lncrna在表觀遺傳調控中的作用

lncrna在表觀遺傳調控中的作用

現(xiàn)在，通過en代碼研究計劃，驗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，但可以在不同的細胞或細胞的發(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配和反應方法在傳輸和轉換率下調整遺傳因素的表達。然而，對于lnmnas序列的保守度來說，它們的生物學功能豐富多樣。lnmnas的功能包括：遺傳改良、復制和監(jiān)督，以及復制后的ran加工?，F(xiàn)在，lnmnas是生物化學領域的一個新興研究熱點。本文將重點關注lnmnas在表觀遺傳監(jiān)督中的作用及其最新研究。1lnprnnas的結構和功能特性lncRNAs通常是一類轉錄本長度大于200nt,缺乏蛋白質編碼能力的功能性RNA分子.與mRNA類似,大多數(shù)lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ(RNApolymeraseⅡ,RNApolⅡ)轉錄,經過剪接加工而成熟.一些成熟的lncRNAs與mRNA一樣也具有5′帽子結構和3′多聚腺苷酸尾.根據(jù)lncRNAs相對于蛋白質編碼基因的位置,可將其分為5種類型,包括正義型、反義型、基因內型、基因間型和雙向型lncRNAs.大多數(shù)lncRNAs在結構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,無蛋白質編碼能力;b.lncRNAs的一級結構保守性較差,而在二級結構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體提供精細而微妙的調節(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雜的二級結構,可以通過與DNA、RNA或蛋白質相互作用來行使信號、誘餌、引導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重塑等修飾形式.近年來研究表明,lncRNAs在表觀遺傳調控中起到至關重要的作用.2.1lngrnnakcnq1基因與lngrnna系統(tǒng)發(fā)育作用在哺乳動物中,DNA甲基化(DNAmethylation)是一種關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甲基化轉移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)介導,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甲基化介導的基因轉錄失活過程.研究表明,肝內DHRS4基因能夠編碼重要的代謝酶.DHRS4基因反義轉錄產生的lncRNAAS1DHRS4可以招募DNA甲基化轉移酶,催化DHRS4L2基因啟動子區(qū)的CpG島甲基化,使得DHRS4L2基因的轉錄失活.在哺乳動物的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,并經過加工產生siRNA,進一步通過RNAi通路介導DNA甲基化,使得Xist基因的表達受到抑制.在基因組印記中,Kcnq1基因中的差異性甲基化區(qū)域(differentiallymethylatedregion,DMR)是調節(jié)Kcnq1基因簇印記狀態(tài)的關鍵元件.lncRNAKcnq1ot1基因的啟動子位于Kcnq1基因第10內含子內,并且與母源高甲基化的DMR重疊,這是lncRNAKcnq1ot1只在父源中表達的緣由.研究表明,lncRNAKcnq1ot1能夠募集DNMT1到Cdkn1c和Slc22a18基因,通過維持相關DMR的DNA甲基化作用,從而抑制兩者的轉錄.關于lncRNAKcnq1ot1的研究仍存在一些重要的問題尚未解決,如它通過什么機制維持多個印記基因的沉默狀態(tài)?這些沉默機制受細胞內哪些因素的影響?另外,lncRNAs在DNA去甲基化介導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,進而激活了Sphk1基因的轉錄和促進腫瘤的發(fā)生.這一過程與T-DMR中3個CC(A/T)GG位點的DNA甲基化修飾密切相關.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lncRNAGtl2的轉錄.而lncRNAGtl2可通過一些潛在的機制,如抑制DNA甲基化轉移酶的作用或招募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),導致Dlk1與Gtl2基因在不同親本中差異性表達,從而參與基因組印記的調節(jié).2.2lng基因參與組織化學表達組蛋白修飾(histonemodification)是另一種重要的表觀遺傳修飾形式.一般來說,組蛋白可經多種組蛋白修飾酶的作用而發(fā)生不同類型的共價修飾(如甲基化、乙酰化).研究發(fā)現(xiàn),lncRNAs參與了多種組蛋白修飾的調節(jié)過程,從而抑制或激活基因的表達(表2).lncRNAs可以通過組蛋白修飾抑制基因的表達.vanWerven等在酵母中研究發(fā)現(xiàn),lncRNAIRT1可以招募組蛋白甲基化轉移酶Set2和組蛋白去乙?；窼et3到IME1基因的啟動子區(qū),并占據(jù)轉錄因子與IME1基因的結合位點,主要通過組蛋白去乙酰化作用介導IME1基因的轉錄沉默,最終使得MATa或MATα單倍體細胞無法形成芽孢.同樣地,酵母中的lncRNAGAL10在Set2和組蛋白去乙?；瘡秃衔颮PD3S的參與下,干擾轉錄因子的作用,催化組蛋白發(fā)生H3K36三甲基化和去乙酰化修飾,從而抑制GAL1和GAL10基因的表達.在植物擬南芥中,春化作用誘導產生的lncRNACOLDAIR能夠參與控制擬南芥的開花時間.其關鍵的環(huán)節(jié)是lncRNACOLDAIR與PRC2(polycomerepresscomplex2)的結合引起H3K27三甲基化,使得與擬南芥開花相關的FLC基因的表達受到抑制.lncRNAs廣泛參與機體的生長發(fā)育、DNA損傷修復以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展等生理或病理過程.lncRNAAir由Igf2r基因轉錄產生.lncRNAAir募集組蛋白甲基化轉移酶G9a后,促進H3K9三甲基化的形成,從而抑制Slc22a3基因的表達.與機體生長發(fā)育相關的HOXC基因簇可以轉錄生成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,導致HOXD基因簇中長達40kb范圍的基因發(fā)生表觀遺傳沉默.lncRNAANRIL由INK4A-ARF-INK4B抑癌基因簇轉錄產生.ANRIL結合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結合結構域識別并結合ANRIL以及甲基化修飾的H3K27,最終抑制p16INK4A基因的轉錄并延緩衰老的發(fā)生.另一個抑癌基因RASST1的反義轉錄本lncRNAANRASSF1可與自身的轉錄位點形成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.在DNA損傷的刺激下,細胞周期蛋白D1(cyclinD1)基因上游的調控區(qū)域可轉錄產生lncRNACCND1ncRNA,后者可與RNA結合蛋白TLS結合,誘導TLS的變構激活,進而抑制CBP(CREB-bindingprotein)和組蛋白乙酰化轉移酶p300的活性,導致cyclinD1的轉錄失活.值得關注的是,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和組蛋白甲基化轉移酶G9a,分別引起H3K27三甲基化和H3K9二甲基化,導致DHRS4L2和DHRS4L1基因轉錄失活.進一步研究顯示,AS1DHRS4還可參與DHRS4基因相關的組蛋白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)生轉錄抑制作用.另外,lncRNAs還可通過組蛋白修飾激活基因的表達.HOXA基因簇5′端轉錄可以生成lncRNAHOTTIP,后者募集WDR5/MLL復合物并誘導組蛋白H3K4三甲基化,從而激活HOXA基因簇5′端多個基因的表達.在小鼠中,lncRNANeST也可與WDR5相互作用,催化H3K4三甲基化并激活Ifng基因的表達.研究表明,當位于染色體4q35區(qū)域上的D4Z4重復序列數(shù)量減少時,可促進lncRNADBE-T的轉錄.后者可通過ASH1L募集TrxG(trithoraxgroup),誘導組蛋白發(fā)生H3K36二甲基化和H3K4三甲基化的修飾,最終激活ANT1、DUX4等基因的表達.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誘導組蛋白形成激活性的修飾,最終在表觀遺傳水平調節(jié)與小鼠心臟發(fā)育相關轉錄因子(如GATA-6)的表達.有趣的是,在人類細胞中約有20%的lncRNAs可以與PRC2結合,提示這可能是lncRNAs參與組蛋白修飾的一種普遍機制.2.3lnprna系統(tǒng)機制染色質重塑(chromatinremodeling)主要涉及核小體轉位、重組以及穩(wěn)定性降低等改變.核小體的轉位與重組能夠改變DNA的調控序列與轉錄因子的親和性,進而影響相關基因的表達.lncRNAs在染色質重塑過程中也發(fā)揮著關鍵的調控作用(表3).在擬南芥中,RNA聚合酶Ⅴ產生的lncRNAs(如IGN22等)可以與IDN2二聚體、AGO4-siRNA以及SPT5L形成復合物,進一步通過IDN2結合SWI3B蛋白并募集SWI/SNF染色質重塑復合體,使得核小體發(fā)生轉位,并通過誘導DNA甲基化作用干擾RNApolⅡ的結合,最終抑制基因的轉錄.在酵母中,與下游SER3基因重疊的SRG1基因可以編碼產生lncRNASRG1,后者轉錄時可干擾轉錄因子結合到SER3基因啟動子區(qū),并誘導染色質結構的改變,促進核小體在該基因啟動子區(qū)聚集,最終抑制SER3基因的轉錄.研究表明,lncRNAIRT1與Set2和Set3相互作用,并誘導IME1基因的沉默,這種沉默作用與IME1基因啟動子區(qū)核小體密度的增加以及轉錄因子的解離相關.另外,lncRNAHOTAIR能夠招募PRC2誘導染色質形成抑制性的狀態(tài),通過染色質重塑實現(xiàn)對HOXD基因簇的遠程調控.lncRNAANRIL可與PRC1和PRC2相互作用,分別抑制p16INK4A和p15INK4B的表達,由PRC介導的INK4A-ARF-INK4B基因簇異染色質的形成是其主要的機制.同樣,lncRNAAir和lncRNAKcnqlot1均能與PRC和G9a結合,分別引起Igf2r和Kcnq1基因簇中的相應染色體位置發(fā)生異染色質化,最終使它們發(fā)生基因沉默.在真核生物的發(fā)育過程中,端粒的轉錄是一種普遍保守的現(xiàn)象.端粒轉錄生成的lncRNATERRA可通過5′UUAGGG3′重復序列與端粒酶連接,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合,然后再通過誘導端粒DNA異染色質化的形成導致端?？s短.有趣的是,當X染色體被選擇失活時,X失活中心(Xinactivecenter,Xic)持續(xù)表達lncRNAXist,對于啟動X染色體失活起著關鍵性的調節(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,同時招募PRC2到X染色體的相關區(qū)域并引起H3K27三甲基化,進一步誘導異染色質的形成.隨后組蛋白類似物macroH2A誘導X染色體相關基因的CpG島發(fā)生甲基化,最終導致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,還可參與轉錄和轉錄后的調節(jié).a.lncRNAs可結合轉錄延長因子或RNA聚合酶參與轉錄調控.研究表明,由Dlx5和Dlx6基因遠端超保守的增強子區(qū)轉錄而來的lncRNAEvf2,可招募轉錄因子Dlx2作用于增強子,結果促進Dlx5和Dlx6基因的轉錄.此外,lncRNA7SK可以與延伸因子P-TEFb結合并降低其活性,使其不能磷酸化RNApolⅡ羧基末端,從而抑制基因表達.b.lncRNAs可在轉錄后水平影響mRNA的剪接、轉運和降解等過程.如lncRNAMALAT1通過調節(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能夠在分化的細胞中調節(jié)相關mRNA的核質轉運過程.lncRNA1/2-sbsRNA可與mRNA3′UTR的Alu元件不完全配對結合,通過STAU1途徑介導mRNA的降解.c.最近還有研究發(fā)現(xiàn),lncRNAGHET1與IGF2BP1結合后,可增強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.d.Salmena等提出了一個新的假說,多種RNA分子可以通過相同的miRNA反應元件(miRNAreactionelement,MRE)與miRNA結合,這些RNA被稱為競爭性內源RNA(competingendogenousRNA,ceRNA),它們構成了一個龐大且復雜的轉錄后調控網絡.如linc-MD1可以作為ceRNA結合miR-133及miR-135,抑制后者的靶向調控作用,調節(jié)相關轉錄因子的表達,從而參與肌纖維母細胞的分化進程.HOTAIR可與miR-331-3p結合,使得miR-331-3p喪失對癌基因HER2的抑制作用,促進胃癌的發(fā)生發(fā)展.4lncrnrnnas作為人類疾病由于lncRNAs在基因表達調控功能的發(fā)現(xiàn),對lncRNAs的研究日益成為功能基因組學研究的熱點.綜上所述,lncRNAs可以通過DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質重塑等表觀遺傳調控機制行使其復雜的生物學功能,但其詳細的調控機制仍有待深入研究(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控形式.那么,這些lncRNAs是通過什么方式去協(xié)調其不同的調節(jié)功能?lncRNAs又是如何能夠確保其在行使功能時不被降解?這些問題仍有待深入探討.縱觀lncRNAs在不同物種間所呈現(xiàn)的表觀遺傳調控作用,提示其調控方式