式ModelofactionRepA,Xist,Tsix(Cis-tether)Gtl2,Kcnq1ot1,Airn,Hottip,ANRIL,Oct4-ps5,COLDAIR,Evf2,BDNF-AS(Cis-targeting)順式作用(Cis)pRNA,asOct4-ps5(trans-targeting)反式作用(Trans)Xite,ncRNA-a7,eRNAs(Enhancer)順式作用(Cis)PTEN-ps,Tsix(Decoy)反式,順式(Trans,cis)MALAT1,TUG1,NEAT1,HOTAIR,roX1,roX2(Scaffold)反式作用(Trans)TLS(Allostericmodification)NDSRA,SINEB2,Jpx,pRNA(Coactivatororco-repressor)ND

ND.不確定

ND.Not determined

2.2 lncRNA在轉(zhuǎn)錄水平基因表達調(diào)控的作用研究

研究證明lncRNAs可以在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因的表達。在生物體中轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)是基因表達調(diào)控最重要的環(huán)節(jié)。lncRNA可以通過多種方式調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，包括通過對轉(zhuǎn)錄因子的募集和調(diào)節(jié)以及調(diào)節(jié)RNA聚合酶II的活性和轉(zhuǎn)錄干擾。例如，lncRNA CRG通過招募RNA聚合酶II到CASK上游啟動子區(qū)域，從而調(diào)節(jié)CASK基因的表達[30]。P-TEFb在RNAPII轉(zhuǎn)錄過程中必需的蛋白激酶，研究表明，7SK RNA通過與HEXIM1及LARP7蛋白結(jié)合從而抑制P-TEFb的活性[31]。轉(zhuǎn)錄因子是一種能夠與DNA序列特異性結(jié)合的蛋白，它們具有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和效應(yīng)結(jié)構(gòu)域等。研究發(fā)現(xiàn)一些lncRNA通過與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合而發(fā)揮作用。LncRNA PANDA可以通過與轉(zhuǎn)錄因子NF-YA結(jié)合，從而阻止促凋亡基因的表達進而影響細胞的周期[32]。lncRNA的轉(zhuǎn)錄對于臨近基因的表達也具有重要的調(diào)節(jié)作用。lncRNA基因Srg1位于其靶基因Ser3的上游，同時Srg1基因的3′端序列與Ser3基因啟動子重疊。當(dāng)過表達lncRNA時，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物通過占據(jù)轉(zhuǎn)錄起始因子與Ser3啟動子的結(jié)合空間，抑制靶基因的表達[33]。也有一些lncRNA對靶基因有增強作用，例如，DlX2在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中發(fā)揮重要的作用，由增強子轉(zhuǎn)錄而來的lncRNA Evf-2可以招募轉(zhuǎn)錄因子DlX2與增強子結(jié)合，從而激活臨近基因Dlx5/6的表達[34]。進一步的研究表明，Dlx2和MEFCP2這兩種不同的轉(zhuǎn)錄因子可以與lncRNA Evf-2結(jié)合而發(fā)揮相反的作用，可以推測出Evf-2 RNA可以同時招募抑制和活化的轉(zhuǎn)錄因子到增強子區(qū)域，從而發(fā)揮相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)[35]。在轉(zhuǎn)錄增強方面的研究很多，比如消除ncRNA-a1會降低aurora kinase A的表達，這個發(fā)現(xiàn)進一步表明lncRNA能夠通過順式或者是反式發(fā)揮作用。Six3OS由編碼轉(zhuǎn)錄組因子Six3同源域的基因遠端啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄而來。研究表明，SixOS直接與Ezh2和Eya家族成員結(jié)合，并間接將組蛋白修飾酶招募到Six3靶基因處。在Six3OS的調(diào)控下，Six3的活性發(fā)生了改變而表達并沒有改變，由此可見，lncRNA并不一定會改變目的基因的表達。一些lncRNA可以通過堿基互補配對的方式與靶基因的啟動子結(jié)合，形成穩(wěn)定的DNA-RNA三聯(lián)復(fù)合體，抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄。通過這種方式可以抑制TFIIB與人的二氫葉酸還原酶(DHFR)的啟動子結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄的發(fā)生[36]。lncRNA還能募集轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子到臨近的靶基因啟動子上，抑制靶基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA直接招募TLS到CCND1啟動子區(qū)域抑制基因的表達，從而開啟DNA損傷信號通路[37]。

2.3 lncRNA在轉(zhuǎn)錄后水平基因表達調(diào)控的作用研究

lncRNA也可以通過幾種方式參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄后的基因表達：(1)mRNA前體的剪切。MALAT1通過影響SR蛋白的分布從而對mRNA的前體進行剪切，MALAT1的衰減或者SR蛋白的過表達都會影響mRNA前體的選擇性剪切，這表明它們共用信號通路控制選擇性剪切。降低MALAT1的水平會提高SR蛋白的濃度和磷酸化，進而阻止SR蛋白在核散斑的積累。這些發(fā)現(xiàn)表明在核區(qū)域MALAT1調(diào)節(jié)SR蛋白的濃度從而達到理想的選擇性剪切[38]。來源于Prader-Willi syndrome(PWS)內(nèi)含子區(qū)域的5種Sno-lncRNA在人類胚胎干細胞中高表達，可以聯(lián)合Fox家族控制剪切[39]，然而來源于其他區(qū)域的Sno-lncRNA或者其他物種的還不是很清楚。(2)促進mRNA的衰減。如STAU1介導(dǎo)的mRNA的衰減(SMD)參與mRNA的衰減，細胞質(zhì)中1/2-sbsRNAs(Half-STAU1-binding site RNA)通過招募Staufen1蛋白與目的mRNA部分堿基互補配對從而促進mRNA的衰減[40]。(3)阻止mRNA的衰減。與促進mRNA的衰減不同，lncRNA與mRNA完全的堿基互補配對會保護mRNA的衰退。BACE1-AS的消減會減少神經(jīng)細胞以及小鼠腦中BACE1的mRNA和蛋白質(zhì)水平。相反的是BACE1-AS的引入會組織mRNA的消減。BACE1-AS會與BACE1的mRNA外顯子6形成完全的堿基互補配對而阻止其衰減。這個結(jié)合位點同樣也是miR-485-5p的結(jié)合位點。當(dāng)過表達miR-485-5P的時候會削弱BACE1 mRNA的穩(wěn)定性，但引入BACE1-AS則結(jié)果相反。這也從側(cè)面說明了上述結(jié)論[41]。(4)抑制mRNA的翻譯。最近的研究表明，lncRNA也參與蛋白質(zhì)的翻譯調(diào)控，如lincRNA-p21通過招募翻譯抑制因子Rck和Fmrp與目標mRNA部分互補而發(fā)揮抑制作用[42]；同時lncRNA的反義鏈與鼠的ubiquitin carboxy-terminal hydrolase L1(UCHL1)結(jié)合，可以提高UCHL1蛋白的表達量，它的活性取決于嵌入的SINEB2重復(fù)序列[43]。(5)mRNA轉(zhuǎn)錄的激活。AS Uchl1通過SINEB2序列與Uchl1 mRNA的5′端部分完全互補配對，這種結(jié)合方式可以促進核糖體到Uchl1 mRNA處提高其轉(zhuǎn)錄水平[43]。(6)與miRNA的關(guān)系。miRNA作為一類重要的調(diào)節(jié)因子，在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，可以通過與靶基因mRNA的3′端非編碼區(qū)域的結(jié)合，導(dǎo)致目標mRNA的降解或者翻譯的抑制。研究發(fā)現(xiàn)lncRNA與mRNA的結(jié)構(gòu)相似，這也就預(yù)示著lncRNA與miRNA可能有密切的聯(lián)系。lncRNA上有miRNA的結(jié)合位點，可以作為“海綿”吸附miRNA從而發(fā)揮作用，這種通過競爭miRNA結(jié)合位點的RNA被稱作“competing endogenous RNA”(ceRNA)[44]。Linc-MD1通過與miRNA競爭結(jié)合位點調(diào)控肌肉的增殖與分化，在小鼠和人的成肌細胞中l(wèi)inc-MD1能夠阻斷miR-133和miR-135的作用調(diào)控MAML1和MEF2C的mRNA的翻譯[45]。研究表明，linc-MD1的水平受到HuR蛋白的調(diào)控，通過與linc-MD1結(jié)合而使linc-MD1集聚，同時能夠防止Drosha酶對linc-MD1的剪切[46]。另外，miR-675能夠抑制多種細胞的增殖，包括胚胎干細胞、小鼠胚胎成纖維細胞以及小鼠的成肌細胞，lncRNA HcR和H19一起通過調(diào)控miR-675的產(chǎn)生進而影響胎盤的生長發(fā)育。

2.4 lncRNA在干細胞中的基因調(diào)控研究

胚胎干細胞的研究使人們重新認識了基因重組和細胞命運。其干性狀態(tài)的維持需要4種主要轉(zhuǎn)錄因子的精細調(diào)控[47]。許多l(xiāng)incRNA表現(xiàn)出組織特異性的表達模式，這也就表明其在細胞中發(fā)揮潛在的功能，如在表皮干細胞中表達的lncRNA Antidifferentiation noncoding RNA(ANCR)和terminal differentiation-induced noncoding RNA(TINCR)，其中ANCR抑制分化而TINCR則促進分化[48-49]。近期對lncRNAs在干細胞多能性維持方面的功能研究取得了一定進展。Guttman系統(tǒng)的通過慢病毒表達載體shRNA利用功能喪失去研究在小鼠胚胎干細胞中表達的147種lincRNA[50]。超過90%的lincRNAs敲除之后會嚴重影響胚胎干細胞中基因的表達。發(fā)現(xiàn)26種lincRNA參與胚胎干細胞多能性的維持，然而有30種lincRNA能夠抑制與分化有關(guān)基因的表達。這些lincRNAs的表達受到胚胎干細胞中轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)4種lincRNA的表達受到了轉(zhuǎn)錄因子Oct4和Nanog的調(diào)控[24]。為了研究lncRNA轉(zhuǎn)錄水平的降低是否與胚胎干細胞的多能性的改變有關(guān)，運用RNAi技術(shù)觀察AK028326和AK141205能否改變Oct4和NanogmRNA的水平。結(jié)果，AK028326的敲除導(dǎo)致Oct4以及Nanog的降低，敲除AK141205同樣會促進多能性的喪失。同時敲除AK028326和AK141205會影響細胞的增殖與形態(tài)學(xué)。過表達AK028326和AK141205會促進胚胎干細胞譜系定型細胞的分化[51]。隨著lncRNA各種強大功能的發(fā)現(xiàn)，它在成體細胞向誘導(dǎo)多能干細胞重編程中發(fā)揮重要作用。2006年，日本京都大學(xué)的一個研究小組篩選出了4個在胚胎干細胞或者腫瘤細胞中高度表達的基因轉(zhuǎn)錄因子(Oct4/Sox2/Klf4/c-Myc，OSKM)，并利用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體將這些因子轉(zhuǎn)染到小鼠成纖維細胞中，通過這些因子在受體細胞內(nèi)過量表達，誘導(dǎo)成纖維細胞去分化，使成體細胞重編程為多能干細胞，并將其定義為誘導(dǎo)多能干細胞(iPSCs)[52]。分子的重編程展示了細胞命運的可塑性。將已分化的細胞轉(zhuǎn)變成多能性的細胞為再生醫(yī)學(xué)提供了很多的可能性[53]。研究發(fā)現(xiàn)，通過對胚胎干細胞和iPS細胞中相同表達的lincRNAs，他們發(fā)現(xiàn)了28種lincRNAs在iPS細胞中特異性的富集，這些lincRNA受轉(zhuǎn)錄因子Sox2和Nanog的調(diào)控，間接證明了lincRNA參與iPS的形成，還有一些lincRNAs在iPSCs中上調(diào)表達，這表明它們可能在促進重編程過程中發(fā)揮重要的作用[54]；其中對lincRNA-RoR的研究發(fā)現(xiàn)，如果抑制其表達將損害iPS的形成，同時敲除OCT4將會引起lincRNA-RoR的劇烈變化，lincRNA-SFMBT2有著同樣的反應(yīng)，這表明它們在重編程中的作用。進一步的試驗證明，對于過表達lincRNA-RoR會提高獲得iPSCs的效率。為了解lincRNA-RoR在通路中的影響，采用微陣列來評估基因表達，發(fā)現(xiàn)敲除lincRNA-RoR會導(dǎo)致參與P53、氧化應(yīng)激、DNA損傷誘導(dǎo)以及凋亡通路基因的上調(diào)表達，表明lincRNA-RoR參與提高iPSCs的成活率[54]。研究已經(jīng)證明lincRNA參與細胞的重編程，但是想要了解其中機制還比較困難，其中一種猜想就是那些與多能性相關(guān)的lincRNA可能在一些染色體修飾復(fù)合物的協(xié)助下完成整個過程。研究發(fā)現(xiàn)一些lincRNA與染色質(zhì)修飾復(fù)合物聯(lián)系，有的是指導(dǎo)(Guide)還有作為腳手架(Scaffolds)對特定基因區(qū)域進行調(diào)控從而維持細胞的多能性。

2.5 lncRNA與疾病相關(guān)的基因調(diào)控研究

前面已經(jīng)闡述了許多l(xiāng)ncRNA的生物學(xué)功能。通過對基因表達的調(diào)控，lncRNA可以參與許多的生物學(xué)過程，包括細胞的增殖、細胞周期、細胞凋亡以及細胞分化。lncRNA的異常表達會導(dǎo)致許多的病理變化，包括各種癌癥的發(fā)生、心臟疾病和老年癡呆等。HOTAIR最近被發(fā)現(xiàn)跟腫瘤的新陳代謝有密切的關(guān)系[55]，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展、轉(zhuǎn)移及預(yù)后中發(fā)揮重要的作用。HOTAIR能夠招募PRC2在整個基因組中重新定位，進而能夠沉默、轉(zhuǎn)移、抑制相關(guān)基因的表達[55]；BANCR敲除后黑色素瘤細胞的轉(zhuǎn)移能力明顯降低，因此BANCR與黑色素瘤細胞轉(zhuǎn)移相關(guān)[56]；UCA1在膀胱癌中的表達水平升高，促進人膀胱癌細胞的增殖。通過對UCA1表達抑制及過表達顯示，其表達水平與細胞周期相關(guān)CREB表達及磷酸化水平一致。UCA1也可以通過影響AKT的表達及活性，阻斷PI3K通路后，細胞周期進程明顯減緩，因此UCA1可通過CREB蛋白調(diào)控PI3K-AKT通路來調(diào)控細胞周期進而在膀胱癌中發(fā)揮作用，可以作為潛在的膀胱癌診斷指標及治療靶點[57]。其他參與癌癥的增殖、凋亡以及周期調(diào)控的有PCAT-1、ANRIL、MALAT-1、SPRY4-IT1等。lncRNA同樣可以影響細胞凋亡，如lincRNA-p21、PANDA，都是由p53基因誘導(dǎo)的。lncRNA CDKN2B-AS1(ANBIL)能結(jié)合PRC2復(fù)合物的亞族Suzl2和PRC1復(fù)合物中的CBX7的染色質(zhì)區(qū)域，從而使H3K27三甲基化，H3K27me3能夠介導(dǎo)腫瘤抑制基因CDKN2A/CDKN2B(IFNK4a/IFNK4b)的抑制表達[58]。目前還沒有已知疾病的突變駐留在蛋白編碼基因區(qū)域里，這表明非編碼轉(zhuǎn)錄本的分離可能是某些疾病的發(fā)病機理。

lncRNA同樣能夠與miRNA共同作用調(diào)節(jié)疾病的發(fā)生發(fā)展。研究表明，在一些癌癥中某些miRNA通常異常表達，它們可能作為致癌因子或者癌癥抑制因子。這其中miR-21已經(jīng)被證實在眾多癌癥中扮演致癌因子。如在乳腺癌、前列腺癌、結(jié)腸癌、肝癌以及肺癌等[59]。但是miR-21僅僅以編碼蛋白的基因為目標嗎？答案是否定的，因為在生物體中只有大約2%的基因能夠編碼蛋白，其余的都編碼成了ncRNA。以此推測miRNA同樣能夠調(diào)控lncRNA以控制癌癥的新陳代謝。例如lncRNA HULC在肝細胞癌中表達，它能夠與miR-372結(jié)合從而形成一個關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)[60]。研究發(fā)現(xiàn)，GAS5能夠抑制癌癥的發(fā)生，但是其中的機制并不是特別清楚。隨后的研究表明，GAS5是miR-21的靶標，通過與GAS5的外顯子4結(jié)合而發(fā)揮作用[61]。研究還發(fā)現(xiàn)，GAS5也能通過RISC負調(diào)節(jié)miR-21，顯示miR-21與GAS5之間能形成相互的抑制環(huán)路。同樣還有另一個lncRNA HULC能夠吸附miR-372，從而導(dǎo)致目標基因的轉(zhuǎn)錄抑制，從而為研究癌癥提供了一個新的視角[61]。

3 展 望

隨著更多l(xiāng)ncRNA的發(fā)現(xiàn)，改變了人們對生物體基因組和轉(zhuǎn)錄組的看法。研究已經(jīng)證明了lncRNA參與機體許多重要的生理過程，包括表觀遺傳、基因印記、劑量補償效應(yīng)等，同時在疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。通過高通量的手段越來越多的lncRNA被發(fā)現(xiàn)，但是許多生物學(xué)功能還沒有闡明。在此研究領(lǐng)域還存在一些問題：對于lncRNA的定義還沒有統(tǒng)一的結(jié)論；預(yù)測lncRNA的功能還比較困難；有關(guān)lncRNA的數(shù)據(jù)庫還不完善；以及與一些小RNA之間的關(guān)系等。lncRNA可以通過結(jié)合一系列的染色體修飾復(fù)合物來調(diào)節(jié)基因的表達。雖然已經(jīng)知道一些lncRNAs可以結(jié)合染色體修飾復(fù)合物，同時，lncRNA也可以作為“指導(dǎo)者”引導(dǎo)這些蛋白結(jié)合伴侶到目標區(qū)域。但是其中的一些機制并不是很了解，如這些蛋白是如何識別并且特異性的結(jié)合特定的lncRNA而不是其他的lncRNA，這些lncRNA是否能夠直接與DNA結(jié)合形成lncRNA：DNA雜合體、三倍體或者其它的復(fù)合物，這些DNA結(jié)合蛋白是否在lncRNA和DNA之間起到媒介的作用。這些問題的解決能讓人們更好地理解其中的機理。lncRNA的研究開辟了一個嶄新的領(lǐng)域，為了解基因的表達調(diào)控提供了一個新的視角。隨著人們對lncRNA的結(jié)構(gòu)和功能不斷深入的研究，定會完善人們對生物體內(nèi)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認識。

[1] BIRNEY E，STAMATOYANNOPOULOS J A，DUTTA A，et al.Identification and analysis of functional elements in 1% of the human genome by the ENCODE pilot project[J].Nature，2007，447(7146)：799-816.

[2] GOSTA F.Non-coding RNAs：lost in translation?[J].Gene，2007，386：1-10.

[3] WILUSZ J E，SUNWOO H，SPECTOR D L.Long noncoding RNAs:functional surprises from the RNA world[J].GenesDev，2009，23：1494-1504.

[4] PACHNIS V，BRANNAN C I，TILGHMAN S M.The structure and expression of a novel gene activated in early mouse embryogenesis[J].EMBOJ，1998，7：673-681.

[5] RINN J L，CHANG H Y.Genome regulation by long noncoding RNAs[J].AnnuRevBiochem，2012，81：145-166.

[6] DERRIEN T，JOHNSON R，BUSSOTTI G，et al.The GENCODE v7 catalog of human long noncoding RNAs：analysis of their gene structure，evolution，and expression[J].GenomeRes，2012，22：1775-1789.

[7] KRISHNAN J，MISHRA R K.Emerging trends of long non-coding RNAs in gene activation[J].FEBSJ，2014，281(1)：34-45.

[8] PANZITT K，TSCHERNATSCH M M，GUELLY C，et al.Characterization of HULC，a novel gene with striking up-regulation in hepatocellular carcinoma，as noncoding RNA[J].Gastroenterology，2007，132：330-342.[9] DANIEL J A，PRAY-GRANT M G，GRANT P A.Effector proteins for methylated histones：an expanding family[J].CellCycle，2005，4：919-926.

[10] SHI Y，LAN F，MATSON C，et al.Histone demethylation mediated by the nuclear amine oxidase homolog LSD1[J].Cell，2004，119：941-953.

[11] MAURER-STROH S，DICKENS N J，HUGHES-DAVIES L，et al.The Tudor domain “Royal Family”：Tudor，plant Agenet，Chromo，PWWP and MBT domains[J].TrendsBiochemSci，2003，28：69-74.

[12] EDWARDS C A，F(xiàn)ERGUSON-SMITH A C.Mechanisms regulation imprinted genes in clusters[J].CurrOpinCellBoil，2007，19(3)：281-289.

[13] PONTIER D B，GRIBNAU J.Xist regulation and function explored[J].HumGenet，2011，130：223-236.[14] JEON Y，LEE J T.YY1 tethers Xist RNA to the inactive X nucleation center[J].Cell，2011，146(1)：119-133.

[15] ZHAO J，SUN B K，ERWIN J A，et al.Polycomb proteins targeted by a short repeat RNA to the mouse X chromosome[J].Science，2008，322：750-756.

[16] SADO T，HOKI Y，SASAKI H，et al.Tsix silences Xist through modification of chromatin structure[J].Cell，2005，9：159.

[17] T IAN D，SUN S，LEE J T.The long noncoding RNA，Jpx，is a molecular switch for X chromosome inactivation[J].Cell，2010，143(3)：390-403.

[18] NAGANO T，F(xiàn)RASER P.No-nonsense functions for long noncoding RNAs[J].Cell，2011，145(2)：178-181.

[19] CHUREAU C，CHANTALAT S，ROMITO A，et al.Ftx is a non-coding RNA which affects Xist expression and chromatin structure within the X-inactivation center region[J].HumMolGenet，2010，20：705-718.

[20] GRANT J，MAHADEVAIAH S K，KHIL P，et al.Rsx is a metatherian RNA with Xist-like properties in X-chromosome inactivation[J].Nature，2012，487：254-258.

[21] MOHAMMAD F，MONDAL T，KANDURI C.Epigenetics of imprinted long noncoding RNAs[J].Epigenetics，2009，4：277-286.

[22] NAGANO T，MITCHELL J A，SANZ L A，et al.The Air noncoding RNA epigenetically silences transcription by targeting G9a to chromatin[J].Science，2008，322：1717-1720.

[23] PANDEY R R，MONDAL T，MOHAMMAD F，et al.Kcnq1ot1 antisense noncoding RNA mediates lineage-specific transcriptional silencing through chromatin-level regulation[J].MolCell，2008，32：232-246.

[24] RINN J L，KERTESZ M，WANG J K，et al.Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs[J].Cell，2007，129：1311-1323.

[25] TSAI M C，MANOR O，WAN Y，et al.Long noncoding RNA as modular scaffold of histone modification complexes[J].Science，2010，329：689-693.

[26] CHU C，QU K，ZHONG F L，et al.Genomic maps of long noncoding RNA occupancy reveal principles of RNA-chromatin interactions[J].MolCell，2011，44：667-678.

[27] BERTANI S，SAUER S，BOLOTIN E，et al.The noncoding RNA Mistral activates Hoxa6 and Hoxa7 expression and stem cell differentiation by recruiting MLL1 to chromatin[J].MolCell，2011，43(6)：1040-1046.[28] LI W，NOTANI D，MA Q，et al.Function roles of enhancer RNAs for oestrogen-dependent transcriptional activation[J].Nature，2013，498(7455)：516-520.

[29] RUSCIO A D I，EBRALIDZE A K，BENOUKRAF T，et al.DNMT1-interacting RNAs block gene-specific DNA methylation[J].Nature，2013，503(7476)：371-376.[30] LI M，WEN S，GUO X，et al.The novel long noncoding RNA CRG regulates Drosophila locomotor behavior[J].NucleicAcidsRes，2012，40(22)：11714-11727.[31] NGUYEN V T，KISS T，MICHELS A A，et al.7SK small nuclear RNA binds to and inhibits the activity of CDK9/cyclin T complexes[J].Nature，2001，414(6861)：322-325.

[32] ABDELMOHSEN K，PANDA A，KANG M J，et al.Senescence-associated lncRNAs：senescence-associated long noncoding RNAs[J].Cell，2013，12(5)：890-900.[33] GUTTMAN M，AMIT I，GARBER M，et al.Chromatin signature reveals over a thousand highly conserved large noncoding RNAs in mammals[J].Nature，2009，458(7235)：223-227.

[34] FENG J，BI C，CLARK B S，et al.The Evf-2 noncoding RNA is transcribed from the DlX-5/6 ultraconsered region and function as a DlX2 transcriptional coactivator[J].GenesDev，2006，20：1470-1484.

[35] BOND A M，VANGOMPEL M J，SAMETSKY E A，et al.Balanced gene regulation by an embryonic brain ncRNA is critical for adult hippocampal GABA circuitry[J].NatNeurosci，2009，12：1020-1027.

[36] MARTIANOV I，RAMADASS A，SERRA B A，et al.Repression of the human dihydrofolate reductase gene by a noncoding interfering transcript[J].Nature，2007，445(7128)：666-670.

[37] WANG X，ARAI S，SONG X，et al.Induced ncRNAs allosterically modify RNA-binding proteins in cis to inhibit transcription[J].Nature，2008，454(7200)：126-130.

[38] TRIPATHI V，ELLIS J D，SHEN Z，et al.The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1 regulation alternative splicing by modulating SR spicing factor phosphorylation[J].MolCell，2010，39：925-938.

[39] YIN Q F，YANG L，ZHANG Y，et al.Long noncoding RNAs with snoRNA ends[J].MolCell，2012，48：219-230.

[40] GONG C，MAQUAT L E.lncRNAs transactivate STAU1-mediated mRNA decay by duplexing with 3′ UTRs via Alu elements[J].Nature，2011，470：284-288.[41] FAGHIHI M A，ZHANG M，HUANG J，et al.Evidence for natural antisense transcript-mediated inhibition of microRNA function[J].GenomeBiol，2010，11(5)：R56.

[42] YOON J H，ABDELMOHSEN K，SRIKANTAN S，et al.LincRNA-p21suppresses target mRNA translation[J].MolCell，2012，47：648-655.

[43] CARRIERI C，CIMATTI L，BIAGIOLI M，et al.New long noncoding antisense RNA controls Uchl1 translation through an embedded SINEB2 repeat[J].Nature，2012，491(7424)：454-457.

[44] SALMENA L，POLISENO L，TAY Y，et al.A ceRNA hypothesis：the Rosetta Stone of a hidden RNA language?[J].Cell，2011，146：353-358.

[45] CESANA M，CACCHIARELLI D，LEGNINI L，et al.A long noncoding RNA cotrols muscle differentiation by function as a competing endogenous RNA[J].Cell，2011，147：358-369.

[46] LEGNINI I，MORLANDO M，MANGIAVACCHI A，et al.A feedforward regulatory loop between HuR and the long noncoding RNA linc-MD1 controls early phases of myogenesis[J].MolCell，2014，53:506-514.[47] YOUNG R A.Control of the embryonic stem cell state[J].Cell，2011，144：940-954.

[48] KRETZ M，WEBSTER D E，F(xiàn)LOCKHART R J，et al.Suppression of progenitor differentiation requires the long noncoding RNA ANCR[J].GenesDev，2012，26：338-343.

[49] KRETZ M，SIPRASHVILI Z，CHU C，et al.Control of somatic tissue differentiation by the long non-coding RNA TINCR[J].Nature，2013，493：231-235.

[50] GUTTMAN M，DONAGHEY J，CAREY B W，et al.lincRNAs act in the circuitry controlling pluripotency and differentiation[J].Nature，2011，477：295-300.

[51] JAMEEL A H，SHEIK M，PHILIP M G，et al.Conserved long noncoding RNAs transcriptionally regulated by Oct4 and Nanog modulate pluripotency in mouse embryonic stem cells[J].RNA，2010，16：324-337.[52] TAKAHASHI K，YAMANAKA S.Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors[J].Cell，2006，126(4)：663-676.

[53] SANCHEZ ALVARADO A，YAMANAKA S.Rethinking differentiation：stem cells，regeneration，and plasticity[J].Cell，2014，157：110-119.

[54] LOEWER S，CABILI M N，GUTTMAN M，et al.Large intergenic non-coding RNA-RoR modulates reprogramming of human induced pluripotent stem cells[J].NatGenet，2010，42：1113-1117.

[55] GUPTA R A，SHAH N，WANG K C，et al.Long non-coding RNA HOTAIR reprograms chromatin state to promote cancer metastasis[J].Nature，2010，464：1071-1076.

[56] MCCARTHY N.EPIGENETIC.Going places with BANCR[J].NatRevCancer，2012，12:451.

[57] YANG C，LI X，WANG Y，et al.Long noncoding RNA UCA1 regulation cell cycle distribution via CREB through PI3-K dependent pathway in bladder carcinoma cells[J].Gene，2012，496:8-16.

[58] YAP K L，LI S，MUNOZ-CABELLO A M，et al.Molecular interplay of the noncoding RNA ANRIL and methylated histone H3 lysine 27 by polycomb CBX7 in transcriptional silencing of INK4a[J].MolCell，2010，38：662-674.

[59] SCHETTER A J，LEUNG S Y，SOHN J J，et al.MicroRNA expression profiles associated with prognosis and therapeutic outcome in colon adenocarcinoma[J].JAMA，2008，14：419-427.

[60] WANG J，LIU X，WU H，et al.CREB up-regulates long noncoding RNA，HULC expression through interaction with microRNA-372 in liver cancer[J].NucleicAcidsRes，2010，38：5366-5383.

[61] ZHANG Z，ZHU Z，WATABE K，et al.Negative regulation of lncRNA GAS5 by miR-21[J].CellDeathDiffer，2013，20(11)：1558-1568.

(編輯 郭云雁)

Research Progress in Regulation of Gene Expression of Long Noncoding RNA

WANG Kang-yan1，2，LING Ying-hui1，2，ZHANG Xiao-rong1，2*

(1.CollegeofAnimalScienceandTechnology，AnhuiAgriculturalUniversity，Hefei230036，China；2.LocalAnimalGeneticResourcesConservationandBiobreedingLaboratoryofAnhuiProvince，Hefei230036，China)

Long noncoding RNA are a group of endogenous RNA molecules which exceed 200 nt in length，lack complete specific open reading frame，they don’t have the ability to encode proteins.But recent studies have shown that lncRNA participates in many important physiological processes，such as gene imprinting，X chromosome inactivation，and so on.They regulate gene expression mainly through the DNA methylation，Histone modification，chromatin remodeling.At the same time，lncRNA have important effect in the occurrence and development process of disease，and have very important significance to the diagnosis and treatment of disease.Therefore，this article analyzed the biological characteristics of lncRNA，lncRNA in epigenetic，post-transcriptional level，role in stem cell and the research of the disease，elaborated the research progress of the current lncRNA，provided a reference for further study on the mechanism of lncRNA involved in the regulation of physiological processes.

lncRNA；epigenetics；ncRNA；gene imprinting；DNA methylation；Histone modifications

10.11843/j.issn.0366-6964.2015.04.001

2014-08-11

國家自然科學(xué)基金項目(31301934；31372310)；安徽省自然科學(xué)基金(1308085QC54)

王康巖(1990-)，男，安徽壽縣人，碩士，主要從事動物遺傳育種研究，E-mail：15856905526@163.com

*通信作者：凌英會，博士，主要從事動物遺傳育種與繁殖研究，Tel：0551-5785928，E-mail：caaslyh@163.com；章孝榮，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動物生殖調(diào)控研究，E-mail：zhangxiaorong01@163.com

S852.2

A

0366-6964(2015)04-0509-09