編譯：不二，編輯：夏甘草、江舜堯。
原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。
導(dǎo)讀長非編碼RNA（lncRNA）是一類重要的基因，參與多種生物學(xué)功能。研究人員討論了lncRNA作為信號、誘餌、引導(dǎo)和支架的典型分子功能。對于每一個分子功能，不同生物學(xué)背景的例子描述了分子機制，這些機制觀點為生物學(xué)結(jié)果提供了有用的解釋和預(yù)測。這些lncRNA功能可能是研究lncRNA如何獲得作為生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)物的特性并暗示其可能的進化起源的有用框架。隨著新的lncRNA的快速發(fā)現(xiàn)，lncRNA的分子機制可能會更加豐富和多樣化。原名：Molecular Mechanisms of Long Noncoding RNAs
譯名：長非編碼RNA的分子機制
期刊：Molecular Cell
IF：15.584
發(fā)表時間：2011.09.16
通訊作者：Howard Y. Chang
通訊作者單位：美國斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院
DOI號：10.1016/j.molcel.2011.08.018
大多數(shù)lncRNA由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄。LncRNA表現(xiàn)出細胞類型特異性的表達，并對不同的刺激做出反應(yīng)，表明它們的表達受到轉(zhuǎn)錄調(diào)控。因此，lncRNA可以作為分子信號，因為單個lncRNA的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在特定的時間和地點，整合發(fā)育、解釋細胞環(huán)境或?qū)Σ煌拇碳ぷ鞒龇磻?yīng)。這個功能中的一些lncRNA具有調(diào)節(jié)作用，而另一些則僅僅是轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物。在這兩種情況下，研究人員推斷染色質(zhì)狀態(tài)的調(diào)節(jié)元件僅僅是通過其相關(guān)的lncRNA的表達。此外，RNA作為媒介的優(yōu)勢表明，無需蛋白質(zhì)翻譯，潛在的調(diào)節(jié)功能可以迅速執(zhí)行。以下幾個例子說明了lncRNA作為標記空間、時間、發(fā)育階段和基因調(diào)控表達的信號。具體地說，這個功能中的lncRNA可以作為功能上重要的生物事件的標記。等位基因特異性：KCNQ1ot1、Air和Xist基因印記是一種表觀遺傳調(diào)控機制，可以解釋等位基因特異性。哺乳動物是攜帶每個常染色體基因的兩個等位基因的二倍體生物，一個遺傳自母親，一個遺傳自父親。在大多數(shù)情況下，兩個親本等位基因均等表達，而一部分基因顯示印記效應(yīng)，其表達受到母本或父本等位基因表觀遺傳機制的限制。最新的證據(jù)表明，lncRNA如Kcnq1ot1和Air分別位于Kcnq1和Igf2r印記基因簇，通過與染色質(zhì)相互作用和招募染色質(zhì)修飾機制介導(dǎo)多個基因的轉(zhuǎn)錄沉默。例如，在小鼠胎盤中，lncRNA如Air和Kcnq1ot1積聚在沉默等位基因的啟動子的染色質(zhì)處，并以等位基因特異性的方式介導(dǎo)抑制性組蛋白修飾。Kcnq1ot1是一個90 kb的lncRNA，由父本等位基因表達，介導(dǎo)印記Kcnq1域中的一組基因沉默。Kcnq1ot1與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a和PRC2相互作用，其轉(zhuǎn)錄位點通過招募多個復(fù)合物在順式結(jié)構(gòu)中形成一個抑制結(jié)構(gòu)域。RNA本身在Kcnq1結(jié)構(gòu)域中基因的雙向沉默中起著關(guān)鍵作用，類似于Xist RNA的作用機制。類似地，ncRNA Air只在父本等位基因中印記和表達，其轉(zhuǎn)錄需要以組織和等位基因特異性的方式抑制父本染色體上的幾個印記基因。在胎盤中，與Kcnq1ot1的染色質(zhì)修飾招募活性類似，Air轉(zhuǎn)錄于小鼠Igf2r基因的第二內(nèi)含子中啟動，并將G9a招募到其目標啟動子中實現(xiàn)基因沉默。然而，在胚胎組織中，Air通過一種不同的機制發(fā)揮作用，Air自身的轉(zhuǎn)錄在沉默重疊基因中起著關(guān)鍵作用。X染色體失活（XCI）是一個重要的過程，它通過使雌性細胞中的一個X染色體失活來平衡哺乳動物雄性和雌性之間的基因表達。Xist是一個著名的lncRNA，在XCI中起著至關(guān)重要的作用。在雌性發(fā)育過程中，Xist RNA從不活躍的X染色體上表達，并包裹X染色體，導(dǎo)致染色體范圍內(nèi)基因表達的抑制。另一個稱為Tsix的重疊反義lncRNA抑制順式元件中的Xist表達，而lncRNA-Jpx在XCI期間表達累積，激活非活性X染色體上的Xist。在所有三個例子中，轉(zhuǎn)錄的lncRNA的存在表明它們各自的基因組位置上有活躍的沉默作用。另一個時間和空間緊密關(guān)系的例子是哺乳動物Hox基因座的兩個ncRNA。在哺乳動物中，同源異型盒轉(zhuǎn)錄因子（HOX）擁有四個染色體基因簇，并以體節(jié)的方式表達，即基因簇內(nèi)基因位置與身體前后解剖軸的空間位置相對應(yīng)。大量的lncRNA被發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄于人類HOX基因簇中，它們以時間和空間特異的方式表達。lncRNA也被發(fā)現(xiàn)與HOX基因座的整體空間表達模式相對應(yīng)，表明它們可能使用與HOX基因相同的增強子：例如，HOTAIR，一個HOXC基因座的lncRNA，在遠端和后端位置相同的細胞中表達；以及Frigidair，另一個HOXC基因座的lncRNA，具有前端的表達模式。相反，HOTTIP，另一個在人HOXA簇遠端發(fā)現(xiàn)的lncRNA，也在遠端細胞中表達。除了作為空間位置的信號外，這兩種lncRNA還具有額外的生物學(xué)功能。DNA損傷的誘導(dǎo)：LincRNA-p21和PANDALncRNA不僅在發(fā)育過程中，而且在組織應(yīng)激時也能被發(fā)現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)lncRNA在p53轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。作為DNA損傷的直接靶點之一，位于CDKN1A基因上游的lncRNA稱為lincRNA-p21，在典型的p53通路中起轉(zhuǎn)錄抑制作用，并在觸發(fā)細胞凋亡中起作用。p53通過直接誘導(dǎo)lincRNA-p21的表達來調(diào)節(jié)lincRNA-p21的表達，而基因間lincRNA-p21的減少增加了大量p53抑制轉(zhuǎn)錄本的表達。此外，lincRNA-p21通過與異質(zhì)性核糖核蛋白K（hnRNP-K）的定位結(jié)合來抑制p53調(diào)節(jié)基因。在哺乳動物CDKN1A基因啟動子中再次發(fā)現(xiàn)了基因活性對外界刺激的另一個調(diào)節(jié)的例子，在DNA損傷時，幾個lncRNA轉(zhuǎn)錄。其中一個名為PANDA的lncRNA也以p53依賴的方式誘導(dǎo)。在缺乏p53基因的情況下，PANDA不能被DNA損傷激活。在DNA損傷后，p53直接與CDKN1A位點結(jié)合并激活PANDA；PANDA隨后與轉(zhuǎn)錄因子NF-YA相互作用，限制促凋亡基因的表達，使細胞周期停滯，表明lncRNA在細胞生長控制中可能發(fā)揮廣泛的作用。這些結(jié)果揭示了典型轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的見解，并提出了lncRNA可能作為多種轉(zhuǎn)錄途徑中的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點的可能性，作為一種信號來跟蹤啟動子對刺激的反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄活性。多能性相關(guān)的lincRNA最初是在小鼠胚胎干細胞（ESC）中發(fā)現(xiàn)，但一直缺乏支持其直接功能相關(guān)性的證據(jù)。研究人員表明體細胞重編程誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）伴隨著lincRNA的豐富表達。其中一個重編程誘導(dǎo)的lincRNA，名為lincRNA-RoR，通過三個因子在其啟動子區(qū)域附近的共定位，被證明是關(guān)鍵的多潛能因子Oct4、Sox2和Nanog的直接靶向因子。RoR在Oct4缺失時下調(diào)，在iPSC分化過程中也下調(diào)，這意味著特定的lincRNA由關(guān)鍵的多潛能因子共同調(diào)控。
在植物中也發(fā)現(xiàn)了lncRNA的組合轉(zhuǎn)錄調(diào)控現(xiàn)象。從營養(yǎng)發(fā)育到生殖發(fā)育的轉(zhuǎn)變是一個高度調(diào)節(jié)的過程，在許多植物物種中，對環(huán)境非常敏感，這些線索提供季節(jié)信息，在一年中的最佳時期開始開花。一個環(huán)境因素是冬天的寒冷。春季化是一種環(huán)境誘導(dǎo)的表觀遺傳轉(zhuǎn)換，在這種轉(zhuǎn)換中，長時間暴露在冬季寒冷的環(huán)境中會觸發(fā)花抑制因子的表觀遺傳沉默，并為春季開花提供能力。在擬南芥植物中，冬季寒冷會導(dǎo)致花抑制因子開花位點C（FLC）染色質(zhì)上三甲基化組蛋白H3K27的富集，并導(dǎo)致FLC的表觀遺傳穩(wěn)定抑制。這種表觀遺傳變化也通過PRC2復(fù)合物介導(dǎo)。在這種沉默中，最早的事件之一是大量的反義轉(zhuǎn)錄本的大量增加，命名為COOLAIR。COOLAIR啟動子是冷誘導(dǎo)的，足以誘導(dǎo)冷依賴性沉默。有趣的是，顯然正是對COOLAIR轉(zhuǎn)錄本的3’端的處理行為觸發(fā)了FLC沉默。最近，研究人員表明，一種稱為冷輔助內(nèi)含子非編碼RNA（COLDAIR）的長內(nèi)含子ncRNA是春季化介導(dǎo)的FLC表觀遺傳抑制所必需的，它通過與PRC2的物理聯(lián)系和對該位點的招募在FLC處建立穩(wěn)定的抑制染色質(zhì)。與轉(zhuǎn)錄終止觸發(fā)沉默的COOLAIR不同，COLDAIR lncRNA直接招募沉默因子。COLDAIR是從其靶基因FLC的內(nèi)含子中按正義鏈方向轉(zhuǎn)錄的。FLC在第一個內(nèi)含子中含有一個COLDAIR ncRNA的隱性啟動子，當FLC被抑制時，這個啟動子就會變得活躍。植物中l(wèi)ncRNA與PRC2的相互作用表明ncRNA-PRC2的關(guān)系似乎是一種進化保守的基因抑制機制。此外，COOLAIR和COLDAIR似乎是轉(zhuǎn)錄活性的信號，具有時空特異性。眾所周知，調(diào)節(jié)蛋白通過結(jié)合非編碼DNA的延伸來發(fā)揮其功能，要么靠近基因啟動子處的mRNA轉(zhuǎn)錄起始位點，要么位于離基因組更遠的增強子處。而增強子則通過幫助啟動子招募RNA聚合酶來起作用。最近，一類新的ncRNA增強子或eRNA已被發(fā)現(xiàn)，它是由特定增強子的活性依賴性RNA Pol II結(jié)合產(chǎn)生的。這些增強子的eRNA表達水平與附近基因的信使RNA合成水平呈正相關(guān)，表明eRNA的合成特別發(fā)生在積極促進mRNA合成的增強子上。這些發(fā)現(xiàn)表明增強子在調(diào)節(jié)基因表達方面具有更活躍的“類啟動子”作用。另一個研究小組從不同的角度探討同一問題，在不同的人類細胞系中發(fā)現(xiàn)了一類新的具有類增強子功能的lncRNA。這些lncRNA的缺失導(dǎo)致其鄰近蛋白編碼基因的表達減少，包括一些細胞分化的主要調(diào)控因子。與經(jīng)典的增強子一樣，lncRNA是無關(guān)方向的，需要在其靶基因中有一個最小的啟動子來增強它們的轉(zhuǎn)錄。雖然確切的分子機制尚未明確，但這組lncRNA說明真核細胞的轉(zhuǎn)錄受重疊機制的嚴格調(diào)控。以上兩個例子都證明了RNA可以作為活性調(diào)控途徑的標記物。然而，一個研究團隊發(fā)現(xiàn)了lncRNA的另一個未預(yù)見的功能，揭示了幾個對下調(diào)Staufen 1（STAU1）介導(dǎo)的信使RNA降解（SMD）的重要lncRNA。SMD調(diào)節(jié)哺乳動物細胞中不同種類的mRNA，這些細胞在其3’ 非翻譯區(qū)（3’ UTR）具有STAU1結(jié)合位點。研究人員認為，STAU1結(jié)合位點是一個順式元件，SMD靶向3’ UTR內(nèi)特定的二級結(jié)構(gòu)。有趣的是，一組1/2-sbsRNA的細胞質(zhì)lncRNA有助于STAU1結(jié)合位點的形成。這是基于Alu重復(fù)的不完全堿基配對實現(xiàn)，在某些mRNA的3’ UTR和lncRNA之間，通過SMD導(dǎo)致mRNA降解。這類功能的lncRNA可以下調(diào)SMD的靶基因，而不同的lncRNA可以下調(diào)同一個SMD的靶基因。這些發(fā)現(xiàn)揭示了lncRNA在mRNA代謝中的新作用，特別是作為一種時間和空間特異性的蛋白質(zhì)募集機制來介導(dǎo)mRNA的降解。部分互補的lncRNA/mRNA可以形成Staufen結(jié)合位點也可能適用于其他雙鏈RNA結(jié)合蛋白（RBP）依賴性途徑的調(diào)控。因此，lncRNA的信號功能不僅包括下游轉(zhuǎn)錄元件的標記，還包括轉(zhuǎn)錄本豐度/重復(fù)的檢測。總之，lncRNA的第一個功能作為轉(zhuǎn)錄活性的指標，獨立于其他功能，以直接的一對一關(guān)系發(fā)揮作用。增強子和啟動子的轉(zhuǎn)錄暗示了lncRNA在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄中的中心作用，無論是積極的還是消極的。這種ncRNA調(diào)控轉(zhuǎn)錄包括多種機制，其中一個主要的機制就是充當分子誘餌。這種lncRNA轉(zhuǎn)錄，然后結(jié)合一個蛋白質(zhì)靶點，但不發(fā)揮任何額外的功能。RNA充當RBP的“分子庫”，RBP本身就是轉(zhuǎn)錄因子、染色質(zhì)修飾因子或其他調(diào)節(jié)因子。符合這種功能的lncRNA可能通過負調(diào)節(jié)效應(yīng)發(fā)揮作用。lncRNA的敲除應(yīng)模擬蛋白功能的獲得，lncRNA和效應(yīng)功能的喪失將挽救表型。同一基因內(nèi)的可變啟動子是基因表達中的普遍現(xiàn)象。它們的選擇性調(diào)節(jié)機制因基因而異，現(xiàn)在才剛剛開始被發(fā)現(xiàn)。人類二氫葉酸還原酶（DHFR）基因就是這樣一個位點，它具有RNA依賴的轉(zhuǎn)錄抑制機制，從DHFR基因上游次級啟動子啟動的lncRNA通過與啟動子序列形成穩(wěn)定的ncRNA-DNA復(fù)合物，以及通過與轉(zhuǎn)錄因子IIB（TFIIB）的直接相互作用，抑制起始復(fù)合物在主啟動子處的組裝。當lncRNA通過siRNA敲低被特異性降解時，TFIIB在主要啟動子上的占有率仍然很高。這是一個高度動態(tài)的過程，它提供了一個特定的機制，可能有助于啟動子的靶向和抑制，并強調(diào)了基因間ncRNA在調(diào)控鄰近基因表達中的重要性，它充當了誘餌。端粒位于真核生物染色體物理末端的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物，對染色體穩(wěn)定性至關(guān)重要，轉(zhuǎn)錄為端粒重復(fù)序列RNA（TERRA），一種lncRNA，構(gòu)成端粒異染色質(zhì)的一個組成部分。TERRA RNA的存在暗示了調(diào)控和保護染色體末端的水平， TERRA通過端粒酶RNA模板序列互補的重復(fù)序列與端粒酶發(fā)生物理作用。此外，TERRA還獨立于端粒酶模板RNA接觸端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（TERT）蛋白亞基。值得注意的是，端粒異染色質(zhì)結(jié)合的TERRA是結(jié)合和分離端粒酶的，在這種情況下，TERRA結(jié)合端粒酶在端粒3’ 末端附近，同時抑制其作用。此外，TERRA水平以細胞周期依賴的方式變化，在G1早期積累，在S期持續(xù)下降，并在S期和G2期之間的過渡期達到最低表達水平。TERRA在S期下調(diào)可能釋放端粒酶，使端粒鏈以細胞周期依賴的方式延長。因此，端粒底物對端粒酶的調(diào)節(jié)可以通過其轉(zhuǎn)錄進行介導(dǎo)；這也是自然RNA配體作為酶活性的直接調(diào)節(jié)者而不是底物的例子。lncRNA PANDA是一個p53依賴的轉(zhuǎn)錄本，似乎也具有誘餌功能。DNA損傷可導(dǎo)致細胞凋亡或細胞周期停滯。PANDA對DNA損傷非常敏感，其表達的誘導(dǎo)早于CDKN1A。PANDA通過直接結(jié)合和分離NF-YA（一種在DNA損傷時激活凋亡程序的核轉(zhuǎn)錄因子）來抑制凋亡基因的表達，以利于細胞周期的停止。PANDA的缺失顯著增加了NF-YA在靶基因上的占有率，而同時敲低NF-YA和PANDA，則顯著減弱了凋亡基因和凋亡的誘導(dǎo)。有趣的是，有一部分人類乳腺癌細胞過表達PANDA，而PANDA的缺失可使細胞對化療藥物敏感，這暗示了其可能的臨床應(yīng)用。最近，lncRNA-Gas5是一種新的機制，細胞可以產(chǎn)生相對的糖皮質(zhì)激素抵抗狀態(tài)。Gas5通過其莖環(huán)結(jié)構(gòu)中形成一個RNA基序來抑制糖皮質(zhì)激素受體，類似于在糖皮質(zhì)激素反應(yīng)基因啟動子區(qū)發(fā)現(xiàn)的激素反應(yīng)元件的DNA基序。Gas5然后競爭與糖皮質(zhì)激素受體的DNA結(jié)合域結(jié)合，充當分子誘餌，并有效地阻止與染色體的相互作用。這可能是調(diào)節(jié)靶組織中類固醇激素活性的調(diào)節(jié)機制的一個組成部分。miRNA和剪接因子介導(dǎo)的LncRNA誘餌：假基因、miRNA靶向模擬物和MALAT1miRNA是一類小ncRNA，通過與信使RNA中的不完全互補序列相互作用而成為基因調(diào)控中的關(guān)鍵元素。miRNA通過結(jié)合編碼序列或靶基因轉(zhuǎn)錄本的3’ UTR上的互補位點發(fā)揮作用?，F(xiàn)有證據(jù)表明相反的機制也可能起作用，即mRNA的表達可以影響miRNA的分布。最近對腫瘤抑制因子假基因PTENP1的研究提出了一種觀點，通過分離miRNA來影響其調(diào)節(jié)的表達基因，它可能具有作為“誘餌”的生物學(xué)功能。具體地說，PTENP1 RNA的3’ UTR被發(fā)現(xiàn)與通常以腫瘤抑制基因PTEN為靶點的調(diào)節(jié)性miRNA序列結(jié)合，降低了PTEN mRNA的下調(diào)，并使其翻譯成腫瘤抑制蛋白PTEN。除了ncRNA的誘餌外，這一發(fā)現(xiàn)很好地說明了除了蛋白質(zhì)編碼功能之外，mRNA的另一個可能的調(diào)節(jié)作用。其他癌癥相關(guān)基因與其假基因之間可能存在類似的關(guān)系。類似地，在擬南芥中，ncRNA IPS1通過近乎完美的序列互補與磷酸饑餓誘導(dǎo)的miR-399結(jié)合并分離，因此，減弱miR-399的作用并改變莖部磷酸鹽含量。哺乳動物細胞中最豐富的核lncRNA之一是MALAT1（轉(zhuǎn)移相關(guān)肺癌轉(zhuǎn)錄本1），它位于細胞核斑中。MALAT1結(jié)合并分離出一些絲氨酸/精氨酸（SR）剪接因子到核斑。MALAT1的缺失改變了剪接因子的定位和活性，導(dǎo)致了一組未成熟mRNA的選擇性剪接模式的改變。在海馬神經(jīng)元中，SR剪接因子的MALAT1調(diào)節(jié)對突觸形成很重要。因此，lncRNA誘餌可以在細胞核亞區(qū)以及染色質(zhì)或細胞質(zhì)中發(fā)揮作用。總之，這些無數(shù)的例子說明了lncRNA誘餌可以結(jié)合蛋白質(zhì)和小的調(diào)節(jié)性RNA，并可能在生命的多個地方中發(fā)揮作用。lncRNA的第三個功能是引導(dǎo)RNA結(jié)合蛋白質(zhì)，然后引導(dǎo)核糖核蛋白復(fù)合物定位到特定的靶點。從目前的討論中可以明顯看出，lncRNA可以以順式（在鄰近基因上）或反式（遠定位基因）的方式來指導(dǎo)基因表達的變化。這些RNA在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的眾多獨特的作用決定了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的某些局部變化。lncRNA如Air和eRNA似乎通過轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要序列元件（如啟動子或增強子）發(fā)揮其在順式元件中的作用。相比之下，對于像HOTAIR和lincRNA-p21這樣的lncRNA，長距離的基因調(diào)控作用需要額外的相互作用的其他蛋白來定位到它們的作用部位。原則上，lncRNA可以以共轉(zhuǎn)錄的方式（通過RNA聚合酶）或作為小的調(diào)控RNA的靶點來引導(dǎo)順式調(diào)控作用中的染色質(zhì)變化；通過lncRNA與靶DNA結(jié)合，lncRNA可以作為一個輔助靶點來引導(dǎo)反式調(diào)控作用中的染色質(zhì)變化。lncRNA引起的基因調(diào)控包括抑制（如polycomb）和激活（如MLL）復(fù)合物以及轉(zhuǎn)錄因子（TFIIB）。然而，無論距離或機制如何（順式或反式），原理都是一樣的：通過干預(yù)DNA鏈傳遞調(diào)控信息來控制靶基因的表達，從而導(dǎo)致表觀基因組的改變。這種功能中還有很多的復(fù)雜性，因為還有幾個可能的其他效應(yīng)因子：激活復(fù)合物，如三羥甲基蛋白（TxG）；抑制復(fù)合物，如多梳家族蛋白（PcG）；以及通常的轉(zhuǎn)錄因子集。此外，效應(yīng)因子可以定位在順式和反式。進一步說，一些lncRNA可能是“系鏈”，在它們的合成位點招募一些染色質(zhì)修飾蛋白，而其他lncRNA可能作為“引導(dǎo)者”作用于遙遠位置的基因，影響染色質(zhì)狀態(tài)。研究人員推測與經(jīng)典的核糖開關(guān)相互作用類似，小分子（如離子、酶輔因子和核苷酸類似物）與lncRNA的結(jié)合，從而調(diào)節(jié)RNA染色質(zhì)/RNA染色質(zhì)重塑界面。這種lncRNA功能預(yù)測的關(guān)鍵如下：lncRNA的敲低將改變/干擾效應(yīng)因子的正確定位，或可能導(dǎo)致效應(yīng)因子自身功能的喪失；lncRNA和效應(yīng)因子的雙重敲低可能會導(dǎo)致表型惡化而不是挽救，正如誘餌功能一樣。順式引導(dǎo)：Xist、Air、COLDAIR、rDNA轉(zhuǎn)錄本、CCND1和HOTTIP過去幾年的研究揭示了RNA在等位基因、順式限制和位點特異性控制方面的優(yōu)勢。而lncRNA最深入研究和最了解的順式調(diào)控機制是哺乳動物X染色體失活中心（Xic），這是一個基因位點，它引導(dǎo)了許多ncRNA，包括Xist。Xic控制雌性哺乳動物兩條X染色體中一條的沉默，以實現(xiàn)兩性間的劑量補償。在另一條X染色體的全染色體基因沉默中，首先發(fā)生的變化之一是多梳抑制復(fù)合物2（PRC2）的募集；PRC2由RepA RNA帶入到順式元件，RepA RNA是一種源于Xist 5’ 末端的1.6kb ncRNA。Xist啟動子上RepA介導(dǎo)的PRC2募集和H3K27三甲基化導(dǎo)致一種“異染色體狀態(tài)”。Xist的擴散伴隨著多梳蛋白的增加以及與之相關(guān)的染色質(zhì)對不活躍的X染色體（Xi）的修飾。最近，hnRNP U蛋白被證明是Xi上Xist RNA積累所必需的。Xist-RNA與hnRNP-U相互作用，hnRNP-U的缺失導(dǎo)致Xist從Xi分離并在核質(zhì)中擴散定位。因此，XCI是lncRNA招募染色質(zhì)修飾活性的一個突出例子，并為順式定位機制提供了一個功能模型。類似的作用機制似乎在其他具有轉(zhuǎn)錄抑制活性的lncRNA中發(fā)揮作用。lncRNA Air通過ncRNA和啟動子處染色質(zhì)之間特定的相互作用，使其靶基因在父本染色體上的轉(zhuǎn)錄沉默；啟動子處積聚的Air招募G9a并導(dǎo)致靶向H3K9甲基化和等位基因沉默。而冷誘導(dǎo)植物lncRNA COLDAIR需要建立和維持穩(wěn)定的抑制染色質(zhì)。COLDAIR在春季化過程中引導(dǎo)PRC2復(fù)合物到FLC的染色質(zhì)中起著關(guān)鍵作用，通過H3K27的三甲基化抑制基因表達。類似地，在酵母中，許多基因位點的反義鏈lncRNA通過影響組蛋白乙?；图谆癄顟B(tài)來沉默正義鏈的轉(zhuǎn)錄。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)提示lncRNA可以通過與染色質(zhì)的特異性相互作用來介導(dǎo)順式作用中抑制性組蛋白修飾活性的靶向招募，從而在表觀遺傳學(xué)上沉默轉(zhuǎn)錄。RNA與互補DNA序列結(jié)合的潛力使許多人推測RNA可能在染色質(zhì)狀態(tài)的建立和傳遞中起著重要的指導(dǎo)作用。研究人員已經(jīng)證明這可能是一個主要的機制，發(fā)現(xiàn)pRNA（啟動子相關(guān)RNA）是核糖體DNA啟動子的補充途徑，可以在TTF-1的結(jié)合部位形成RNA-DNA三聯(lián)體結(jié)構(gòu)。三聯(lián)體可以阻止TTF-1的結(jié)合，同時招募DNMT3b，一種促進啟動子甲基化并導(dǎo)致rRNA基因轉(zhuǎn)錄沉默的DNA甲基化酶。這可能代表了一種更普遍的表觀遺傳調(diào)控方法，即三聯(lián)體形成ncRNA通過啟動子特異性靶向染色質(zhì)修飾酶，并以ncRNA作為引導(dǎo)分子。lncRNA還參與轉(zhuǎn)錄共激活和共抑制復(fù)合物對基因表達程序的調(diào)控，如CREB結(jié)合蛋白（CBP）和p300組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶。已知參與肉瘤和白血病染色體易位的RBP-TLS（脂肪肉瘤中的易位）通過細胞周期蛋白D1啟動子處產(chǎn)生的一種結(jié)合的lncRNA招募到染色質(zhì)中。lncRNA與TLS的結(jié)合反過來又誘導(dǎo)TLS的構(gòu)象變化，使其氨基端能夠抑制組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶p300和CBP的活性，從而抑制基因表達。最近從人類HoxA基因簇中鑒定出HOTTIP lncRNA，通過染色體環(huán)將lncRNA傳遞到其作用位點的中心作用，為lncRNA的順式調(diào)控增加了一個額外的途徑。作為傳遞高階染色體環(huán)向染色質(zhì)修飾信息的關(guān)鍵中間體，lncRNA可以組織染色質(zhì)域來協(xié)調(diào)基因的長距離激活。值得注意的是，全基因組染色體構(gòu)象捕獲（3C）技術(shù)的應(yīng)用最近揭示了PcG蛋白靶位點之間的巨大物理相互作用網(wǎng)絡(luò)。理論上，染色體構(gòu)象可以提供一種機制，lncRNA可以調(diào)節(jié)多個相鄰基因座的轉(zhuǎn)錄活性，這一現(xiàn)象被稱為基因座調(diào)控，例如HOX基因簇。反式引導(dǎo)：HOTAIR、LincRNA-p21、Jpx和其他與PRC2相關(guān)的RNA與順式調(diào)節(jié)lncRNA組相反，有幾個lncRNA的例子，它們在反式染色體上發(fā)揮轉(zhuǎn)錄作用。最近研究顯示Hox lncRNA HOTAIR的表達與癌癥轉(zhuǎn)移相關(guān)。在原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性乳腺癌中觀察到HOTAIR的表達升高。此外，癌細胞中HOTAIR的消耗導(dǎo)致表達高水平多梳蛋白（PRC2）的細胞的侵襲性降低。這些發(fā)現(xiàn)表明，ncRNA介導(dǎo)的靶向多梳復(fù)合物是乳腺腫瘤發(fā)生中的關(guān)鍵事件。具體而言，暗示lncRNA如HOTAIR能夠通過其靶向染色質(zhì)修飾復(fù)合物占據(jù)/定位/反式酶活性來改變和調(diào)節(jié)細胞中的表觀遺傳狀態(tài)。為了支持這一想法，在各種細胞類型中表達的多種lncRNA，結(jié)合PRC2，并且siRNA介導(dǎo)lncRNA的敲低導(dǎo)致PRC2抑制的基因的富集，類似于部分PRC2敲低表型。Jpx是激活非活性X染色體上Xist RNA的重要lncRNA，在XCI期間受到發(fā)育調(diào)控和積累。Jpx的缺失會阻礙XCI，而Jpx的轉(zhuǎn)錄后敲低會重復(fù)敲除表型。此外，反式作用提供的Jpx可以挽救Jpx基因敲除。Jpx反式激活Xist RNA的機制尚不清楚，但可能涉及將多梳復(fù)合物加載到Xist啟動子上以產(chǎn)生Xist反式激活的允許狀態(tài)。lincRNA-p21能夠在基因組中的多個位點發(fā)揮其對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達的影響。lincRNA-p21的異位表達可以繞過上游調(diào)節(jié)因子p53而誘導(dǎo)基因表達改變和細胞凋亡。與lincRNA-p21相關(guān)的抑制性復(fù)合物如何識別靶向基因座以及該復(fù)合物如何沉默轉(zhuǎn)錄仍有待確定。lncRNA可以作為組裝相關(guān)分子組分的中心平臺；在許多不同的生物信號傳導(dǎo)過程中，精確控制的這一特征對于精確控制分子間相互作用和信號傳導(dǎo)事件的特異性和動力學(xué)至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，蛋白質(zhì)被認為是各種支架復(fù)合物的主要參與者。然而，最近的證據(jù)提出了lncRNA也可能發(fā)揮類似作用。lncRNA的第四個功能是支架。這可能是功能最復(fù)雜的類別，其中l(wèi)ncRNA具有結(jié)合不同效應(yīng)因子的不同結(jié)構(gòu)域。lncRNA同時結(jié)合多個效應(yīng)因子配體，并將效應(yīng)因子（其可能具有轉(zhuǎn)錄激活或抑制活性）在時間和空間上結(jié)合在一起。一旦對這些支架復(fù)合物如何組裝和調(diào)節(jié)有了更深入的了解，就有可能設(shè)計策略來選擇性地利用特定的信號組件來重新定義細胞行為。對這種lncRNA功能預(yù)測的關(guān)鍵將包括以下內(nèi)容：通過拆除lncRNA效應(yīng)因子支架，lncRNA的敲低將改變/干擾效應(yīng)分子的正確定位或表征效應(yīng)因子本身的功能喪失，使得組件不再組裝在一起。lncRNA和效應(yīng)因子的雙重敲低將導(dǎo)致表型的惡化而不是如誘餌功能所預(yù)期的拯救效果。最后，干擾lncRNA的不同區(qū)域應(yīng)該影響不同的效應(yīng)因子和功能。端粒酶是幾乎所有真核生物中都保守的逆轉(zhuǎn)錄酶，通過添加從染色體末端丟失的端粒DNA重復(fù)序列，在維持基因組穩(wěn)定性起著基本作用。端粒酶的蛋白質(zhì)和RNA亞基以相互依賴的方式折疊并發(fā)揮作用，建立端粒重復(fù)合成的高保真度。端粒酶催化活性需要兩個通用端粒酶亞基的結(jié)合：一個完整的RNA亞基，提供重復(fù)合成模板的端粒酶RNA（TERC），以及一個催化蛋白亞基TERT，以及幾個物種特異性輔助蛋白。除了那些在復(fù)合物穩(wěn)定性中起主要作用的結(jié)構(gòu)外，TERC具有有助于TERT結(jié)合和催化活性的結(jié)構(gòu)。改變TERC不同構(gòu)象狀態(tài)之間平衡的突變會導(dǎo)致疾病狀態(tài)，例如先天性角化不全，可能是通過破壞RNA支架結(jié)構(gòu)來破壞端粒調(diào)節(jié)蛋白的模塊結(jié)合位點。因此，TERC的主要功能似乎是支架的功能。研究人員設(shè)計了功能活躍的微型端粒酶RNA，通過將最小的RNA序列拼接在一起，在芽殖酵母中重新組裝端粒酶復(fù)合物。該證據(jù)表明端粒酶RNA可以作為其蛋白質(zhì)亞基的松散有序的柔性支架。HOTAIR：PRC2和LSD1，二價染色質(zhì)的分辨率基于動態(tài)表達模式，特定的lncRNA可以在生物發(fā)育和疾病期間以空間和時間特異性方式潛在地整合和指導(dǎo)特定靶基因座處的染色質(zhì)狀態(tài)的復(fù)雜模式。如上所述，lncRNA HOTAIR結(jié)合多梳復(fù)合物PRC2，使K27上的組蛋白H3甲基化來促進基因抑制；最新的研究成果顯示負責(zé)PRC2結(jié)合的片段是lncRNA 5’ 端的前300nt。此外，發(fā)現(xiàn)3’ 端700nt的HOTAIR還與含有LSD1、CoREST和REST的復(fù)合物相互作用，使K4上的組蛋白H3去甲基化以拮抗基因活化。這一發(fā)現(xiàn)表明，HOTAIR靶向多種染色質(zhì)修飾復(fù)合物，表明HOTAIR在PRC2和LSD1/CoREST/REST復(fù)合物之間充當支架和橋梁，同時HOTAIR/PRC2/LSD1復(fù)合物可通過多種機制抑制基因表達。事實上，HOTAIR表達可以誘導(dǎo)PRC2和LSD1復(fù)合物的相互作用，而HOTAIR的缺失導(dǎo)致兩種復(fù)合物從靶基因上脫離。值得注意的是，許多額外的lincRNA可以在幾種細胞類型中與PRC2和LSD1復(fù)合物相互作用。其他lincRNA也很可能含有多個結(jié)合位點。KCNQ1ot1可以對PRC2和G9a執(zhí)行類似的功能，介導(dǎo)H3K27me3和H3K9me3甲基化。INK4a基因座的轉(zhuǎn)錄抑制中，可以發(fā)現(xiàn)lncRNA和染色質(zhì)修飾復(fù)合物之間的分子相互作用。INK4b/ARF/INK4a腫瘤抑制基因座在正常細胞和癌細胞中的表達受PcG蛋白指導(dǎo)的K27組蛋白H3甲基化控制。源自相同INK4b/ARF/INK4a基因座的反義ncRNA ANRIL對于順式表達蛋白質(zhì)編碼基因也是重要的。過去幾年的研究工作證明ANRIL與PRC1和PRC2復(fù)合物之間的直接相互作用。與ANRIL的結(jié)合有助于PRC1和PRC2蛋白的功能，并且任一相互作用的破壞影響靶INK4b基因座的轉(zhuǎn)錄抑制。因此，類似于HOTAIR，ANRIL代表lncRNA的一種功能，其總是存在于基因座處并向靶基因募集多組染色質(zhì)修飾復(fù)合物用于沉默，用作動態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性的分子支架。此外，ANRIL可用于進一步研究RNA介導(dǎo)的靶向多梳蛋白的生物學(xué)意義。XCI還可能涉及PRC1和PRC2的RNA支架。外周中心異染色質(zhì)：α衛(wèi)星重復(fù)lncRNA近年來，研究顯示ncRNA在異染色質(zhì)建立中發(fā)揮作用。以特定的染色質(zhì)標記和染色體中心為特征，外周中心衛(wèi)星上的異染色質(zhì)對基因組功能至關(guān)重要。研究人員證明在外周中心異染色質(zhì)外圍存在與主要衛(wèi)星重復(fù)序列相對應(yīng)的長核非編碼轉(zhuǎn)錄本，并且這些lncRNA正向的主要轉(zhuǎn)錄本與小的泛素樣修飾劑（SUMO）修飾的異染色質(zhì)特異性結(jié)合蛋白1（HP1）相關(guān)。正向RNA與SUMO-HP1復(fù)合物在外周中心異染色質(zhì)上的初始靶點相關(guān)聯(lián)并提供特異性，以進一步HP1定位。因此，lncRNA充當HP1靶點和局部積累的分子支架。幾種lncRNA具有多種功能的特征，這些特征組合起來對其最終的生物學(xué)功能至關(guān)重要。例如，COLDAIR和COOLAIR是根據(jù)低溫的環(huán)境因素轉(zhuǎn)錄的-它們的轉(zhuǎn)錄是重要生物事件的信號，是長時間冬季過后開花的準備。然后通過COLDAIR結(jié)合PRC2實現(xiàn)花抑制因子的表觀遺傳抑制，lncRNA作為引導(dǎo)影響FLC基因座沉默以實現(xiàn)春季化的生物學(xué)效應(yīng)。lncRNA HOTTIP是“信號加引導(dǎo)”組合功能的另一個例子，它與其他遠端HOXA基因一起以時間和空間方式轉(zhuǎn)錄，通過結(jié)合并靶向trithorax蛋白復(fù)合物來傳遞位置特性和功能。HOTAIR的例子說明了另一種組合功能。像HOTTIP一樣，HOTAIR在后端和遠端細胞中轉(zhuǎn)錄，作為解剖學(xué)特異性的信號。通過與PRC2和LSD1復(fù)合物結(jié)合，HOTAIR作為模塊化的支架，并通過靶向PRC2指引到適當?shù)幕蚪M位置。因此，最終通過功能性多樣的lncRNA實現(xiàn)位置特性和介導(dǎo)適當基因表達的染色質(zhì)修飾。分析四種lncRNA功能的新興主題將是逐步復(fù)雜的過程。當從進化的角度考慮每個功能時，這是一個非常簡單的增量修改過程。簡單的信號lncRNA功能，例如eRNA，僅需要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)性DNA元件。如果由于形成DNA對應(yīng)的RNA基序（如Gas5的情況）而產(chǎn)生的lncRNA也結(jié)合蛋白質(zhì)，則lncRNA發(fā)展成分子誘餌。如果lncRNA又獲得將結(jié)合的效應(yīng)因子以順式或反式靶向特定DNA序列的能力，則它轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)。發(fā)生核酸復(fù)制、融合和重組事件，lncRNA獲得多個效應(yīng)因子結(jié)合位點又變成支架。這種逐步的情況很可能是因為調(diào)節(jié)性DNA被轉(zhuǎn)錄，例如增強子，根據(jù)高親和力的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列，通常是串聯(lián)和組合排列。因此，原始lncRNA“信號”通?？赡芎泄δ苄园l(fā)展成為誘餌、引導(dǎo)和支架。越來越多的研究表明，調(diào)節(jié)區(qū)域的多態(tài)性和突變與人類疾病有關(guān)。但是，目前研究人員只是觀察冰山一角。越來越清楚的是，許多常見的疾病關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)非編碼區(qū)變異是這些遲發(fā)性疾病的根本原因。這是令人興奮的，并可能有助于疾病的管理和治療。未來探索的領(lǐng)域?qū)ㄍㄟ^lncRNA及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)將生理和環(huán)境變化轉(zhuǎn)化為變化的基因功能的機制。研究人員希望提供邏輯和實驗證據(jù)來支持lncRNA的功能分類作為一個有用的框架。隨著lncRNA調(diào)控的更多例子被發(fā)現(xiàn)，大型轉(zhuǎn)錄本最終將在其多功能性方面與小RNA和蛋白質(zhì)相媲美，成為遺傳信息的調(diào)節(jié)因子。
更多推薦
1 高分綜述 | Trends in Biotechnology: 單細胞分辨率下利用空間轉(zhuǎn)錄組揭示器官分子結(jié)構(gòu)（國人佳作）
本站僅提供存儲服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請
點擊舉報。
