長鏈非編碼RNA在神經系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用

岳文峻(綜述)，宋　成(審校)

(棗莊礦業(yè)集團中心醫(yī)院燒傷整形美容科，山東 棗莊 277000)

長鏈非編碼RNA在神經系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用

岳文峻(綜述)，宋成※(審校)

(棗莊礦業(yè)集團中心醫(yī)院燒傷整形美容科，山東 棗莊 277000)

摘要：多細胞生物基因組的特點是普遍表達不同類型的非編碼RNA(ncRNAs)。長鏈ncRNAs(LncRNAs)作為ncRNA中一種新的類型，包含著數千種不同的種類。LncRNAs在分化和發(fā)育過程中起關鍵作用，并且在復雜生物體基因組內發(fā)現的LncRNAs數量不斷增加，也暗示了其在多細胞生物進化過程中調控的重要性。研究表明，LncRNAs在劑量補償、基因印跡、細胞分化及器官形成等方面發(fā)揮著重要功能，特別是在哺乳動物的發(fā)育過程中發(fā)揮著不可替代的作用。

關鍵詞：長鏈非編碼RNA；分類；神經系統(tǒng)；發(fā)育

在過去的研究中已經證明RNA在細胞功能和生物進化中的核心作用，但是通過Tiling微陣列(芯片)技術、基因表達系列分析、帽分析基因表達、轉錄組測序技術、染色質免疫沉淀技術等分析哺乳動物基因組與轉錄組結果表明,大約2/3的基因組DNA普遍轉錄，但是最終只有大約2%翻譯為蛋白質[1]。而且與編碼RNA相比，非編碼RNA(non-coding RNAs，ncRNAs)與生物復雜程度的關系更為密切。在真核生物中ncRNA的范圍很廣泛，超出了蛋白質編碼基因的數量。其中長鏈ncRNAs(long noncoding RNAs,LncRNAs)通常大于200個核苷酸，并且多聚腺苷酸化后缺乏明顯的開放閱讀框。現將LncRNAs在中樞神經系統(tǒng)發(fā)育過程中的研究進展作一綜述。

1LncRNAs的特點及分類

LncRNAs大于200個核苷酸,通常被多聚腺苷酸化并且缺乏明顯的開放閱讀框[2]。LncRNAs在核糖核蛋白復合物中發(fā)揮重要作用，調控基因表達的各個階段[2]。其內在的核酸天然賦予LncRNAs雙重功能：①作為蛋白質的配體(如在基因調控過程中發(fā)揮功能的LncRNAs)；②介導堿基配對的相互作用來引導包含LncRNAs的復合體到特殊的RNA或DNA靶點[2-3]。區(qū)別于小ncRNAs，LncRNAs還可以折疊成復雜的二級或更高級的結構來為蛋白質和目標識別提供更高的潛能和多能性[2-3]。根據它們的結構或功能的特點，其可以被進一步分為多個子類，如環(huán)狀RNA[4]，自然翻譯轉錄物[5-6]，超保守轉錄區(qū)域[7]，有增強子作用的LncRNAs[8]，長鏈基因間RNA和假基因。LncRNAs發(fā)揮功能的分子機制還不清楚，目前有以下幾種假設，包括RNA:DNA:DNA triplex(trans-)RNA:DNA hybrid、RNA:RNA hybrid of LncRNA with a nascent transcript、RNA-protein interaction(cis/trans-)[9]。通常認為LncRNAs通過相應的DNA、RNA、Pr 相互作用，發(fā)揮信號轉導、抑制劑/誘餌、染色質修飾因子/支架、順式和反式基因表達調控因子/向導等作用[9-10]。

2LncRNAs與中樞神經系統(tǒng)的發(fā)育

在器官發(fā)育過程中LncRNAs對于建立和維持細胞特異性基因表達模式所起的作用已經得到證實。尤其是中樞神經系統(tǒng)(以大量而廣泛的神經元和神經膠質細胞的亞型為特點)在ncRNAs方面是迄今為止最復雜和多樣性的。LncRNAs 在中樞神經細胞中高度表達，并且LncRNAs數量的增加與進化的復雜性密切相關。

2.1神經系統(tǒng)中含量最豐富的 LncRNAs肺腺癌轉移相關的轉錄因子1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1，Malat1)是迄今為止研究最廣泛、在神經系統(tǒng)中表達最多的LncRNAs。這種LncRNAs在不同類型的小鼠神經中均呈現高表達[11]。Malat1定位于核散斑上，通過一系列調控核與突觸功能的基因來調控突觸的形成[11]。在培養(yǎng)的小鼠海馬神經元細胞中敲除Malat1基因將會導致突觸密集度降低及樹突生長受限。然而，Malat1功能缺失小鼠模型證明其在小鼠產前和產后發(fā)育過程中并非必不可少，僅表現出個別基因的輕微下調，如Malat1的鄰近基因，這同時也證明了在基因轉錄過程中Malat1具有潛在的順式調控作用[12]。

與癌原鑒定結果一致，通過結合RNA不穩(wěn)定的元件鋅指核酸酶到Malat1基因上導致Malat1在人肺腫瘤細胞下調至0.1%，揭示了一種Malat1基因控制的轉移基因表達模式[12]。總之，Malat1在腫瘤發(fā)展和神經元分化過程中準確的作用機制還需要深入研究。

2.2LncRNAs與神經發(fā)育相關編碼基因的聯系通過全基因組研究方法的整合對LncRNAs進行總體檢測，同時在不同的成年小鼠大腦區(qū)域進行原位雜交，結果表明LncRNAs與不同類型的腦細胞有關，且與mRNA相比其表達更具有組織特異性[13]。同時，它們在大腦發(fā)育過程中的表達也呈現出特殊的時空表達模式[13]。

轉錄組分析表明，許多腦組織表達的LncRNAs是靈長類或人類所特異表達的，隨著研究的深入發(fā)現LncRNAs可能對人類大腦進化及認知和行為起關鍵作用[14]。自從人類與其他類人猿具有趨異性開始，高加速區(qū)域1A LncRNA就加快了自身的進化。它的表達水平與Reelin蛋白的表達水平相關，表明它可以通過類似的方式協(xié)同區(qū)域腦組織的建立。對比發(fā)現，從鳥類到哺乳動物等各種物種大腦中表達的LncRNAs似乎都高度保守并且具有類似的時空表達譜系，表明這些LncRNAs 在大腦發(fā)育過程中自古就發(fā)揮著作用[15]。

已經發(fā)現來源于腦組織DNA超保守區(qū)域的LncRNAs轉錄自復雜的基因位點，它們與編碼發(fā)育過程中關鍵蛋白的基因重疊或反義[16]。例如，LncRNAs通過充當分子支架募集特殊因子來調節(jié)鄰近基因的活性[16]。共激活LncRNA Dlx6反義鏈轉錄物1(distal-less homeobox 6,opposite strand 1，Dlx6os1，也被稱為Evf2)，位于一個超高保守區(qū)域內；它是Dlx6的反義RNA并且位于Dlx5的下游。這些Dlx基因與黑腹果蠅 Distal-less(Dll)基因有關；它們編碼同源異型結構域轉錄因子，而這些轉錄因子在腹側前腦的發(fā)育過程中表達并且可能在前腦以及顱頜面的發(fā)育過程中也發(fā)揮作用。Dlx6os1通過順式與反式作用機制控制Dlx5、Dlx6以及谷氨酸脫羧酶1基因(clutamate decarboxylase，Gad1,也稱為Gad67)的表達。在順式作用中，Dlx6os1的轉錄負向調控Dlx6的表達。相反，在反式作用中，Dlx6os1募集轉錄因子同源異型盒蛋白(一種活化劑)以及甲基化-CpG-結合蛋白2(一種抑制劑)來調控Dlx5和Gad1的表達[16]。小鼠體內Dlx6os1功能缺失實驗產生一種特殊的神經表型，出生后早期在海馬區(qū)γ氨基丁酸能中間神經元減少。盡管γ氨基丁酸能中間神經元以及Gad1 RNA水平在成年的Dlx6os1突變的海馬體中恢復正常，但是突觸抑制的缺陷依舊存在，表明Dlx6os1在體內的神經元活動中起關鍵作用[16]。Dlx6os1基因的發(fā)現開創(chuàng)了探究轉錄自超高保守區(qū)域的LncRNA之路。

2.3LncRNA誘導的神經發(fā)生對神經發(fā)生有關的LncRNA進行大量篩選，確定各種敲除后能阻止人類胚胎干細胞發(fā)育為成熟神經元的LncRNA。有趣的是，核定位的LncRNA-N1(也被稱為 LINC01109)以及 LncRNA-N3被結合到多梳蛋白和神經元限制性沉默基因，表明一種模式神經元通過募集組蛋白H3K27甲基化酶復合體到特定的膠質細胞譜系基因從而增強神經元限制性沉默因子活性，促進神經形成。與之相反，細胞質的LncRNA-N2(也稱為 MIR100HG)似乎充當let-7 以及神經性的miR-125b基因的前體分子， let-7和miR-125b都是miRNAs，它們分別促進增殖停滯和神經元分化[17]。

2.4視網膜上的LncRNAs有趣的是,幾種LncRNAs被發(fā)現在視網膜上特異性表達，視網膜是中樞神經系統(tǒng)的一個特殊組成部分。視網膜是體內研究的一個容易控制的組織類型，因為基因功能缺失實驗可以通過局部注射RNA干擾試劑得以實現，與之相反,許多體內中樞神經系統(tǒng)研究需要對生殖細胞系進行遺傳修飾。目前已經較為清晰的知道視網膜模型中特異性表達的幾種LncRNA功能,如Xist、Tsix、Kcnq1ot1、Airn、Fendrr、Hotair、Dlx1os、Dlx6os1、Malat1等基因。

2.5非標準結構的LncRNAs最近在人與小鼠大腦皮質錐體神經元和中間神經元中證實，環(huán)狀RNA是來源于不規(guī)則剪接的反義轉錄本(cerebellar degeneration-related protein 1 antisense,CDR1AS,也被稱為ciRS-7)的小腦變性相關蛋白1(cerebellar degeneration-related protein 1，CDR1)mRNA。有趣的是，這種環(huán)狀RNA通過70個選擇性保守的miR-7靶位點來發(fā)揮海綿樣作用并調節(jié)內源性miR-7靶點[18-19]。斑馬魚在胚胎期大腦發(fā)育過程中由于維持miR-7基因的表達而失去了CDR1位點，所以常被用來研究環(huán)狀RNA在體內的功能。胚胎表達異位CDR1AS基因可導致大腦發(fā)育障礙以及腦區(qū)萎縮，這與通過嗎啉代寡核苷酸干擾導致miR-7功能缺失實驗獲得的表型相似[19]。因此，cirRNAs可能在神經元的功能以及神經系統(tǒng)疾病中起調控作用[18-19]。

總之，LncRNAs功能的多樣性似乎與中樞神經系統(tǒng)復雜的調控需要相適應，關于LncRNAs對大腦復雜功能的調控以及在神經退行性疾病中的發(fā)病機制還需要更深入的研究。

3小結

隨著對于LncRNAs功能研究的深入，已知的基因調控機制已經不能對此作出完善的解釋。盡管有關LncRNAs的新的研究方法不斷涌現，但是LncRNAs編碼位點結構的復雜性以及與編碼基因復雜的相互作用關系導致其準確的作用機制尚不清楚。對于轉錄物非編碼性質的準確定義上也存在著挑戰(zhàn)，研究表明實際上某些特殊的LncRNAs具有以前未知的編碼小分子多肽(小于50個氨基酸)的生物學功能[19]。研究表明[20-21]，即使與核糖體結合，LncRNAs也可以表現出與那些典型的非編碼序列相似的核糖體占用的行為方式，表明依靠這種方法區(qū)分轉錄體是編碼還是ncRNAs還不充分[22]。因此，還需要進一步研究來定義LncRNAs與核糖體的之間的聯系，并確定是否具有可以編碼蛋白質的LncRNAs亞類存在。

對于LncRNAs功能的研究需要合適的體內探究模型，以便對LncRNAs的進化、功能以及發(fā)育和分化過程中的作用提供更好的理解。但是由于進化保守性或多樣性的巨大變化，尋找適當的動物模型并非易事。對于LncRNAs表達的調節(jié)機制目前還尚難以解決，需要考慮轉錄調控及轉錄后調控。主要的問題是如何理解多聚腺苷酸化LncRNAs的維持以及明確控制LncRNAs亞細胞定位和成熟的蛋白質是如何相互作用的。

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The Role of Long Non-coding RNA in the Nervous System DevelopmentYUEWen-jun，SONGCheng. (DepartmentofBurnandPlasticSurgery,ZaozhuangMiningGroupCenterHospital,Zaozhuang277000,China)

Abstract:Characteristics of genome of multicellular organisms is widely expressed various types of non-coding RNAs(ncRNAs).Long non-coding RNA(LncRNAs),as a new type of ncRNAs,contains thousands of different species.It plays a critical role in differentiation and development，and the number of LncRNAs discovered in the genome of complex organisms is keep increasing,which suggests the importance of its regulation in multicellular organisms during evolution.Researches have shown LncRNAs plays an important role in many processes,for example in the dosage compensation,gene imprinting,cell differentiation and organ formation,particularly in the development of the mammal.

Key words:Long non-coding RNA; Classification; Neural system; Development

收稿日期：2014-10-13修回日期：2015-03-13編輯：伊姍

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.007

中圖分類號：R741

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)17-3090-03