LncRNA的结构、功能及其作用机制研究综述,生物化学论文.docx

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1、LncRNA的结构、功能及其作用机制研究综述,生物化学论文研究发现，在哺乳动物基因组中，只要不到 2%的转录产物具有蛋白编码功能，其余 98% 均为非编码 RNA noncoding RNA,ncRNA1,2. 根据核苷酸序列的长度，ncRNA 可分为短链 ncRNA short/small ncRNA 和长链 LncRNA long ncRNA ,二者之间并没有十分严格的界线，仅以 ncRNA 核苷酸序列的长度来区分，一般将长度大于 200 核苷酸 ncRNA定义为 LncRNA3.7. 根据核苷酸序列长度定义LncRNA 虽已得到了普遍的公认，但缺乏严谨性8,已有报道证实，有些 LncRN

2、A 的长度就小于 200 个核苷 酸9. LncRNA 分布广泛，在动物10,11、植物12、酵母13甚至病毒4中均发现有 LncRNA 存在，其功能几乎牵涉到生物体生理及病理的全部生物学经过，既能调节细胞的增殖、分化及代谢等生理经过，也介入调节机体的各种病理经过，如癌症、糖尿病、免疫病、阿尔茨海默病等14,15,32 ,41. 本文对近年来有关 LncRNA 的构造、功能及其作用机制的研究进展进行综述。 1 LncRNA 的分子构造 尽管在过去 20 多年里，也有关于 LncRNA 的一些报道，但高通量测序技术的发展才使得从基因水平研究 LncRNA 成为可能15. 为了更深切进入地展开Ln

3、cRNA 相关研究，了解其功能及作用机制，科学家们根据 LncRNA 在基因组中所处的位置及背景，将LncRNA 分为基因间 LncRNA intergenic LncRNA和内含子 LncRNA intronic LncRNA 以及正义LncRNA sense LncRNA 和反义 LncRNA antisenseLncRNA 等 4 种类型4,也有人将 LncRNA 分为 5类，即正义、反义、双向、基因内 LncRNA 及基因间LncRNA 等 5 种类型2,8.构造是功能的基础，任何物质的功能发挥都离不开其特有的分子构造，研究一个物质的构造是了解其功能及其作用机制必要前提。 因而，Lnc

4、RNA 分子的构造解析对 LncRNA 的功能及作用机制研究同样具有非常重要的作用。 但由于 LncRNA 处于生物体这个复杂的整体中，其本身会遭到生物体的调控而发生相应的变化，加之数量庞大、分子量大、体外稳定性较差、难以结晶等特点，使得其构造研究困难重重，当前仅有少量研究报道其构造。 1. 1 LncRNA 的一级构造 LncRNA 的一级构造即为 LncRNA 的核苷酸排列顺序。 LncRNA 调节基因功能的途径多种多样，华而不实最为重要的一种方式便是通过碱基互补配对方式与靶基因结合来直接调节靶基因的转录翻译或间接调节靶基因上游或下游基因的转录翻译16,碱基配对的基础便是其一级构造。 研究

5、报道 LncRNA Gas5可直接与糖皮质激素上的 DNA 结合域 DNA.binding domain 结合，进而与含有糖皮质激素反响元件 glucocorticoid response elements 目的基因竞争并调节其表示出17,而与靶标碱基互补配对的基础便是 LncRNA 的一级构造。 LncRNA 介入调节的靶标既能够是 miRNA 可以以是 mRNA,如 Linc.MD1通过碱基互补配对的方式与 miR.133 和 miR.135 结合，竞争性抑制二者与靶基因的结合，进而发挥调节肌肉分化的作用18; 而 LncRNA1/2.sbsRNAs half.STAU1.binding

6、site RNAs 则可与 mRNA 的 3 .UTR区的 Alu 元件不完全配对结合，而构成 RNA 结合蛋白 Stau1 的结合位点，促进 Stau1 与 mRNA 的结合，通过 SMD stau1.mediated mRNA decay 途 径 使mRNA 降解19. 1. 2 LncRNA 的高级构造 LncRNA 二级构造及三级构造 空间构造 是LncRNA 发挥其功能的中枢20. 2020 年，Novikova等20,21报道了人类 SRA LncRNA steroid receptorRNA activator LncRNA 二级构造信息 Fig. 1 . SRA能够激活数种性激

7、素受体，并与乳腺癌的发病密切相关。 当前，还没有更多关于 LncRNA 空间构造 三级构造及四级构造 的研究报道，现有的关于 LncRNA高级构造的认识仅来源于 NEAT1. NEAT1 的两个亚基拥有一样的启动子及类似表示出量 人 NEAT1 亚基为： NEAT_V1 3. 7kB,NEAT_V2 22. 7 kB ,二者均介入特异性核腔隙 specific nuclearcompartments .paraspeckles 的构成21. LncRNA 构造相关研究是一个全新的未知领域，随着研究的深切进入，越来越多 LncRNA 在生物体生理病理经过中发挥的功能及其作用机制被大家所认知。 这

8、些作用机制可能依靠它的一级构造或/和二级构造或/和三级构造。 因 此，LncRNA 的构造解析是深切进入了解LncRNA 的功能及其作用机制的必经之路。 2 LncRNA 的生物学功能 2. 1 LncRNA 与癌症 当前，关于 LncRNA 功能相关研究中，最为深切进入的便是其在癌症中的作用。 大量的研究报 道，LncRNA 在肿瘤的发生发展经过中均具有极其重要的作用22,23,它既可作为原癌基因促进肿瘤的生成，亦可作为抑癌基因来抑制肿瘤细胞的增殖、迁移等。 在很多癌症的发生发展中均伴随着 LncRNA 异常表示出。 对膀胱癌患者组织进行芯片分析发现有 3324 个 LncRNA 发生了异常

9、表示出 与对照组相比，变化倍数大于或等于 2 ,华而不实有 110 个 LncRNA 变化非常明显 与对照组相比，变化倍数大于或等于 8 ,进一步的实验验证还发现，LncRNA TNXA、CTA.134P22. 2、CTC.276P9. 1 及 KRT19P3 变化与芯片数据高度一致24. 在膀胱癌中差异表示出的 LncRNA 还有 LncRNA H19,其在膀胱癌组织中高表示出，且体内外的实验也已证实上调 LncRNA H19 可加速膀胱癌细胞的转移25. LncRNA H19 可与 EZH2 zestehomolog 2 结合后激活 Wnt / .catenin,并下调 E.cad E.c

10、adherin . 因而，LncRNA H19 可能是通过与EZH2 结合并且抑制 E.cad 的表示出来促进膀胱癌的转移25. 除了膀胱癌，LncRNA H19 在前列腺癌中也发挥调节功能，LncRNA H19.miR675 轴可能通过调节转化生长因子 诱导蛋白 transforming growthfactor beta induced protein,TGFBI 抑制前列腺癌的转移26,华而不实，TGFBI 与癌症转移密切相关，而miR675 能够与 TGFBI mRNA 的 3 UTR 直接结合而抑制其翻译。 HOTAIRM1 是一个基因间 LincRNA long intergeni

11、c noncoding RNA,LincRNA ,在成熟髓系细胞 myeloid cells 中特异性高表示出。 巴雷特食管 Barretts esophagus,BE 是公认的食管腺癌 esophageal adenocarcinoma,EAC 的癌前病变，80%的食管腺癌产生于 BE. 研究报道，LncRNA AFAP1.AS1 在 BE 和 EAC 中高表示出27. 当小干扰 RNA 将LncRNA AFAP1.AS1 沉默时，能够抑制 EAC 的分化，促进其凋亡，并能够抑制 EAC 细胞的侵袭及其转移，并且这不影响 AFAP1 蛋白的表示出27.LncRNA 泌尿系统癌症相关基因 1

12、urothelialcarcinorna associated 1,UCA1 可通过调节 Wnt 等多种基因促进膀胱癌细胞 BLS.211 的增殖并加强其耐药性28. 应激介导长链非编码转录体 5 long stress.induced non.coding transcripts5,LSINCT5 在乳腺癌及卵巢癌中高表示出，LncRNA LSINCT5 敲除后，可明显抑制癌细胞的增殖29. 另外一些 LncRNA,如生长休止基因转录体 5 Gas5 可通过调控目的基因使细胞凋亡发挥抑癌基因的功能。 在乳腺癌中，Gas5 表示出水平与正常对照相比显着下调30. 研究发现，在乳腺癌中显着下调的

13、 LncRNA 还有 ZFAS1 zincfinger antisense 1. 2. 2 LncRNA 与神经退行性疾病及精神疾病 随着研究的深切进入，人们逐步认识到，哺乳动物脑中不仅存在大量 LncRNA 的表示出，且很多神经系统疾病的发生发展也经常伴随着 LncRNA 的异常表示出32. 阿茨海默病 Alzheimers disease,AD 是最为常见的神经系统疾病之一，当前研究普遍以为 AD是由于患者脑中 .淀粉样蛋白 amyloid. ，A 大量表示出，继而构成老年斑 senile plaque,SP 而引起的病变，而 A 则是淀粉样前体蛋白 amyloidprecursor pr

14、otein,APP 经分泌酶剪切加工后构成的产物。 分泌酶 1 BACE1 是剪切 APP 的分泌酶之一，它是产生 .淀粉样蛋白的关键分子，在 .淀粉样蛋白的聚集经过中起到非常重要的作用。 有研究33 报道，BACE1 的反义转录本 LncRNA BACE1AS在 AD 的发生发展中也扮演着非常重要的角色。 在应激条件下，BACE1AS 可与 BACE1mRNA 构成复合体以增加后者的稳定性，防止后者降解，进而有利于 .淀粉样蛋白的进一步聚集。 而进一步的实验研究也得出类似的结论，BACE1AS 在 AD 患者及 BACE1转基因小鼠中均高表示出33,34. 另有研究发现，A 142 amyl

15、oid beta protein 142 能够抑制 SH.SY5Y细胞的分化，诱导 APP 相关因子的表示出及 SP 的构成。 AD 模型组中，A 142 和 A 140 蛋白及 mRNA的表示出均有所上调，同时伴随着 Ki67 表示出的下调。 研究还证实，外源性 A 142 不仅促进 BACE1 的表示出，还能促进 LncRNA BACE1AS 的表示出。 LncRNA 增加 BACE1mRNA 的稳定性。 下调 SH.SY5Y 细胞中LncRNA BACE1AS 的表示出能够减弱 BACE1 剪切APP 的能力，减缓 SP AD SH.SY5Y 模型中老年斑的构成34. 另有研究报道，AD

16、 发生和发展还与LncRNA BC200 的变异表示出及异常定位有关35.LncRNA 也介入调节精神相关疾病。 精神分裂症、情感分裂性精神障碍、双相性障碍、重度抑郁及自闭症谱系障碍等相关精神疾病的发生发展与精神分裂症断裂基因 1 disorder in schizophrenia.1,DISC1 表示出异常有密切的关系36. 研究报道，LncRNA DISC2 可调节 DISC1,因而，LncRNA DISC2也有可能成为治疗精神疾病的一个潜在的靶标。 另外还有研究报道，自闭症谱系障碍和阿茨海默症与RELN 及其反义转绿本 LncRNA HAR1 密切相关37. 2. 3 LncRNA 与糖

17、尿病 糖尿病是一类由多种因素引起的代谢性疾病，其主要特点是慢性高血糖，伴随胰岛素分泌受损或胰岛素作用缺陷引起的糖、脂肪及蛋白质代谢紊乱。 世界卫生组织将糖尿病分为 4 种类型： 1 型、2 型、妊娠期糖尿病及其它类型糖尿病。 不同类型糖尿病的发病机制不尽一样，但它们均表现为使胰岛 细胞功能衰退，不能分泌足量胰岛素进而导致高血糖症。 随着研究的深切进入，已有大量的研究证实，miRNA 在糖尿病的发生发展中扮演着极其重要的角色。 然而，关于 LncRNA 在糖尿病中的作用却知之甚少，当前仅有少量研究报道了 LncRNA 在糖尿病的发生发展中的作用。 如胰岛素样生长因子 2 insulin like

18、growth factor 2,IGF2 反义转录本 IGF2AS 以及第 10号染色体丢失的磷酸酶基因诱导激酶 1PTEN.induced putative kinase 1,PINK1的反义转录本naPINK1. 高浓度的葡萄糖刺激可上调胰岛 中IGF2AS 的表示出，暗示 IGF2AS 的表示出可能与血糖浓度相关38. PINK1 能够被 PTEN 激活，而 PTEN 是一个重要的胰岛素信号通路抑制剂，有研究报道，naPINK1 可能与糖代谢密切相关39,40. LncRNA 相关研究仍处于起步阶段，而关于 LncRNA 与糖尿病相关研究报道更少，要想使 LncRNA 服务于糖尿病临床诊

19、断及治疗等，还需要做大量的研究工作。 3 LncRNA 的作用机制 LncRNA 可通太多种形式介入调节生物体的生理病理经过。 根据现有关于 LncRNA 的研究报道，其作用机制可从两方面来归纳总结。 3. 1 LncRNA 介入调节的生物学经过 3. 1. 1 介入基因的表观遗传调控 表观遗传学是研究生物体或细胞表观遗传的一门学科分支，在基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表示出了可遗传的变化。 当前已经知道的表观遗传学现象有 DNA甲基化、基因沉默、核仁显性、组蛋白修饰、基因组印迹、母体效应、休眠转座子激活及 RNA 编辑等。 表观遗传学现象的发现使人们认识到，RNA 能够介入调控使一

20、样的基因型产生不同的表现型，而 LncRNA作为一种新的表观遗传调控分子，遭到了广泛的关注，越来越多的证据显示，LncRNA 在表观遗传学调控中扮演着非常重要的角色42. 胞嘧啶甲基化是较为普遍的 DNA 修饰方式，即生成 5.甲基胞嘧啶，它是一个动态可逆经过。 5.甲基胞嘧啶能够在 Tet 甲基胞嘧啶双加氧酶的作用下转化为 5.羟甲基胞嘧啶，而 5.羟甲基胞嘧啶在胸腺嘧啶.DNA.糖基化酶的作用下，通过碱基切除修复最终将该位点转化为胞嘧啶，实现 DNA 甲基化与去甲基化之间的转换43.研究 报 道，LncRNA TARID TCF21 antisenseRNA inducing demeth

21、ylation 通过诱导 TCF21 启动子的去甲基化激活 TCF21 的表示出43,TARID 能够与 TCF21 的启动子和 GADD 45A growth arrest andDNA.damage.inducible,alpha 互相作用，GADD45A是 DNA 去甲基化的调节因子，能够招募胸腺嘧啶.DNA.糖基化酶 thymine.DNA.glycosylase43. DNA甲基化也称为 CpG 的甲基化。 已经知道 CpG 岛 CpG岛： 基因组中富含 CpG 位点的区域 与基因表示出的启动序列密切相关，当基因的 CpG 岛甲基化时，其转录活性遭到抑制44. LncRNAXist

22、X chromosomeinactive specific transcript 就是通过调节目的基因使其 CpG 岛发生甲基化，抑制 X 染色体基因的表示出来介导 X 染色体失活45; 基因组印记是指来自亲本的等位基因传递给子代时发生了修饰，使带有亲本印记的等位基因表示出与亲本不同的性状。 而 H19LncRNA 对维持人类 11 号染色体近端的 IGF2 受体.H19 基因组印迹具有非常重要的作用46. 另外，LncRNA AIR 和 LncRNA Kcnqlotl 介入调节基因组印迹，同时，二者可以以通过募集组蛋白修饰酶使组蛋白发生修饰而影响目的基因的表示出47.49. 研究发现，当细胞

23、损伤时，细胞周期蛋白 D1 cyclin D1,CCND1 基因启动子区可转录出一种低拷贝的LncRNA,它可将 RNA 结合蛋白 TLS 招募至 CCND1的启动子区并激活 TLS,使其与组蛋白去乙酰化酶结合进而抑制酶的活性，下调 CCND1 的表示出50. 3. 1. 2 介入基因的转录及转录后调控 可变剪接 alternative splicing 或选择性剪接是指基因或mRNA 前体转录时产生的外显子能够以多种方式通过 RNA 剪切进行重新连接，以此产生不同 的mRNA,进翻译成不同的蛋白质。 LncRNAMALAT1 介入了基因的可变剪接22,51. 研究报道，MALAT1 能够与富

24、含丝氨酸 / 精氨酸的剪接调节蛋白互相作用，进而影响剪接的形式51,而这些剪接调节蛋白本身又被其本身的磷酸化水平所调节。 当MALAT1 与剪接调节蛋白互相作用时，一方面能够使得剪接调节蛋白在剪接斑点 splicing speckles 重新分布52,同时可以以调节这些蛋白本身的磷酸化水平，最终调节基因的转录经过。 由此，MALAT1 是一个非常重要的可变剪接的调节因子，干 扰MALAT1 表示出与活性可严重影响机体的可变剪接经过22. 转录后调控是指基因转录后的产物的一系列加工、修饰及其调节的经过。 基因的转录后调控主要包括 RNA 的剪切、加工、拼接、代谢、成熟及稳定性调节等，它在基因的表

25、示出中占有极其重要的作用。 LncRNA 可通过与 mRNA 构成双链复合物等形式，进而从转录后水平调控基因的表示出16; 从当前已经知道的关于 LncRNA 基因转录后调控的文献报道来看，它能够调控转录后的各个步骤，如，Zeb2 的反义LncRNA 能够与其内含子 5 端剪切位点所在区域构成互补双链，进而阻止该内含子剪切，保证 Zeb2 蛋白的正常表示出53; LncRNA 可以以 困住 拼接相关的调节蛋白影响基因的拼接经过16; LncRNA 还能够通过调节 mRNA 的翻转 mRNA turnover 对基因进行转录后的调控。 3. 1. 3 介入基因翻译的调控 LncRNA 通过调节m

26、RNA 的稳定性及翻译来调控基因的活性。 淀粉样前体蛋白裂解酶 1 BACE1 在 AD 的发生发展中扮演着非常重要的角色。 LncRNA BACE1AS 通过与BACE1 互相作用使其 mRNA 稳定性增加，其直接影响便是 BACE1 蛋白表示出量的增加54 . LncRNA 同样能够降低 mRNA 的翻译效率22. LncRNA pseudo.NOS 与神经元性一氧化氮合酶 neuronal nitricoxide synthase,nNOS 结合后，通过影响核糖体与nNOS. pseudo.NOS 复合物的结合抑制 nNOS 的翻译55. 3. 2 LncRNA 在生物学经过中充当媒介

27、3. 2. 1 充当分子支架 LncRNA 分子充当分子支架，将两个蛋白 蛋白和 RNA 分子绑定在一起进而发挥特定的生物学功能56.59,如 LncRNA ANRIL 和LncRNA HOTAIR.3. 2. 2 充当分子向导 LncRNA 能够使特定的核糖核蛋白复合体定位到染色体的特定部位，进而改变基因 邻近基因、远距离基因均可 的表示出，发挥分子向导的作用56,57,59.3. 2. 3 充当分子诱饵 某些 LncRNA 可能充当分子诱饵的作用，它能够诱导某些蛋白、RNA 或miRNA 分子离开特定区域56,57,59,60. 有些诱饵分子还能够成为蛋白或 miRNA 的 分子海绵 ,如

28、LncRNA H19 是 miRNA Let.7 的 分子海绵 ,其序列中包含很多 Let.7 结合位点59,61.3. 2. 4 充当信号通路的调节剂 某些 LncRNA 能够响应来自细胞内或细胞外的信号，充当特定信号通 路 的 调 节 剂56,57,59,如 LncRNA LUNAR1、LncRNA UCA159,62,63. 4 问题与瞻望 LncRNA 是真核生物转录本中非常重要的一个组成部分，能够调节大约 70% 以上的基因表示出，它在机体的生理及病理经过中均有非常重要的作用。 当前，LncRNA 的研究还处于初级阶段，其功能、构造及其调控机制还需要进一步的说明。 生物体所有的生命活动都依靠于其体内 DNA、RNA 及蛋白三者之间扑朔迷离的交互调控网络，因而，将来的研究必将趋向于从整体、系统的角度去研究生物体的生命经过。 小到研究特定类型的细胞在不同时间、空间内所有蛋白、DNA、RNA 的表示出情况及其互相之间的关系，大到特定组织甚至是生物体本身在特定时间特定空间内蛋白、DNA、RNA 的三维表示出及其调控网络，这是清楚了解生物有机体生命形式的一个必经之路。 但是三者本身数目之巨加上本身的构造复杂多样，这将是一个庞大而艰巨的任务，需要全人类共同的努力才有可能完成。