王智誠,周曉旭,王昊澤,王秀利

(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連市水產(chǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合會,遼寧大連116023)

長鏈非編碼RNA及其在斑馬魚中的研究進(jìn)展

王智誠1、2,周曉旭1,王昊澤1,王秀利1、2

(1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧大連116023;2.大連市水產(chǎn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合會,遼寧大連116023)

隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,在人類和其他模式生物中,發(fā)現(xiàn)了一類具有重要調(diào)控功能的RNA,即長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)。長鏈非編碼RNA是一類在生物體內(nèi)大量存在且無編碼功能的RNA,主要參與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄、特異基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、翻譯調(diào)控和表觀遺傳學(xué)調(diào)控等。本文中綜述了長鏈非編碼RNA及其在水生動物斑馬魚中的研究進(jìn)展,可為水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的遺傳育種和健康養(yǎng)殖提供參考。

長鏈非編碼RNA;測序技術(shù);斑馬魚;轉(zhuǎn)錄后調(diào)控;表觀遺傳調(diào)控

非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)是一類不具有編碼潛能的RNA轉(zhuǎn)錄本,短的只有幾十個核苷酸,長的可以在上千個左右。非編碼RNA最早是由Holley等[1]在酵母中發(fā)現(xiàn)的丙氨酸t(yī)RNA,之后隨著第二代測序技術(shù)的發(fā)展和基因組計劃的不斷完善,大量的非編碼RNA得以發(fā)現(xiàn)和鑒定,并揭示了非編碼RNA并非是所謂的“噪音序列”,而是在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用的元件。非編碼RNA包括核糖體RNA、snoRNA、Xist,以及在真核生物體中大量存在的microRNA[2-4]。由于編碼蛋白質(zhì)的基因只占整個基因組的1.5%左右,其余的非編碼基因顯然不可能都是不具有功能的垃圾基因,因此,人們逐漸意識到非編碼RNA的潛在研究價值。近年來,越來越多的非編碼RNA被鑒定,并在動物的生長發(fā)育及人類的疾病治療中起著至關(guān)重要的作用[5]。

非編碼RNA主要分為小非編碼RNA(如miRNA、endo-siRNA和piRNA)、中型非編碼RNA (70-200nt)和長鏈非編碼RNA。目前,小非編碼RNA研究的重心是下游靶基因的調(diào)控,而中型非編碼RNA在線蟲中的研究也取得了階段性的進(jìn)展[6],只有長鏈非編碼RNA的研究還處于起步階段。由于長鏈非編碼RNA在轉(zhuǎn)錄水平參與了基因的表達(dá)調(diào)控,在轉(zhuǎn)錄后水平參與了信使mRNA的編輯與加工、翻譯調(diào)控、基因組重構(gòu)、表觀遺傳調(diào)控、印跡調(diào)控和端粒系統(tǒng)調(diào)控,以及生物生長發(fā)育等[7],科學(xué)家對其作用機(jī)制提出了許多假說。本研究中綜述了長鏈非編碼RNA及其在水生動物斑馬魚Danio rerio中的研究進(jìn)展,旨在為水產(chǎn)養(yǎng)殖動物的遺傳育種和健康養(yǎng)殖提供參考。

1 長鏈非編碼RNA簡介

長鏈非編碼RNA與mRNA的結(jié)構(gòu)類似,具有7-甲基鳥苷的帽子結(jié)構(gòu)和多聚腺苷的尾巴,且轉(zhuǎn)錄均是由RNA聚合酶Ⅱ經(jīng)拼接形成的結(jié)構(gòu),但與mRNA不同的是長鏈非編碼RNA未開放讀碼框且保守性較低[5],其分布主要集中于細(xì)胞核中[8],有助于更好地發(fā)揮基因調(diào)節(jié)作用。由于長鏈非編碼RNA的保守性較低,其進(jìn)化來源可能分為以下5種機(jī)制[9-10]:(1)mRNA的開放讀碼框發(fā)生破壞而形成了具有其他功能的非編碼RNA,例如基因Lnx3轉(zhuǎn)座子的插入引起了Xist基因編碼區(qū)和非編碼區(qū)開放讀碼框的突變;(2)染色體的重新排列,使兩個不發(fā)生轉(zhuǎn)錄的且距離較遠(yuǎn)的序列相互作用,產(chǎn)生了一段多外顯子的非編碼RNA序列,例如狗的部分EST序列;(3)大量非編碼基因通過反轉(zhuǎn)錄作用形成DNA鏈,再通過轉(zhuǎn)錄形成相應(yīng)的非編碼RNA;(4)由于一個序列的兩次或多次隨機(jī)復(fù)制而形成的長鏈非編碼RNA;(5)轉(zhuǎn)座子的插入。

目前,對于長鏈非編碼RNA 定義的界限還是比較模糊,研究人員根據(jù)長鏈非編碼RNA編碼序列和基因的相對位置可以分為5種類型:(1)同義長鏈非編碼RNA,即處于同一條鏈上的不同外顯子相互重疊形成的結(jié)構(gòu);(2)反義長鏈非編碼RNA,即在反義鏈上的編碼區(qū)序列與本身編碼區(qū)序列相互交叉重疊形成的結(jié)構(gòu);(3)雙向長鏈非編碼RNA,即表達(dá)的起始位點與反義鏈上相鄰的起始位點間隔較小而形成的RNA;(4)基因內(nèi)長鏈非編碼RNA,即由一些來源于DNA內(nèi)含子的序列拼接而成,也通過mRNA前體剪切而成;(5)基因間長鏈非編碼RNA,即基因之間的非編碼區(qū)域形成的長鏈非編碼RNA[11]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人類對于長鏈非編碼RNA已有一定了解,長鏈非編碼RNA在時空組織表達(dá)特異性和亞細(xì)胞的定位等方面,都為今后生命科學(xué)的發(fā)展提供了重要的契機(jī)。但長鏈非編碼RNA的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,尤其是其二級結(jié)構(gòu)到目前為止還不是很清楚,僅能知道的是一些大分子蛋白質(zhì)和DNA等可以與其相互作用形成復(fù)合物,在生物體內(nèi)共同發(fā)揮作用。

2 長鏈非編碼RNA的生物學(xué)功能

哺乳動物基因組序列中4%～9%的序列產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是長鏈非編碼RNA,在組織分化發(fā)育過程中均具有明顯的時空組織表達(dá)特異性或細(xì)胞特異性。按照作用機(jī)制的不同,長鏈非編碼RNA可分為信號分子、誘餌分子、導(dǎo)向分子和支架分子[12]。信號分子就是通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的翻譯,進(jìn)而影響染色體的狀態(tài),在雌性動物發(fā)育過程中,長鏈非編碼RNA作為信號分子使失活的X染色體中的Xist轉(zhuǎn)錄出來,附著在染色體上,導(dǎo)致染色體水平上的基因表達(dá)抑制[13]。誘餌分子通過間接方式來調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄,即長鏈非編碼RNA與一些基因的結(jié)合蛋白相互作用形成復(fù)合體,同時調(diào)控基因表達(dá)[14]。Gas5是可以競爭性的結(jié)合糖皮質(zhì)激素受體的結(jié)合區(qū)域,使自身形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)的一類長鏈非編碼RNA,能有效地抑制受體和染色質(zhì)的相互作用[15]。導(dǎo)向分子就是利用長鏈非編碼RNA的空間結(jié)構(gòu),即植物在寒冷環(huán)境中會產(chǎn)生一種長鏈非編碼RNA,可以抑制染色質(zhì)的狀態(tài)。該長鏈非編碼RNA在PRC2復(fù)合體與開花抑制基因的結(jié)合位置起到了重要的作用,進(jìn)而在春化階段通過甲基化來影響基因表達(dá)[16]。支架分子可以作為復(fù)合體的裝配中心,通過介導(dǎo)信號的傳遞進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)功能。例如,長鏈非編碼RNA Hotair就是利用HOXC基因轉(zhuǎn)錄而成,其3′末端的堿基序列可以與復(fù)合體PRC2結(jié)合形成支架結(jié)構(gòu),同時5′末端可以與去甲基化的REST等蛋白因子結(jié)合,發(fā)生生理生化反應(yīng)[17]。

長鏈非編碼RNA具有特定的二級結(jié)構(gòu),通過自身構(gòu)象的變化以及與大分子蛋白質(zhì)等結(jié)合,在轉(zhuǎn)錄起始位點上游發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。長鏈非編碼RNA還可通過自身的轉(zhuǎn)錄以及影響其他RNA的轉(zhuǎn)錄形成微妙的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[12]。研究表明,長鏈非編碼RNA發(fā)揮生物學(xué)功能主要體現(xiàn)在相關(guān)基因的特異性結(jié)合、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)、翻譯水平的調(diào)節(jié),以及表觀遺傳學(xué)上的調(diào)節(jié)[18],從而影響神經(jīng)和各個組織的分化,進(jìn)而影響人體生長發(fā)育以及疾病的免疫,如圖1所示。

圖1 長鏈非編碼RNA作用模式圖[17]Fig.1 Diagram of long non-coding RNA(lncRNA)processes[17]

2.1 長鏈非編碼RNA對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控

基因轉(zhuǎn)錄是極其重要的生命活動,在生物體的遺傳生長發(fā)育及生理代謝中占據(jù)了不可或缺的地位,并且受到嚴(yán)格地調(diào)控。

2.1.1 長鏈非編碼RNA對相鄰基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控

早期研究已證明,長鏈非編碼RNA對于相鄰基因具有順式和反式的作用方式,由于長鏈非編碼RNA基因與其下游編碼蛋白的相對位置和構(gòu)象不同,長鏈非編碼RNA通過自身的轉(zhuǎn)錄,阻遏了下游基因啟動子和相鄰基因轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合,從而抑制轉(zhuǎn)錄。Lu等[19]研究發(fā)現(xiàn),順式作用的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物長鏈非編碼RNA可招募p300組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和轉(zhuǎn)錄因子OCT4到HERVH的長末端重復(fù)序列LTR7區(qū)域,促進(jìn)LTR7元件的增強(qiáng)子作用,驅(qū)動臨近編碼及非編碼基因的表達(dá)。最近的一項小鼠試驗中,發(fā)現(xiàn)長鏈間非編碼RNA的反式作用,可與多種核蛋白K結(jié)合發(fā)生相互作用,使受p53抑制的基因表達(dá)增強(qiáng)[20]。此外,長鏈非編碼RNA直接招募TLS到CCND1啟動子區(qū)域抑制基因的表達(dá),從而刺激DNA損傷信號通路的激活[20]。在酵母基因Ser3上游區(qū)域存在一種長鏈非編碼RNA的調(diào)節(jié)基因,這種長鏈非編碼RNA可以占據(jù)該基因的啟動子區(qū)域,使Ser3轉(zhuǎn)錄停止,從而抑制Ser3的表達(dá)[21]。

2.1.2 長鏈非編碼RNA與轉(zhuǎn)錄因子相互作用調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄 靶基因在轉(zhuǎn)錄的起始可以由長鏈非編碼RNA募集轉(zhuǎn)錄因子,形成復(fù)合物增強(qiáng)基因的表達(dá)。CRG是一種長鏈非編碼RNA,可以招募RNA聚合酶與CASK上游啟動子區(qū)域結(jié)合,從而調(diào)節(jié)CASK基因的表達(dá)[22]。熱休克轉(zhuǎn)錄因子Ⅰ一般在細(xì)胞中不具備生物學(xué)活性,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)隨著外界壓力變化時,熱休克的長鏈非編碼RNA可促使轉(zhuǎn)錄因子HSF1三聚體化,結(jié)合到熱休克蛋白的啟動子上,使HSF1表達(dá)上調(diào),同時,轉(zhuǎn)錄因子又可與翻譯延伸因子IA(eukaryotic translation elongation factor IA,eEFIA)組成復(fù)合物,誘導(dǎo)熱休克蛋白基因表達(dá)[23]。此外,長鏈非編碼RNA可通過改變轉(zhuǎn)錄因子的亞細(xì)胞定位進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的調(diào)控。

2.1.3 長鏈非編碼RNA與DNA形成三螺旋復(fù)合物對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控 在真核細(xì)胞中,長鏈非編碼RNA可與DNA以堿基互補(bǔ)配對的方式形成三螺旋結(jié)構(gòu),對細(xì)胞的靶基因調(diào)控有著重要的作用。二氫葉酸還原酶基因存在兩種啟動子,上游的啟動子轉(zhuǎn)錄成長鏈非編碼RNA可與下游的啟動子序列堿基互補(bǔ)配對形成三螺旋復(fù)合物,同時又可與轉(zhuǎn)錄因子相互作用抑制下游啟動子細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄,從而使細(xì)胞停留于休眠期[24-25]。

2.2 長鏈非編碼RNA對基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控

目前,對于長鏈非編碼RNA在基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的研究相對較多,大致可分為以下幾類:

(1)被剪切成小RNA發(fā)揮調(diào)控作用。一些小RNA(miRNA、piRNA和內(nèi)源性siRNA)由Diser酶剪接長鏈非編碼RNA形成[26]。

(2)影響mRNA穩(wěn)定性及豐度。長鏈非編碼RNA可以分為促進(jìn)衰減和阻礙衰減,如STAU1介導(dǎo)的mRNA衰減,位于細(xì)胞質(zhì)的1/2-sbsRNAs (Half-STAU1-binding site RNA)通過募集Staufen1蛋白與目的mRNA部分堿基互補(bǔ)配對促進(jìn)mRNA衰減[27]。同樣,在小鼠腦中長鏈非編碼RNA與mRNA互補(bǔ)配對可保護(hù)mRNA不被衰減,BACE1-AS的消減會減少神經(jīng)細(xì)胞mRNA的表達(dá)[28]。

(3)抑制mRNA翻譯。長鏈非編碼RNA p21能通過招募翻譯抑制因子Rck和Fmrp與目標(biāo)mRNA互補(bǔ)發(fā)揮抑制作用。例如,酵母中肌醇磷酸合成酶KCS1的反義長鏈非編碼RNA調(diào)控同一基因位點KCS1的翻譯,合成較短的活性缺失蛋白,抑制該基因mRNA的翻譯[29]。

(4)激活mRNA轉(zhuǎn)錄。通過長鏈非編碼RNA反義鏈與老鼠的Uchl1結(jié)合,提高UCHL1蛋白的表達(dá),其活性取決于SINEB2重復(fù)序列[29]。此外,反義Uchl1通過SINEB2序列與Uchl1 mRNA的5′端對應(yīng)的部分堿基配對,促使核糖體mRNA轉(zhuǎn)錄水平的提高[30]。

(5)作為內(nèi)為源性競爭RNA調(diào)節(jié)。某些長鏈非編碼RNA被稱作內(nèi)為源性競爭RNA,它們與mRNA競爭性地結(jié)合miRNA來抑制mRNA基因表達(dá)[31]。研究發(fā)現(xiàn),腫瘤抑制基因磷酸酶與張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten,PTEN)及其假基因PTENP1的3′非翻譯區(qū)(untranslated regions,UTR)中有一些保守的MREs(miRNA Response Elements)。當(dāng)PTENP1 3′UTR過表達(dá)時,PTENP1 mRNA通過競爭性地結(jié)合miRNA,使PTEN蛋白不被降解,提高了PTEN的穩(wěn)定性,使PTEN穩(wěn)定表達(dá)[32]。

(6)mRNA前體可變剪切調(diào)控。真核生物基因表達(dá)中,mRNA的剪切和修飾是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。近期研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞核中的長鏈非編碼RNA MALAT1能夠影響絲氨酸、精氨酸剪接因子在細(xì)胞核中的分布,在腫瘤細(xì)胞中,MALAT1同樣參與mRNA前體剪接因子至細(xì)胞內(nèi)的基因轉(zhuǎn)錄位點的募集,從而對mRNA前體進(jìn)行可變剪切[33]。

(7)與miRNA相互作用。長鏈非編碼RNA經(jīng)相關(guān)酶的剪切形成miRNA,例如,長鏈間的非編碼RNA MD1產(chǎn)生的miRNA-206能夠在肌肉分化和肌細(xì)胞營養(yǎng)不良中進(jìn)行調(diào)節(jié),同時,長鏈非編碼RNA H19也能產(chǎn)生相關(guān)的miRNA進(jìn)行調(diào)節(jié)[34]。在擬南芥的ATIPS1基因中,其保守區(qū)域能夠與miRNA的部分序列堿基互補(bǔ)配對,通過競爭性結(jié)合miRNA,抑制miRNA活性,維持?jǐn)M南芥的正常生長[35]。

2.3 長鏈非編碼RNA對表觀遺傳的調(diào)控

長鏈非編碼RNA除具有調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄及修飾作用外,也可以在DNA甲基化、基因印記、染色質(zhì)重塑等表觀遺傳學(xué)的修飾方面發(fā)揮作用?；蛴≯E是指雙親的等位基因,即一個等位基因表達(dá),而另一個等位基因不表達(dá)或表達(dá)相對較弱,往往以基因簇為單元存在,涉及多個基因。在對小鼠的研究中[36],長鏈非編碼RNA Kcnq1ot1在母系染色體中,由于染色體基因被甲基化而使表達(dá)受到抑制,只在父系染色體中表達(dá),導(dǎo)致長鏈非編碼RNA Kcnqlot調(diào)節(jié)的10基因在父系中全被沉默,Kcnq1ot1對DNA甲基化的維持只發(fā)生在胎盤和胚胎基因印記上,而對胎盤特異印記的基因沒有作用[37]。可見,長鏈非編碼RNA在基因印記中起著重要的作用。組蛋白修飾也可調(diào)節(jié)長鏈非編碼RNA,Sati等[38]分析了3種不同細(xì)胞系組蛋白修飾圖譜,發(fā)現(xiàn)了長鏈非編碼RNA與mRNA類似,其表達(dá)同樣受到組蛋白的修飾的調(diào)節(jié)。

長鏈非編碼RNA通過甲基化、蛋白質(zhì)修飾等方面來調(diào)控基因的表達(dá),此外,對一些編碼腫瘤的蛋白有著調(diào)節(jié)作用,長鏈非編碼RNA一方面可以使某些腫瘤蛋白的表達(dá)發(fā)生紊亂,抑制腫瘤的發(fā)生,另一方面,有些長鏈非編碼RNA則會在促進(jìn)或激活原癌基因表達(dá)的同時,抑制抑癌基因的表達(dá)。

3 長鏈非編碼RNA在斑馬魚中的研究

長鏈非編碼RNA在水生動物的生長發(fā)育中起著重要的作用,它可調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄,又可以通過自身的轉(zhuǎn)錄調(diào)控一些轉(zhuǎn)錄因子,也可以在機(jī)體胚胎發(fā)育中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Wittbrodt等[39]和Hezroni等[40]通過對比斑馬魚、棘魚Stickleback、羅非魚Tilapia lived的長鏈非編碼RNA,揭示了硬骨魚的進(jìn)化機(jī)制。本研究中主要介紹模式水生動物斑馬魚長鏈非編碼RNA的研究進(jìn)展。

3.1 長鏈非編碼RNA在斑馬魚中的發(fā)現(xiàn)

2011年,在斑馬魚中發(fā)現(xiàn)了9種長鏈非編碼RNA,翌年又發(fā)現(xiàn)了14種不同的長鏈非編碼RNA,Kaushik等[41]利用最新的測序技術(shù)和基因敲除的方法,檢測到斑馬魚中含有419種長鏈非編碼RNA。這些長鏈非編碼RNA主要集中于心臟、肝臟、肌肉、腦部和血液。其中,由于大腦中的細(xì)胞類型較多,發(fā)現(xiàn)的長鏈非編碼RNA的類型也就較多,而心臟和血液中長鏈非編碼RNA則相對較少,肝臟和肌肉中最少,在這5種組織中均有發(fā)現(xiàn)的有77種長鏈非編碼RNA。Dhiman等[42]比較了斑馬魚在不同數(shù)據(jù)庫的長鏈非編碼RNA的差異,從轉(zhuǎn)錄翻譯表達(dá)等方面綜合構(gòu)建了一個長鏈非編碼RNA在斑馬魚中的在線資源網(wǎng)站,并注釋了各種長鏈非編碼RNA,這為揭秘斑馬魚長鏈非編碼RNA提供了重要的契機(jī)。綜上所述,越來越多長鏈非編碼RNA被發(fā)現(xiàn),對于人類進(jìn)一步了解其結(jié)構(gòu)和功能,以及研究基因的遺傳和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)具有重要的作用。

3.2 長鏈非編碼RNA在斑馬魚早期胚胎中的研究

已有研究表明,長鏈非編碼RNA在胚胎發(fā)育階段起著重要的作用。lncBrHM_035是一種長鏈非編碼RNA,其表達(dá)主要集中于斑馬魚胚胎細(xì)胞的眼睛、中后腦部,而lncBrHM_002在眼睛中未發(fā)現(xiàn)表達(dá),只有在中后腦中表達(dá),說明了長鏈非編碼RNA具有組織特異性,且不同的長鏈非編碼RNA間的表達(dá)具有重疊作用[43]。在不同的發(fā)育階段,長鏈非編碼RNA表達(dá)也有所不同,Pauli等[43]利用深度測序技術(shù)總結(jié)了斑馬魚在胚胎發(fā)育的受精后時期、受精卵轉(zhuǎn)錄組起始時期、原腸胚卵裂下陷時期,以及細(xì)胞開始運動、幼體發(fā)育和器官形成時期長鏈非編碼RNA的表達(dá)。發(fā)現(xiàn)有1133個胚胎長鏈非編碼RNA,其中397個是未覆蓋任何基因的基因間長鏈非編碼RNA,有184個內(nèi)含子重疊的長鏈非編碼RNA,以及566個反義外顯子重疊的長鏈非編碼RNA,同時驗證了41個長鏈非編碼RNA作為miRNAs、snoRNAs、sRNAs前體的功能。

Guttman等[44]研究證明,哺乳動物的長鏈非編碼RNA表達(dá)的時間明顯短于其編碼蛋白質(zhì)的RNA,表達(dá)量低且在進(jìn)化上更保守。在斑馬魚胚胎中發(fā)現(xiàn),長鏈非編碼RNA的長度約是編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的三分之一,而胚胎中長鏈非編碼RNA是編碼基因表達(dá)量的十分之一,且受到更加嚴(yán)格的時間調(diào)控。此外,胚胎發(fā)育細(xì)胞中長鏈非編碼RNA更可能來自親本的遺傳而不是mRNAs的剪切,大約有42%來源于親本的長鏈非編碼RNA,而來自mRNA的剪接大約只有34%[43]。因此,長鏈非編碼RNA在胚胎發(fā)育過程中具有重要的地位,能夠更快速、精確地調(diào)控早期胚胎細(xì)胞發(fā)育,對組織器官的發(fā)育均有明顯的作用,是生物生長發(fā)育不可缺少的遺傳物質(zhì)。

3.3 長鏈非編碼RNA在成年斑馬魚器官組織中的研究

成年器官組織與胚胎發(fā)育時期所表達(dá)的長鏈非編碼RNA的不同點在于,成年斑馬魚中的長鏈非編碼RNA主要起著維護(hù)特定功能、保護(hù)特定結(jié)構(gòu)的作用。因此,長鏈非編碼RNA在成年斑馬魚組織中的表達(dá)一般持續(xù)較低水平[41]。在不同的組織中,長鏈非編碼RNA表達(dá)也有所差別。例如,長鏈非編碼RNA cmlc2只在心臟組織中發(fā)現(xiàn)相關(guān)的表達(dá),在其他組織中未發(fā)現(xiàn);而lncH_005和lncH_007則在心臟中的表達(dá)較多,在其他組織中表達(dá)相對較少;在肝臟中l(wèi)ncL_001和lncLBr_ 003的表達(dá)較多,而lncLBr_003在腦部和肌肉中表達(dá)較少。這可能是特定組織器官中的特定基因的表達(dá)會受到特定長鏈非編碼RNA的調(diào)控[41]的原因。

反義長鏈非編碼RNA在斑馬魚的血管系統(tǒng)發(fā)育中起著重要的作用,它能與相應(yīng)的mRNA結(jié)合,導(dǎo)致基因表達(dá)的上調(diào),從而使血管系統(tǒng)出現(xiàn)異常[45]。在對斑馬魚神經(jīng)的研究中發(fā)現(xiàn),長鏈非編碼RNA sox2-ot和長鏈非編碼RNA cyrano會促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育和生長,在眼和腦部的發(fā)育中長鏈非編碼RNA同樣起著正調(diào)控的作用[46-47]。由此可見,長鏈非編碼RNA在斑馬魚的不同組織和器官中扮演著不同的角色,可促進(jìn)器官組織的生長發(fā)育,也可進(jìn)行負(fù)調(diào)控導(dǎo)致組織發(fā)育的異常。此外,斑馬魚中的某些長鏈非編碼RNA與人類的相關(guān)長鏈非編碼RNA在保守性和行使特定功能上均有一定的類似作用[48]。

4 展望

4.1 長鏈非編碼RNA在斑馬魚中的應(yīng)用前景

至今為止,由于對長鏈非編碼RNA結(jié)構(gòu)和功能的研究還不是很全面和深入,限制了人類對其所發(fā)揮功能的具體機(jī)制的研究。所以,深入了解斑馬魚的長鏈非編碼RNA的結(jié)構(gòu)和功能,有助于人類發(fā)現(xiàn)新的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物和調(diào)控機(jī)理,此外,對一些人類疾病的研究也具有不可或缺的意義[49]。隨著科學(xué)的進(jìn)步和測序技術(shù)的發(fā)展,將有更多的新技術(shù)應(yīng)用于長鏈非編碼RNA的挖掘,幫助人類進(jìn)一步揭秘長鏈非編碼RNA的功能和作用機(jī)制。斑馬魚長鏈非編碼RNA的研究成果,也為對其他水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類的遺傳育種研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。

4.2 長鏈非編碼RNA在水產(chǎn)動物中的應(yīng)用前景

長鏈非編碼RNA在斑馬魚中的研究,對于水產(chǎn)動物具有一定的借鑒作用。通過長鏈非編碼RNA可進(jìn)一步解釋斑馬魚表型突變體,重新注釋以前沒有發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄基因組;長鏈非編碼RNA能夠從一個全新的角度理解器官、組織的形成和發(fā)育[50];某些經(jīng)濟(jì)魚類能夠通過借鑒斑馬魚長鏈非編碼RNA的研究來控制一些經(jīng)濟(jì)性狀功能的改變,如斑馬魚中某些長鏈非編碼RNA能調(diào)節(jié)肌肉的發(fā)育,因此,在魚類中找到相關(guān)的基因進(jìn)行調(diào)控,對提高水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)品種的價值具有重要作用。長鏈非編碼RNA在人類和其他模式動物上的初步研究,已經(jīng)證明了其在表觀遺傳學(xué)上起著重要的作用。在此基礎(chǔ)上,運用第二代測序技術(shù)系統(tǒng)檢測水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)物種[51]的基因組及轉(zhuǎn)錄組,可全面描述非編碼RNA在生物體中基因和基因產(chǎn)物的屬性。目前,對于一些經(jīng)濟(jì)物種本身的長鏈非編碼RNA的研究較少,尤其是在水產(chǎn)動物中,如果能夠清楚地知道長鏈非編碼RNA在遺傳發(fā)育中的作用機(jī)制,對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展將具有深遠(yuǎn)的意義。

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Long non-coding RNA and its research advances in zebrafish Danio rerio:a review

WANG Zhi-cheng1,2,ZHOU Xiao-xu1,WANG Hao-ze1,WANG Xiu-li1,2
(1.College of Fisheries and Life Science,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Dalian Fisheries Industry Technology Innovation Association,Dalian 116023,China)

Long non-coding RNA(lncRNA),as a new RNA with an important regulatory functions,has been found in human and other model organisms as the development of sequencing technology.IncRNAs are non-protein coding transcripts and mainly involved in regulation of gene transcription,post-transcriptional regulation,translation regulation,and epigenetic regulation.In this paper,the biological function of lncRNA and its research advances in zebrafish Danio rerio were reviewed,which will provide important foundation for genetics,breeding and culture for aquatic animals.

long non-coding RNA;sequencing technology;Danio rerio;post-transcriptional regulation;epigenetic regulation

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.02.021

2095-1388(2017)02-0248-07

S917

:A

2016-06-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(31572608);大連市科技計劃項目(2012B11NC049,2014B11NC091)

王智誠(1992—),男,碩士研究生。E-mail:hi1384@qq.com

王秀利(1964—),男,博士,教授。E-mail:xlwang@dlou.edu.cn