《相约2015NSFC》之疾病相关lncRNA研究策略

1. 概述

长链非编码RNA(lncRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，通常认为它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）参与蛋白编码基因调控。

大多数lncRNA的二级结构，剪切形式以及亚细胞定位都较为保守，这对lncRNA发挥功能非常重要。但相对于miRNA和蛋白质的功能来说，lncRNA功能机制更加难以确定，目前并不能仅根据序列或者结构来推测它们的功能。根据lncRNA在基因组上相对于蛋白编码基因的位置，可以将其分为sense、antisense、bidirectional、intronic、intergenic这5种类型。这种位置关系对于推测lncRNA的功能有很大帮助。

 
不同位置lncRNA示意图

2. lncRNA生物学功能

在哺乳动物基因组中，有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%）。lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA会广泛参与到染色体沉默，基因组印记、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，通过对已发现的lncRNA的研究，研究者已发现lncRNA能够在多种层面调控基因表达，一般来说，主要包括以下三个层次：

2.1. 表观遗传学调控
某些特异的lncRNA会招募染色质重构和修饰复合体到特定位点，改变DNA/RNA甲基化状态、染色体结构和修饰状态，进而控制相关基因的表达。很多DNA/RNA甲基化突变与癌症等某些疾病发生有关，而染色质修饰状态的改变也通常会影响到某些基因的表达状态，最常见的是在启动子区域出现的H3K4me3、H3K9me2及H3K27me3修饰等，这些组蛋白修饰会改变染色质活性，从而促进或抑制转录，控制基因表达。

这类lncRNA中，最典型的是HOXC基因簇转录的lncRNA HOTAIR，会募集染色质修饰复合体PRC2，并将其定位到HOXD基因簇位点，改变该区域的染色质修饰状态，进而抑制HOXD基因表达。已经有临床研究表明，在乳腺癌、结肠癌和肝癌等肿瘤组织中HOTAIR表达水平与肿瘤转移、复发及预后效果紧密相关，肿瘤细胞中HOTAIR高表达会抑制某些肿瘤转移抑制基因，促进肿瘤恶化，反之，沉默HOTAIR则会使肿瘤细胞丧失转移能力。除了HOTAIR，还有其他一些lncRNA可以通过募集染色质修饰复合体，对DNA/RNA和组蛋白的表观遗传状态进行修饰，如Xist，Air等。

2.2. 转录调控
在真核细胞中，转录因子对于基因转录非常重要，它们可以结合到基因转录产生的RNA上，控制RNA转录、定位和稳定性。一些lncRNA会作为配基，与一些转录因子结合，形成复合体，控制基因转录活性。例如，由一个超保守区域转录产生的lncRNA Dlx6os1既可以作为antisense RNA控制Dlx6表达，也可以通过募集DLX2或MECP2蛋白调控Dlx5和Gad1的表达。还有一些lncRNA本身就是转录因子。例如，lncRNA HSR1可以同HSF1、eEF1A共同形成复合物，在细胞热休克应激反应时调节热休克蛋白表达。另一个例子中，lncRNA GAS5会折叠成一个类似糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor，GR）DNA结合位点的结构，同GR互作，进而阻止GR发挥调控作用。在最近的研究中，有学者发现一些增强子也会通过转录产生RNA（enhancer RNA，eRNA），对特定方向距离较远的基因进行调控，不过，eRNA发挥调控作用的机制尚未确定。

2.3. 转录后调控
除了上述两种机制，lncRNA还会直接参与到mRNA转录后调控过程中，包括可变剪切、RNA编辑、蛋白翻译及转运等过程中。这些过程对于基因功能多态性非常重要。参与mRNA转录后调控的主要为antisense lncRNA，在mRNA可变剪切调控过程中，antisense lncRNA会与mRNA互补区域结合，影响某些剪切位点募集剪切体，控制mRNA剪切过程，同时也会对RNA编辑（A-to-I）产生影响。在mRNA核转运及胞内定位过程中，也有一些antisense lncRNA同mRNA互作，发挥调控作用。

2.4. 调控miRNA
除了直接调控mRNA，lncRNA还会通过控制miRNA表达来影响其靶基因的表达量。在一些肿瘤细胞和特定组织中，一些lncRNA会携带有某些miRNA的“种子序列”，像海绵一样结合miRNA，从而阻止miRNA同其靶mRNA结合。

总结起来，虽然关于lncRNA调控作用已经有很多研究，但目前还有很多关键问题没有解决，比如说，细胞如何平衡调控miRNA和lncRNA的表达、lncRNA如何得到结合miRNA的信号等。随着对lncRNA研究越来越深入，研究者也将发现更多lncRNA调控模式。

lncRNA功能示意图 来源：Yang G, Lu X, Yuan L. LncRNA: A link between RNA and cancer[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Gene Regulatory Mechanisms, 2014.