LncRNA：從“轉錄噪聲”到科研高地的逆襲

　　2002年日本學者Okazaki在對小鼠cDNA文庫進行測序時，第一次發現并鑒定了一類較長的轉錄產物，并將其命名為長鏈非編碼RNA，也就是我們所知的LncRNA。然而在這種非編碼RNA被發現后的很長時間里，由于它不參與蛋白質的編碼，當時認為不具有生物學功能，科學家們都普遍認為lncRNA僅僅是基因的“轉錄噪聲（transcriptional noise）”。相比于過去十年間sncRNA（短鏈非編碼RNA，包括microRNA、siRNA、snoRNA 和 PiwiRNA等）的風生水起，lncRNA由于序列長度，研究方法的限制而受到了忽視。

　　一般認為，長度大于200nt的ncRNA就可以定義為LncRNA，這是一種和信使RNA結構相似的，缺乏開放閱讀編碼框的非編碼RNA，是RNA聚合酶II的轉錄產物，主要分布在細胞核和細胞質中。根據lncRNA 編碼轉錄物的長度，lncRNA可以大致分為五類：lncRNA、基因間區長鏈非編碼RNA(long -integenic noncoding RNA, lincRNA)、位于基因間區的超長鏈非編碼RNA(very long -integenic noncoding RNA)、宏RNA(macroRNA)，以及與啟動子相關聯的 lncRNA(promoter-associated long RNA)。

　　雖然最初lncRNA被認為是基因組轉錄的 “噪音” ，是PolII轉錄的副產物，但近年來越來越多研究表明lncRNA廣泛地參與基因表達的調控，在細胞的增殖、分化、凋亡以及腫瘤的發生、發展中發揮重要作用。而且有些lncRNA還可作為某些功能性sncRNA的前體物質，間接性參與靶基因的調控。

　　1.LncRNA的特點

　　結構特點：LncRNA分子的結構解析對LncRNA的功能及作用機制研究具有非常重要的作用，但是由于LncRNA處于生物體這個復雜的整體中，其自身會受到生物體的調控而發生相應的變化，加之數量龐大、分子量大、體外穩定性較差、難以結晶等特點，使得其結構研究很困難重重，目前僅有少量研究報道其結構。其一級結構即為LncRNA的核苷酸排列順序，曾有報道指出LncRNA的 Gas5可直接與糖皮質激素上的DNA結合域結合，進而與含有糖皮質激素反應元件( glucocorticoid response elements) 目的基因競爭并調節其表達。2012年， Novikova等曾報道了人類SRA LncRNA的二級結構。但目前還沒有更多關于空間結構( 三級結構及四級結構) 的研究報道，這是一個全新的未知領域。

　　LncRNA與mRNA的區別

　　2.lncRNA的功能

　　隨著新一代高通量測序技術的應用和發展， 大量具備豐富生物學功能的lncRNA在各類生物體中不斷被發現。在動物體內， lncRNA廣泛參與個體神經發育(2006)、 細胞周期調控(2011)、細胞防護 (2009)、腫瘤發生及轉移(2014)等重要生理過程。

　　在植物中lncRNA的轉錄表達又常與植物開花(2012)、 雄性不育(2012)、 果實成熟(2015)、 生物和非生物脅迫應答(2015)密切相關。與動植物相比，關于lncRNA在微生物中的報道則相對較少，目前主要集中于病毒和寄生蟲中， 常參與個體穩定遺傳(014)、 宿主免疫系統規避(2015)、持續性感染(2015)等生物學功能的調控。

　　lncRNA可通過與DNA/RNA結合或與蛋白結合而行使其功能。一些lncRNA實際上是某些調控RNA（如microRNA或piwi RNA）的前體。與miRNA不同的是，lncRNA沒有一種普遍的作用模式，它以許多不同的方式來調控基因表達和蛋白合成。研究發現，一些lncRNA參與了基因調控的基本過程，包括染色質修飾和結構以及直接的轉錄調控。基因調控可能以順式（cis）或反式（trans）發生。lncRNA的轉錄后功能包括調控RNA加工事件，如剪接、編輯、定位、翻譯和降解。

　　對于lncRNA在胚胎發育中的作用，Broad研究院的Mitchell Guttman曾這樣描述，維持全能性的蛋白和促進分化的蛋白就像戰士。它們各司其職，但需要一些東西來協調他們的行動。lincRNA則被認為是隊長，帶領不同蛋白，協同作戰。

　　3.lncRNA的作用機制

　　目前認為，lncRNA 可通過以下幾個水平上參與基因表達的調控：表觀修飾水平調控、轉錄水平調控、轉錄后水平調控以及作為媒介參與生物學過程。

　　表觀遺傳水平調控：lncRNA 可通過 DNA甲基化或去甲基化、 RNA 干擾、組蛋白修飾、染色體重塑等，在表觀修飾水平調控基因的表達， 例如 lncRNA HOTAIR通過與核染色質重塑復合物的相互作用在特定的基因位點誘導異染色質形成， 從而降低靶基因的表達。

　　轉錄水平調控：lncRNA 也可以依賴與靶基因的相對位置及序列特點， 例如通過將轉錄調控因子募集到鄰近的靶基因啟動子上的方式， 在轉錄水平上調控靶基因的表達。 lncRNA 能夠通過多種方式在轉錄水平參與基因組調節。 如二氫葉酸還原酶（ DHFR） 上游的 1 個 lncRNA 能夠與 DHFR 的啟動子區域形成穩定的 RNA—DNA 的三鏈結構， 進而抑制轉錄因子 TFIID 的結合， 從而抑制 DHFR 的基因表達]。

　　轉錄后水平調控：lncRNA 可以通過堿基互補配對與靶 mRNA 形成 RNA 二聚體， 阻礙其與轉錄因子或 mRNA加工相關因子的結合或直接募集翻譯抑制蛋白， 從而調節mRNA 的剪接、 翻譯和降解。

　　作為媒介參與生物學過程：LncRNA分子可以充當分子支架，將兩個蛋白分子綁定在一起進而發揮特定的生物學功能，或者使特定的核糖核蛋白復合體定位到染色體的特定部位， 進而改變基因( 鄰近基因、 遠距離基因均可) 的表達， 發揮分子向導的作用，還可以響應來自細胞內或細胞外的信號， 充當特定信號通路的調節劑。

　　4.lncRNA與疾病

　　研究已發現lncRNA在多種癌癥中差異表達，包括白血病、乳腺癌、肝癌、結腸癌和前列腺癌。lncRNA失調的其他疾病還包括心血管疾病、神經系統疾病和免疫介導的疾病。

　　心臟疾病：首先近年來長鏈非編碼 RNA 在心臟分化過程中的作用得到證實， 在促進心肌細胞分化和維持心臟功能方面發揮著重要作用。 Han等人發現， Mha779 在心肌細胞特異性表達，并隨胚胎發育進程逐漸升高， 特別在出生后表達顯著增強。Mha779 在胚胎發育過程中的變化趨勢與 Myh6/Myh7 的變化一致， 對維持心臟功能具有十分重要的作用。 進一步研究發現， Br91-HDAC-Parp 染色質抑制復合體可以靶向Myh6 與 Myh7 之間的啟動子， 進而影響 Myh6 的功能， 而Mha779 可以結合并抑制 Brgl—HDAC-Parp 從而維持心臟功能。

　　神經退行性疾病及精神疾病：在神經退行性疾病及精神疾病方面，研究人員逐漸認識到哺乳動物腦中不僅存在大量 LncRNA的表達， 且許多神經系統疾病的發生發展也常常伴隨著 LncRNA的異常表達， 有研究報道，BACE1 的反義轉錄本lncRNA BACE1AS在 AD 的發生發展中也扮演著非常重要的角色． 在應激條件下，BACE1AS 可與 BACE1mＲNA 形成復合體以增加后者的穩定性，防止后者降解，從而有利于β-淀粉樣蛋白的進一步聚集． 而進一步的實驗研究也得出相似的結論，BACE1AS 在 AD 患者及 BACE1轉基因小鼠中均高表達。

　　糖尿病：糖尿病也與lncRNA有關，一些研究發現了lncRNA在糖尿病的發生發展中的作用，如胰島素樣生長因子2 ( insulin like growth factor 2， IGF2) 反義轉錄本 IGF2AS 以及第 10號染色體丟失的磷酸酶基因誘導激酶 1［ PTENinduced putative kinase 1， PINK1的反義轉錄本naPINK1。高濃度的葡萄糖刺激可上調胰島 β 中IGF2AS 的表達，暗示 IGF2AS 的表達可能與血糖濃度相關。

　　癌癥：還有最為深入的就是lncRNA與癌癥的關聯。大量研究發現，lncRNA在腫瘤的發生發展過程中均具有極其重要的作用 ，它既可作為原癌基因促進腫瘤的生成，亦可作為抑癌基因來抑制腫瘤細胞的增殖、 遷移等。在許多癌癥的發生發展中均伴隨著lncRNA異常表達。如德國的研究人員發現了長鏈非編碼RNA（MALAT1）促進肺癌轉移的機制，并在《Cancer Research》雜志上發表了這一成果2。他們在體外培養的肺癌細胞中幾乎完全沉默了MALAT1，發現它調節了許多與癌轉移有關的基因。通過對MALAT1的阻斷，他們有望開發出抑制癌轉移的療法。

　　第二軍醫大學的研究人員也揭示了一種與肝癌微血管浸潤相關的長鏈非編碼RNA，以及其促進血管生成的分子機制。這一lncRNA或可作為肝切除術后患者無復發生存率不良的預測因子。該研究成果發表在著名肝臟疾病雜志《Hepatology》上3。之前，這一課題組的研究人員也曾發現lncRNA-HEIH在乙型肝炎病毒（HBV）導致的肝癌（HCC）發生中起重要作用。

　　5.lncRNA的研究方法

　　近年來 lncRNA生物學作用機制不斷被揭示，如能通過 RNA 序列識別、 靶 DNA 序列雜交、 轉錄因子結合等方式對靶基因進行調控， 如此多的 lncRNA 作用機制被報道與其研究方法的飛速發展密切相關。早期研究者主要通過芯片(Microarry)的方式對 lncRNA 的功能機制進行探究， 但 Microarry 只能用于識別已知lncRNA轉錄物。之后一些研究人員提出了改進的方法，比如Ncode。

　　耶魯大學Snyder小組提出的RNA-seq技術背景信號噪音更低，準確度更高，不僅能識別新lncRNA還能對其功能以及初級結構序列進行分析，目前已成功應用于斑馬魚，果蠅胚胎形成過程生物學功能的研究。目前在lncRNA研究中比較成熟的技術還有qRT-PCR、Northern blots、 熒光原位雜交(fluorescence in situhybridization, FISH)和RNA基因沉默(RNA interference, RNAi)等。