中枢神经系统长链非编码RNA的研究进展

贾中骄，尹 希（综述），史海水（审校）

（1.河北医科大学基础医学院解剖学教研室，河北石家庄 050017；2.河北医科大学第四医院功能科，河北石家庄 050011 3.河北医科大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室，河北石家庄 050017）

·综 述·

中枢神经系统长链非编码RNA的研究进展

贾中骄1，尹 希（2综述），史海水3*（审校）

（1.河北医科大学基础医学院解剖学教研室，河北石家庄 050017；2.河北医科大学第四医院功能科，河北石家庄 050011 3.河北医科大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室，河北石家庄 050017）

中枢神经系统；RNA，未翻译；精神病；综述文献

中枢神经系统是一个非常复杂的生物系统，包含由不同类型的神经元和神经胶质细胞整合形成的动态神经网络，不同的神经网络负责介导中枢神经系统的高级认知和行为学功能。表观遗传修饰主要包括基因组DNA特定位点的甲基化以及组蛋白修饰等，与中枢神经系统稳态、应激反应、可塑性，甚至某些疾病的发生发展密切相关。这种共价修饰调节需要多种酶、蛋白复合物以及分子脚手架等的有序参与，但具体的作用机制不清。非蛋白编码RNA（non-prtein-coding RNA，ncRNA）主要包括核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）、转运RNA（transfer RNA，tRNA）、microRNA（miRNA）、小干扰 RNAs（small interfering RNA，siRNA）、PIWI相互作用RNA（PIWI-interacting RNAs，PiRNA）以及长链非编码RNA（long non-protein-coding RNA，lncRNA）等［1］。ncRNA的表达具有典型的时空特异性和环境敏感性，参与了表观遗传调节中的分子募集，中枢神经系统的ncRNA在大脑发育、神经干细胞维持、神经元发生、胶质细胞发生、应激反应、稳态、突触和神经元网络的连接和可塑性等过程中发挥着关键作用，引起了科学家们的广泛关注［2］。目前针对ncRNAs的研究集中在miRNA的与疾病发生发展的关系研究，对lncRNAs的研究相对较少。

1 lncRNAs简介

lncRNAs是在小鼠全长互补DNA文库的高通量测序分析中被描述出来的一类新的转录产物，最初被认为是由于转录过程中RNA聚合酶的低保真度所致。lncRNAs长度超过200nt、没有或少有编码蛋白能力，分布在细胞核和（或）细胞质中［3］。lncRNA是表达量最丰富的一类ncRNA，起初被认为是不具有生物学功能的转录副产物。研究［4］表明，lncRNA在基因表达调控中发挥着重要作用，作用模式与其定位［细胞核和（或）细胞质］有关。哺乳动物的lncRNAs位于基因组内长的基因间区，基因组序列往往被分隔为许多不同的编码和非编码部分，以正义或反义方向转录，包含蛋白编码基因在内的正义和反义转录物常形成重叠交织的网状转录复合物。lncRNAs的一级结构普遍缺乏保守性或仅具有低保守性，而二级结构具有保守性［5］。此外，和成熟的mRNA结构相似，某些lncRNAs还具有帽子结构和多聚腺苷酸尾巴结构以及经历相似的转录后剪接修饰。

2 lncRNAs的功能

lncRNAs在脊椎动物（小鼠、大鼠、人等）和无脊椎动物（线虫、果蝇等）具有表达。很多lncRNA在生物发育的某些阶段产生，具有组织或细胞特异性，其功能涉及染色体结构动态变化、亚细胞结构组成、基因组印记、剂量补偿效应等众多过程［6-7］。lncRNAs作用机制相对复杂，可在靶基因表达的不同环节发挥调节作用［8］。

2.1 lncRNAs的表观遗传调节：lncRNAs在表观遗传学修饰中扮演了重要角色。可以通过表观遗传修饰改变染色质构象，沉默或激活部分基因的表达，特别在胚胎发育阶段，lncRNAs参与可遗传的等位基因后期的表达沉默、表观性状的维持，这对于多细胞动物的正常发育和细胞分化至关重要。lncRNAs可通过直接与染色质结合并募集作用因子发挥其作用，也可通过组蛋白修饰导致靶基因沉默，还能通过募集染色质修饰抑制因子来参与等位基因的特异性沉默［8］。

细胞核内的lncRNAs与染色质在空间上邻近，使得这些lncRNA与其靶基因直接结合并诱导其沉默成为可能。尽管没有得到充分的证据证实，系列研究结果支持这一观点［9］，如X染色体特异性是或转录物（X inactivation-specific transcript，Xist）lncRNAs对于哺乳动物雌性个体细胞的X染色体失活必不可少。荧光原位杂交实验显示Xist lncRNAs信号几乎覆盖了整个 X染色体，小鼠胎盘 Air lncRNA可以结合到Slc22a3基因的启动子区，招募H3K9组蛋白甲基转移酶 G9a，诱导转录沉默。lncRNAs与靶基因的结合可通过表观遗传方式改变染色质结构，也可以通过物理结合DNA并成为染色质的组成成分，从而影响染色质的构象。这种结合可能有利于稳定染色质的空间结构，或有利于非组蛋白与染色质的结合。哺乳动物中，PcG蛋白质可以结合并沉默上千基因，而三胸节类（trithorax group，TrxG）蛋白质则能够维持基因的活化状态，它们与目标位点的结合也均是由lncRNA指导。而在酵母IMD2和URA2基因位点，蛋白质编码基因和lncRNA基因具有相同的启动子，上游lncRNA基因可以通过竞争转录因子，抑制下游蛋白质基因的表达。

组蛋白修饰研究［10］表明，Air lncRNA对其基因簇中的基因具有调节功能。三甲基化组蛋白H3K9me3位于靶基因Slc22a3的启动子区，Air与其存在较强的关联。在依赖Kcnq1ot1沉默的基因启动子区富集H3K27me3和H3K9me3，H3K27me3的修饰作用依赖于Kcnq1ot1。提示不同lncRNA通过组蛋白修饰发挥沉默机制存在一定差异。

募集染色质修饰因子是多数lncRNA的功能，lncRNA的表观遗传修饰可通过募集染色质修饰抑制因子实现［11］。近40%表达的lncRNAs与抑制染色质修饰因子如多梳抑制复合体 2（ polycomb repressive complex 2，PRC2）、RE1沉默转录因子共抑制因子（ corepressor for RE1 silencing transcription factor CoREST）存在物理上的结合，并有可能抑制位于反式作用元件上的靶基因。组蛋白修饰调节因子G9a（H3K9组蛋白甲基转移酶），参与了Kcnq1ot1 lncRNA的沉默机制。Air lncRNAs与G9a分子能相互作用，Air lncRNAs参与父源Slc22a3启动子上与G9a的连接作用，而Kcnq1ot1可与G9a、Ezh2以及Suz12发生免疫共沉淀，后两者属PRC2家族，并且参与调解H3K27甲基化。

2.2 lncRNAs与转录调节：细胞核中的lncRNA除了可以通过表观遗传修饰基因表达外，也可通过其他方式在转录水平对靶基因表达进行调节。lncRNAs可以作为直接调控因子、共调控因子等，通过调节转录起始复合体的形成实现对靶基因转录的调控［12］。这种调控作用可干扰靶基因的转录（如酵母Srg1 lncRNA）或促进靶基因的转录（如人的β-球蛋白基因上游的 lncRNA）。在转录后水平，lncRNAs可与mRNAs序列形成RNA二聚体，掩蔽与转录加工有关的位点，以此来调控转录后水平的剪切、拼接、翻译等过程产生不同的剪切形式。lncRNA也可通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链，进一步在 Dicer酶作用下产生内源性的siRNA，调控基因的表达水平。

3 中枢神经系统lncRNAs与疾病发生

中枢神经系统疾病是神经科学领域研究的热点，ncRNAs与复杂疾病发生发展之间的关系研究引起关注［7］。尽管对其具体的致病机制不甚清楚，人类的很多疾病都和lncRNA的表达异常相关，如白血病、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、肝细胞、牛皮癣、冠心病、糖尿病等。动物脑组织中lncRNAs呈现高表达的特性也提示其可能参与中枢神经系统功能调节。lncRNAs广泛参与了视网膜发育、神经细胞的分化和增殖，以及突触可塑性调节，与阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）、睡眠障碍、精神分裂症、自闭症、成瘾等神经系统疾病相关。

3.1 lncRNAs与神经发育相关疾病：lncRNAs与涉及基因组印迹的神经发育异常疾病有关，包括Prader-Willi综合征（Prader-Willisyndrome，PWS）、Angelman综合征（angelman syndrome，AS）等。很多父源 lncRNA的表达来源于基因印记簇［13］。其中一部分作为作为snoRNA的前体间接地发挥表观遗传调节，另外一部分lncRNAs可直接参与基因印记簇中基因表达的调节。母源表达的Ube3a是AS发生的候选基因，Ube3a-as是Ube3a基因的反义转录产物，提示Ube3a-as可能沉默父源Ube3a基因的表达，衍生于PWS-AS的lncRNA定位于细胞核，并通过动态调节细胞核结构来参与调控基因表达。

lncRNA会影响脆性X染色体综合征（fragile X syndrome FXS）、脆性X染色体相关的震颤和共济失调综合征（fragile X-associated tremor and ataxia syndrome FXTAS）的发生发展。两者分别是由于蛋白编码基因FMR1的突变和前突变所致。FMR4是灵长类特异的lncRNA，与FMR1基因共享双向启动子。和FMR1相似，FMR4在FXS患者中也被沉默，利用siRNA技术下调FMR4并不影响FMR1表达，提示FMR1并非是FMR4的惟一靶标，而过表达上调FMR4会显著促进细胞增殖。进一步表明lncRNA功能的复杂性。

lncRNA还可能参与了Down′s综合征（Down′s syndrome，DS）的病理过程。NRON lncRNA介导了激活 T细胞核因子（nuclear factor of activated T cells，NFAT）这类转录因子的核转位。利用DSCR1和DYRK1A基因异常表达可协同阻止NFAT的核转位，引起NFATc活性降低，在模型动物上可诱导DS的一些病症。

3.2 lncRNAs与神经退行性疾病：AD是一类以认知功能障碍为主要特征的神经退行性疾病。β淀粉样蛋白（amyloidβ，Aβ）的过度生成被认为是其最重要的致病机制。β淀粉样前体蛋白裂解酶1（βsite amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1，BACE1）催化淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）生成Aβ。人神经系统中可表达产生的两类lncRNAs可影响AD的发生发展。一类是lncRNAs（ BC200），BC200在正常老人新皮质组织中的表达会随着年龄的增长而下降，在AD患者的受累脑组织中，BC200的表达量显著增高，并且其表达量与患病严重程度呈正相关。BC200的亚细胞定位在AD病程的晚期也发生了改变。BC200的变异表达和非正常定位导致了 AD的发生和病程的进展，但BC200与AD发生的因果关系尚待证实［14］。另一种IncRNA是β分泌酶-1（beta-secreatse-1，BACE1）基因反义链转录产物（BACE1 antisense transcript，BACE1-AS），BACE1 AS能够在细胞各种外界压力刺激条件下，与BACE1mRMA形成RNA复合体来防止BACE1mRNA受到核酸酶的降解，从而增加BACE1mRNA的稳定性，导致更多的β淀粉样蛋白累积，且促进更多BACE1-AS的表达，这个正反馈循环最终加速AD的发展。利用BACE1-AS特异的 siRNA降低 BACE1-AS的表达后，BACE1 mRNA与β淀粉样蛋白的表达水平也同时下降，这就表明BACE1-AS是一个较理想的治疗AD的药物靶点［15］。此外，lncRNA也与脊髓小脑性共济失调、肌萎缩测索硬化、杭廷顿病等疾病发生密切相关［16］。

3.3 lncRNA与神经免疫性疾病：多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是一类复杂的自身免疫性疾病。免疫病理性研究［17］发现，CD8+T细胞活性异常与MS的发病有关。小鼠 CD8+T细胞来源的lncRNAs在T细胞分化与活化的过程中动态表达。Tmevpg1是一类可能参与MS病理过程的lncRNA，它存在于人和小鼠的免疫细胞，是细胞因子基因簇的转录产物。小鼠中Tmevpg1控制鼠脑脊髓炎病毒（Theiler′s murine encephalomyelitis virus，TMEV）感染的持续。值得注意的是，由于能引起伴随少突胶质细胞凋亡和轴突变性的长期炎性脱髓鞘，TMEV感染常用于制备MS动物模型。

3.4 lncRNA与神经精神疾病：除了与神经发育相关疾病、神经退行性疾病以及神经免疫疾病外，lncRNAs还与多种精神疾病存在关联。DISC基因座可表达DISC1蛋白和DISC2 lncRNA。DISC基因组定位改变与精神分裂症、双相情感障碍、重性抑郁症、自闭症等的发生风险高度相关。DISC2存在于DISC1的互补链上，两者存在部分重叠，转录方向相反，提示DISC2可能参与了DISC1的表达调节，后者可参与包括胚胎期和成年神经发生在内的中枢神经系统结构与功能的调节。

应用高通量测序技术，Michelhaugh等［18］对海洛因成瘾者和正常人伏隔核脑区lncRNAs进行了检测分析，鉴别出 5条在成瘾者伏隔核上调的lncRNA，提示lncRNA可能参与了药物成瘾过程。基于定位于神经系统相关基因簇的特点，Soshnev等［19］对 yar lncRNA的功能进行研究，发现 yar lncRNA可通过影响mRNA的稳定以及在翻译水平调节果蝇睡眠行为。lncRNA也可能在动物睡眠行为以及睡眠障碍相关疾病（焦虑、抑郁症等）发生中发挥作用，需实验进一步验证。

4 展 望

中枢神经系统的lncRNAs具有重要的中枢神经系统调节功能，与多种疾病发生、发展存在关联。但是，与众多编码蛋白的基因功能研究相比，在中枢神经系统疾病，尤其是一些主要精神疾病（抑郁症、焦虑、成瘾等）发病过程中lncRNA的功能与作用机制还不得而知，主要包括：①在疾病发生过程中都有哪些lncRNA发生了变化；②这些变化的lncRNA在疾病发生过程中发挥何种分子生物学功能；③疾病特异性相关的lncRNA的亚细胞定位是否发生改变；④正常和疾病状态下lncRNA的稳定性如何。通过建立合适的动物模型，综合运用高通量筛选、测序技术和生物信息学、分子生物学方法，挖掘和疾病发病密切相关的lncRNA，进一步对其功能和作用机制进行深入研究，这不仅仅会丰富对lncRNAs这一神秘RNA分子的认识，也为重大神经精神疾病发病机制研究和开发以RNA为靶点的新型药物拓宽思路。

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（本文编辑：刘斯静）

R338.2

A

1007-3205（2012）09-1102-04

2012-02-16；

2012-06-10

贾中骄（1982-），男，河北石家庄人，河北医科大学基础医学院助理实验师，医学硕士研究生，从事神经精神疾病发生机制研究。

*通讯作者。E-mail：shshhdsh@163.com

10.3969/j.issn.1007-3205.2012.09.047