lncrna在表觀遺傳調(diào)控中的作用

lncrna在表觀遺傳調(diào)控中的作用

現(xiàn)在，通過en代碼研究計(jì)劃，驗(yàn)證了真核生物遺傳組中存在大量非編碼鈉（rcrn）。這些氮rna沒有編碼能力，但可以在不同的細(xì)胞或細(xì)胞的發(fā)育階段發(fā)揮重要作用。從長度來看，rcna可分為小型rcna（如sina、mirna、pirna）和長鏈非編碼鈉（lnknas）。對于小型lcnas序列非常保守，主要是通過特定的堿基互補(bǔ)配和反應(yīng)方法在傳輸和轉(zhuǎn)換率下調(diào)整遺傳因素的表達(dá)。然而，對于lnmnas序列的保守度來說，它們的生物學(xué)功能豐富多樣。lnmnas的功能包括：遺傳改良、復(fù)制和監(jiān)督，以及復(fù)制后的ran加工?，F(xiàn)在，lnmnas是生物化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新興研究熱點(diǎn)。本文將重點(diǎn)關(guān)注lnmnas在表觀遺傳監(jiān)督中的作用及其最新研究。1lnprnnas的結(jié)構(gòu)和功能特性lncRNAs通常是一類轉(zhuǎn)錄本長度大于200nt,缺乏蛋白質(zhì)編碼能力的功能性RNA分子.與mRNA類似,大多數(shù)lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ(RNApolymeraseⅡ,RNApolⅡ)轉(zhuǎn)錄,經(jīng)過剪接加工而成熟.一些成熟的lncRNAs與mRNA一樣也具有5′帽子結(jié)構(gòu)和3′多聚腺苷酸尾.根據(jù)lncRNAs相對于蛋白質(zhì)編碼基因的位置,可將其分為5種類型,包括正義型、反義型、基因內(nèi)型、基因間型和雙向型lncRNAs.大多數(shù)lncRNAs在結(jié)構(gòu)和功能上具有一些共同的特征:a.lncRNAs缺乏有意義的開放閱讀框架,無蛋白質(zhì)編碼能力;b.lncRNAs的一級結(jié)構(gòu)保守性較差,而在二級結(jié)構(gòu)和剪接模式等方面表現(xiàn)出功能上的保守性;c.lncRNAs具有較高的組織或細(xì)胞特異性.然而,越來越多的研究表明,lncRNAs能以更加敏感與快速的方式為機(jī)體提供精細(xì)而微妙的調(diào)節(jié).相比于小ncRNA而言,lncRNAs有著更加長的核苷酸序列以及更加復(fù)雜的二級結(jié)構(gòu),可以通過與DNA、RNA或蛋白質(zhì)相互作用來行使信號、誘餌、引導(dǎo)和支架等多種分子功能.2lnpnas修飾表觀遺傳是指遺傳表型和基因表達(dá)發(fā)生了可遺傳的改變,而不涉及DNA序列的變化,主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑等修飾形式.近年來研究表明,lncRNAs在表觀遺傳調(diào)控中起到至關(guān)重要的作用.2.1lngrnnakcnq1基因與lngrnna系統(tǒng)發(fā)育作用在哺乳動(dòng)物中,DNA甲基化(DNAmethylation)是一種關(guān)鍵的表觀遺傳修飾形式.DNA甲基化修飾主要發(fā)生于CpG島中的胞嘧啶.研究顯示,DNA甲基化主要由DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)介導(dǎo),后者主要包括DNMT3(DNMT3a、DNMT3b)和DNMT1兩大類,它們分別扮演著催化和維持DNA甲基化的角色.研究表明,lncRNAs在DNA甲基化與去甲基化引起的基因表達(dá)變化中均扮演重要的角色(表1).lncRNAs可以參與由DNA甲基化介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄失活過程.研究表明,肝內(nèi)DHRS4基因能夠編碼重要的代謝酶.DHRS4基因反義轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的lncRNAAS1DHRS4可以招募DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶,催化DHRS4L2基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島甲基化,使得DHRS4L2基因的轉(zhuǎn)錄失活.在哺乳動(dòng)物的X染色體失活(Xchromosomeinactivation,XCI)過程中,需活化的X染色體可以生成lncRNATsix,后者募集DNMT3a到Xist基因的啟動(dòng)子區(qū),使其發(fā)生DNA甲基化,起到拮抗lncRNAXist的作用,最終阻止lncRNAXist在需活化的X染色體中累積.也有證據(jù)表明,lncRNATsix和lncRNAXist退火后形成RNA二聚體,并經(jīng)過加工產(chǎn)生siRNA,進(jìn)一步通過RNAi通路介導(dǎo)DNA甲基化,使得Xist基因的表達(dá)受到抑制.在基因組印記中,Kcnq1基因中的差異性甲基化區(qū)域(differentiallymethylatedregion,DMR)是調(diào)節(jié)Kcnq1基因簇印記狀態(tài)的關(guān)鍵元件.lncRNAKcnq1ot1基因的啟動(dòng)子位于Kcnq1基因第10內(nèi)含子內(nèi),并且與母源高甲基化的DMR重疊,這是lncRNAKcnq1ot1只在父源中表達(dá)的緣由.研究表明,lncRNAKcnq1ot1能夠募集DNMT1到Cdkn1c和Slc22a18基因,通過維持相關(guān)DMR的DNA甲基化作用,從而抑制兩者的轉(zhuǎn)錄.關(guān)于lncRNAKcnq1ot1的研究仍存在一些重要的問題尚未解決,如它通過什么機(jī)制維持多個(gè)印記基因的沉默狀態(tài)?這些沉默機(jī)制受細(xì)胞內(nèi)哪些因素的影響?另外,lncRNAs在DNA去甲基化介導(dǎo)的基因活化中也起著重要的作用.Imamura等研究發(fā)現(xiàn),lncRNAKhps1a由Sphk1基因的CpG島反義轉(zhuǎn)錄生成.lncRNAKhps1a可與Sphk1基因中的組織特異性依賴的差異甲基化區(qū)(tissue-dependentdifferentiallymethylatedregion,T-DMR)相互作用,使得Sphk1基因CpG島的甲基化水平下降,進(jìn)而激活了Sphk1基因的轉(zhuǎn)錄和促進(jìn)腫瘤的發(fā)生.這一過程與T-DMR中3個(gè)CC(A/T)GG位點(diǎn)的DNA甲基化修飾密切相關(guān).此外,在小鼠的研究中發(fā)現(xiàn),母源Dlk1與Gtl2基因間差異甲基化區(qū)域(intergenicdifferentiallymethylatedregion,IG-DMR)發(fā)生去甲基化,可促進(jìn)lncRNAGtl2的轉(zhuǎn)錄.而lncRNAGtl2可通過一些潛在的機(jī)制,如抑制DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用或招募DNA去甲基化因子(如Tet蛋白)等,使得IG-DMR處于非甲基化的狀態(tài),導(dǎo)致Dlk1與Gtl2基因在不同親本中差異性表達(dá),從而參與基因組印記的調(diào)節(jié).2.2lng基因參與組織化學(xué)表達(dá)組蛋白修飾(histonemodification)是另一種重要的表觀遺傳修飾形式.一般來說,組蛋白可經(jīng)多種組蛋白修飾酶的作用而發(fā)生不同類型的共價(jià)修飾(如甲基化、乙?；?.研究發(fā)現(xiàn),lncRNAs參與了多種組蛋白修飾的調(diào)節(jié)過程,從而抑制或激活基因的表達(dá)(表2).lncRNAs可以通過組蛋白修飾抑制基因的表達(dá).vanWerven等在酵母中研究發(fā)現(xiàn),lncRNAIRT1可以招募組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶Set2和組蛋白去乙?；窼et3到IME1基因的啟動(dòng)子區(qū),并占據(jù)轉(zhuǎn)錄因子與IME1基因的結(jié)合位點(diǎn),主要通過組蛋白去乙酰化作用介導(dǎo)IME1基因的轉(zhuǎn)錄沉默,最終使得MATa或MATα單倍體細(xì)胞無法形成芽孢.同樣地,酵母中的lncRNAGAL10在Set2和組蛋白去乙?；瘡?fù)合物RPD3S的參與下,干擾轉(zhuǎn)錄因子的作用,催化組蛋白發(fā)生H3K36三甲基化和去乙?；揎?從而抑制GAL1和GAL10基因的表達(dá).在植物擬南芥中,春化作用誘導(dǎo)產(chǎn)生的lncRNACOLDAIR能夠參與控制擬南芥的開花時(shí)間.其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是lncRNACOLDAIR與PRC2(polycomerepresscomplex2)的結(jié)合引起H3K27三甲基化,使得與擬南芥開花相關(guān)的FLC基因的表達(dá)受到抑制.lncRNAs廣泛參與機(jī)體的生長發(fā)育、DNA損傷修復(fù)以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展等生理或病理過程.lncRNAAir由Igf2r基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生.lncRNAAir募集組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a后,促進(jìn)H3K9三甲基化的形成,從而抑制Slc22a3基因的表達(dá).與機(jī)體生長發(fā)育相關(guān)的HOXC基因簇可以轉(zhuǎn)錄生成lncRNAHOTAIR,后者通過其5′端和3′端區(qū)域分別連接PRC2和LSD1/CoREST/REST復(fù)合體,并將它們招募到HOXD基因簇,誘發(fā)H3K27三甲基化和H3K4去甲基化,導(dǎo)致HOXD基因簇中長達(dá)40kb范圍的基因發(fā)生表觀遺傳沉默.lncRNAANRIL由INK4A-ARF-INK4B抑癌基因簇轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生.ANRIL結(jié)合PRC2的SUZ12組分,將PRC2招募到INK4A-ARF-INK4B抑癌基因簇,催化H3K27的三甲基化,使p15INK4B基因沉默.而PRC1的CBX7組分可通過其染色質(zhì)結(jié)合結(jié)構(gòu)域識別并結(jié)合ANRIL以及甲基化修飾的H3K27,最終抑制p16INK4A基因的轉(zhuǎn)錄并延緩衰老的發(fā)生.另一個(gè)抑癌基因RASST1的反義轉(zhuǎn)錄本lncRNAANRASSF1可與自身的轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)形成RNA/DNA雜交分子,隨后募集PRC2并引起H3K27三甲基化,抑制RASST1A基因的表達(dá).在DNA損傷的刺激下,細(xì)胞周期蛋白D1(cyclinD1)基因上游的調(diào)控區(qū)域可轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生lncRNACCND1ncRNA,后者可與RNA結(jié)合蛋白TLS結(jié)合,誘導(dǎo)TLS的變構(gòu)激活,進(jìn)而抑制CBP(CREB-bindingprotein)和組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶p300的活性,導(dǎo)致cyclinD1的轉(zhuǎn)錄失活.值得關(guān)注的是,AS1DHRS4和Kcnq1ot1除了影響DNA甲基化外,它們在組蛋白修飾中也扮演重要的角色.AS1DHRS4可以募集PRC2和組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a,分別引起H3K27三甲基化和H3K9二甲基化,導(dǎo)致DHRS4L2和DHRS4L1基因轉(zhuǎn)錄失活.進(jìn)一步研究顯示,AS1DHRS4還可參與DHRS4基因相關(guān)的組蛋白H3去乙?；虷3K4去甲基化修飾的形成.同樣地,Kcnq1ot1也可招募PRC2和G9a,誘發(fā)H3K27三甲基化和H3K9三甲基化,使得Kcnq1基因簇中部分區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)錄抑制作用.另外,lncRNAs還可通過組蛋白修飾激活基因的表達(dá).HOXA基因簇5′端轉(zhuǎn)錄可以生成lncRNAHOTTIP,后者募集WDR5/MLL復(fù)合物并誘導(dǎo)組蛋白H3K4三甲基化,從而激活HOXA基因簇5′端多個(gè)基因的表達(dá).在小鼠中,lncRNANeST也可與WDR5相互作用,催化H3K4三甲基化并激活I(lǐng)fng基因的表達(dá).研究表明,當(dāng)位于染色體4q35區(qū)域上的D4Z4重復(fù)序列數(shù)量減少時(shí),可促進(jìn)lncRNADBE-T的轉(zhuǎn)錄.后者可通過ASH1L募集TrxG(trithoraxgroup),誘導(dǎo)組蛋白發(fā)生H3K36二甲基化和H3K4三甲基化的修飾,最終激活A(yù)NT1、DUX4等基因的表達(dá).另有研究表明,lncRNAFenderr可以募集PRC2使組蛋白發(fā)生抑制性修飾,或者募集TrxG/MLL誘導(dǎo)組蛋白形成激活性的修飾,最終在表觀遺傳水平調(diào)節(jié)與小鼠心臟發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(如GATA-6)的表達(dá).有趣的是,在人類細(xì)胞中約有20%的lncRNAs可以與PRC2結(jié)合,提示這可能是lncRNAs參與組蛋白修飾的一種普遍機(jī)制.2.3lnprna系統(tǒng)機(jī)制染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)主要涉及核小體轉(zhuǎn)位、重組以及穩(wěn)定性降低等改變.核小體的轉(zhuǎn)位與重組能夠改變DNA的調(diào)控序列與轉(zhuǎn)錄因子的親和性,進(jìn)而影響相關(guān)基因的表達(dá).lncRNAs在染色質(zhì)重塑過程中也發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用(表3).在擬南芥中,RNA聚合酶Ⅴ產(chǎn)生的lncRNAs(如IGN22等)可以與IDN2二聚體、AGO4-siRNA以及SPT5L形成復(fù)合物,進(jìn)一步通過IDN2結(jié)合SWI3B蛋白并募集SWI/SNF染色質(zhì)重塑復(fù)合體,使得核小體發(fā)生轉(zhuǎn)位,并通過誘導(dǎo)DNA甲基化作用干擾RNApolⅡ的結(jié)合,最終抑制基因的轉(zhuǎn)錄.在酵母中,與下游SER3基因重疊的SRG1基因可以編碼產(chǎn)生lncRNASRG1,后者轉(zhuǎn)錄時(shí)可干擾轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到SER3基因啟動(dòng)子區(qū),并誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,促進(jìn)核小體在該基因啟動(dòng)子區(qū)聚集,最終抑制SER3基因的轉(zhuǎn)錄.研究表明,lncRNAIRT1與Set2和Set3相互作用,并誘導(dǎo)IME1基因的沉默,這種沉默作用與IME1基因啟動(dòng)子區(qū)核小體密度的增加以及轉(zhuǎn)錄因子的解離相關(guān).另外,lncRNAHOTAIR能夠招募PRC2誘導(dǎo)染色質(zhì)形成抑制性的狀態(tài),通過染色質(zhì)重塑實(shí)現(xiàn)對HOXD基因簇的遠(yuǎn)程調(diào)控.lncRNAANRIL可與PRC1和PRC2相互作用,分別抑制p16INK4A和p15INK4B的表達(dá),由PRC介導(dǎo)的INK4A-ARF-INK4B基因簇異染色質(zhì)的形成是其主要的機(jī)制.同樣,lncRNAAir和lncRNAKcnqlot1均能與PRC和G9a結(jié)合,分別引起Igf2r和Kcnq1基因簇中的相應(yīng)染色體位置發(fā)生異染色質(zhì)化,最終使它們發(fā)生基因沉默.在真核生物的發(fā)育過程中,端粒的轉(zhuǎn)錄是一種普遍保守的現(xiàn)象.端粒轉(zhuǎn)錄生成的lncRNATERRA可通過5′UUAGGG3′重復(fù)序列與端粒酶連接,并將其定位到端粒3′端附近的區(qū)域,使得端粒酶無法與端粒結(jié)合,然后再通過誘導(dǎo)端粒DNA異染色質(zhì)化的形成導(dǎo)致端?？s短.有趣的是,當(dāng)X染色體被選擇失活時(shí),X失活中心(Xinactivecenter,Xic)持續(xù)表達(dá)lncRNAXist,對于啟動(dòng)X染色體失活起著關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用.lncRNAXist可廣泛地覆蓋在X染色體上,使得RNApolⅡ與X染色體解離,同時(shí)招募PRC2到X染色體的相關(guān)區(qū)域并引起H3K27三甲基化,進(jìn)一步誘導(dǎo)異染色質(zhì)的形成.隨后組蛋白類似物macroH2A誘導(dǎo)X染色體相關(guān)基因的CpG島發(fā)生甲基化,最終導(dǎo)致X染色體失活.3lnprna抑制劑在mrna和美好基因上的作用lncRNAs除了在表觀遺傳層面發(fā)揮作用外,還可參與轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后的調(diào)節(jié).a.lncRNAs可結(jié)合轉(zhuǎn)錄延長因子或RNA聚合酶參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控.研究表明,由Dlx5和Dlx6基因遠(yuǎn)端超保守的增強(qiáng)子區(qū)轉(zhuǎn)錄而來的lncRNAEvf2,可招募轉(zhuǎn)錄因子Dlx2作用于增強(qiáng)子,結(jié)果促進(jìn)Dlx5和Dlx6基因的轉(zhuǎn)錄.此外,lncRNA7SK可以與延伸因子P-TEFb結(jié)合并降低其活性,使其不能磷酸化RNApolⅡ羧基末端,從而抑制基因表達(dá).b.lncRNAs可在轉(zhuǎn)錄后水平影響mRNA的剪接、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解等過程.如lncRNAMALAT1通過調(diào)節(jié)絲氨酸/精氨酸剪接因子的磷酸化,使pre-mRNA發(fā)生選擇性剪接.lncRNANEAT1能夠在分化的細(xì)胞中調(diào)節(jié)相關(guān)mRNA的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程.lncRNA1/2-sbsRNA可與mRNA3′UTR的Alu元件不完全配對結(jié)合,通過STAU1途徑介導(dǎo)mRNA的降解.c.最近還有研究發(fā)現(xiàn),lncRNAGHET1與IGF2BP1結(jié)合后,可增強(qiáng)c-MycmRNA與IGF2BP1的連接作用,最終提高c-MycmRNA的穩(wěn)定性以利于其表達(dá).d.Salmena等提出了一個(gè)新的假說,多種RNA分子可以通過相同的miRNA反應(yīng)元件(miRNAreactionelement,MRE)與miRNA結(jié)合,這些RNA被稱為競爭性內(nèi)源RNA(competingendogenousRNA,ceRNA),它們構(gòu)成了一個(gè)龐大且復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò).如linc-MD1可以作為ceRNA結(jié)合miR-133及miR-135,抑制后者的靶向調(diào)控作用,調(diào)節(jié)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),從而參與肌纖維母細(xì)胞的分化進(jìn)程.HOTAIR可與miR-331-3p結(jié)合,使得miR-331-3p喪失對癌基因HER2的抑制作用,促進(jìn)胃癌的發(fā)生發(fā)展.4lncrnrnnas作為人類疾病由于lncRNAs在基因表達(dá)調(diào)控功能的發(fā)現(xiàn),對lncRNAs的研究日益成為功能基因組學(xué)研究的熱點(diǎn).綜上所述,lncRNAs可以通過DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑等表觀遺傳調(diào)控機(jī)制行使其復(fù)雜的生物學(xué)功能,但其詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制仍有待深入研究(圖1).值得提出的是,AS1DHRS4、HOTAIR、Air、ANRIL和Kcnq1ot1等lncRNAs均參與了兩種或兩種以上的表觀遺傳調(diào)控形式.那么,這些lncRNAs是通過什么方式去協(xié)調(diào)其不同的調(diào)節(jié)功能?lncRNAs又是如何能夠確保其在行使功能時(shí)不被降解?這些問題仍有待深入探討.縱觀lncRNAs在不同物種間所呈現(xiàn)的表觀遺傳調(diào)控作用,提示其調(diào)控方式