长链非编码RNA及其在家畜中的应用与展望

蔡含芳，李明勋，陈 宏（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌，712100）

综 述

长链非编码RNA及其在家畜中的应用与展望

蔡含芳，李明勋，陈 宏*
（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌，712100）

在哺乳动物基因组中，绝大多数被转录成为非编码RNA （non-coding RNA，ncRNA），其中，长链非编码RNA （long non-coding RNA，lncRNA）是数目最多的，也是功能最复杂的一类非编码RNA。研究表明，长链非编码RNA可以从染色质水平、转录和转录后水平对基因的表达进行调控。长链非编码RNA在剂量补偿效应、基因组印记、细胞分化和组织形成等多个方面发挥着重要作用。在此将着重介绍长链非编码RNA的概念、作用机制及其在家畜方面的应用，最后对长链非编码RNA在家畜育种方面的应用进行展望。

长链非编码RNA；生物学功能；家畜；应用；展望

近几年，随着生物技术的不断发展和广泛应用，非编码RNA的研究也取得了巨大的进展，这些曾经一度被认为是基因组在进化过程中累积的无功能的“垃圾序列”也逐渐被揭开“神秘面纱”，其中包括大量的长链非编码RNA，它们参与细胞分化和个体发育等重要生命过程。在本文中，我们将简单介绍长链非编码RNA的概念及分类，然后综述它们在多种生理过程中的功能及其分子机制，最后总结出长链非编码RNA在家畜育种研究中的进展以及未来所面临的挑战。

1　长链非编码RNA的简介

在庞大的哺乳动物基因组中，75%能够被转录，而只有2%具有编码蛋白的能力，绝大多数转录本不能编码蛋白，称为非编码RNA （non-coding RNA，ncRNA）［1，2］，包括短链非编码RNA （Small ncRNA）和长链非编码RNA，短链非编码RNA指的是片段小于200bp的非编码RNA，包括转运RNA （transfer RNA，tRNA），核糖体RNA （ribosomal RNA，rRNA），核内小RNA （small nuclear RNA，snRNA），核仁小分子RNA （small nucleolar RNA，snoRNA），microRNA，小干扰RNA （small interference RNA，siRNA）和Piwi蛋白互作RNA （Piwi-interacting RNA，piRNA）［37］。长链非编码RNA指的是片段大于200bp，没有或少有编码能力的非编码RNA。这类非编码RNA是数目最多的，也是功能最复杂的［8］。

自长链非编码RNA的概念被第一次提出之后［9］，已有15，000多个长链非编码RNA被鉴定。大多数的长链非编码RNA是由RNA聚合酶I I转录而来，并且同mRNA一样，具有多聚腺苷酸尾（polyA），5'端的帽子结构以及可变剪切位点［10，11］。而由RNA聚合酶I I I转录而来的长链非编码RNA是不具有polyA尾结构的［12，13］。根据长链非编码RNA在基因组中与邻近基因的相对位置，可以将其分为5类：同义长链非编码RNA，即与同一链（正义链）上另一转录物的一个或多个外显子相重叠；反义RNA，即与另一链（反义链）上的转录物外显子相重叠；双向长链非编码RNA，即长链非编码RNA的表达起始位点与其互补链上向两边编码转录物的表达起始点十分靠近；内含子长链非编码RNA，即完全来源于另一转录物的一个内含子的长链非编码RNA，基因间长链非编码RNA，即由两个基因的间隔区序列转录而来的长链非编码RNA［14］。

2　长链非编码RNA的作用机制

不同于micro RNA或是编码蛋白的基因，长链非编码RNA的一个重要作用机制就是能够调控邻近的编码蛋白的基因的表达，被称为“trans”效应［15］。正是由于这种作用方式，才使得长链非编码RNA在染色质重塑、转录调控和转录后调控的方面发挥着重要作用。

2.1长链非编码RNA与染色质重塑

长链非编码RNA对染色体修饰的调控主要表现为它能够影响基因组特定位点对染色质重塑复合物的募集。例如，同源异型框基因反义基因间RNA （HOX antisense intergenic RNA，HOTAIR）是由同源异型框基因C（Homeobox C，HOXC）位点转录得到，它能够募集多梳抑制复合体2（Polycomb repressive complex 2，PRC2），反式作用于HOXD位点的转录，从而抑制基因的表达［16］。长链非编码RNA的这种作用机制能够引起表观表型的改变，例如基因印记。X染色体特异性失活转录物（X inactivation-specific transcription，Xist）是一种被人们所熟知长链非编码RNA，该基因5'端的重复A（Re-pA）位点募集PRC2复合物，导致大量的组蛋白甲基化，从而沉默一条X染色体，维持剂量补偿效应［17］。

2.2长链非编码RNA与转录调控

大量的长链非编码RNA能够从基因的增强子区和启动子区转录而来，从而这些长链非编码RNA参与基因的调控，它们能够影响RNA结合蛋白的作用。例如，细胞周期蛋白1的5'端上游能够转录一种长链非编码RNA，它能够作用于并影响RNA结合蛋白脂肪肉瘤转运蛋白（translocated in liposarcoma，TLS）的活性，从而抑制CREP结合蛋白和p300的组蛋白乙酰转移酶的活性，从而抑制周期蛋白1的表达［18］。另一方面，一些长链非编码RNA能够影响转录因子的活性。在小鼠的细胞中，Evf2是从超保守增强子区域转录而成的长链非编码RNA，它能够影响该增强子与同源转录因子DLX2的结合及其活性，进而影响毗邻的编码蛋白基因的表达［19］。此外，长链非编码RNA能够影响RNA聚合酶I I的活性，从而影响基因的转录，如人类的二氢叶酸还原酶上游转录的长链非编码RNA DH-FR［20］。

2.3长链非编码RNA与转录后调控

长链非编码RNA能够识别与其序列互补配对的mRNA序列，与mRNA特异性的结合，从而参与转录后调控的多个过程，如mRNA剪接、mRNA降解、mRNA编辑以及运输等。在哺乳动物基因组中，众多基因的反义转录本能够发挥这一作用。肺腺癌转移相关转录物11（Metastasis-associated in lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1）的长链非编码RNA已被发现在多种癌症中异常表达，它能够与丝氨酸/精氨酸（Serine/arginine，SR）剪接因子相互作用，并调控剪接因子在剪接斑点中的分布和磷酸化水平，从而改变mRNA前体的选择性剪接模式［21］。另有研究表明，RNA结合蛋白Stau1（Staufen1）可以介导mRNA的降解［22］。而一种被称为半Stau结合位点RNA（Half-Stau1-binding site RNA，1/2-sbsRNA）的长链非编码RNA通过与mRNA的3'UTR的Alu原件的不完全配对，形成Stau1结合位点，促进Stau1与mRNA结合，导致mRNA降解［23］，从而调控转录。此外，研究表明长链非编码RNA能够与内源性的siRNA相互作用，从而参与RNA的沉默途径［24］。

作为功能最复杂的非编码RNA，众多长链非编码RNA的功能及其作用机制有待进一步的研究。

3　长链非编码RNA在家畜方面的应用

近几年，随着二代测序技术以及长链非编码RNA研究技术的发展，其在家畜方面的研究也取得了一些进展，但仍处于起步阶段。2013年Weikard等利用RNA深度测序，发现牛皮肤组织中存在4848个潜在的长链非编码RNA，其中4365个是位于基因间区的［25］。2011年Esteve-Codina等利用RNA-seq的方法，鉴定伊比利亚公猪和大白猪的公猪的性腺转录组，发现了2047个潜在的长链非编码RNA与精子发生或与脂质代谢相关，其中有469个是与人类同源的［26］。近期，Huang等利用已公布的牛特定的表达序列标签，在405个基因间隔区筛选了449种长链非编码RNA，通过特征分析结果表明这些长链非编码RNA一般以组织特异性方式表达，其G C含量高于随机选择的基因间序列，但比蛋白编码基因的低且在哺乳动物中比较保守［27］。与此同时，Li等利用RNA-Seq技术和生物信息学分析，在鸡基因组中鉴定了281种新的长链非编码RNA，这些长链非编码RNA与鸡骨骼肌发育相关。与Huang等的结果一致，这些长链非编码RNA序列的保守性低于编码基因的序列［28］。目前，长链非编码RNA在家畜育种及品种改良的研究当中，取得了初步可观的进展，这些长链非编码RNA可作为可贵的遗传资源，应用到畜禽遗传资源的开发以及畜禽育种工程当中。

4　展望

随着越来越多的研究者将目光投向长链非编码RNA功能的研究，人们对于长链非编码RNA的认识也越来越深入。长链非编码RNA已经被公认为是基因调控大家族的新成员。长链非编码RNA因其在染色体重塑、转录水平和转录后水平重要的调控机制，使其参与一系列的生物过程，包括X染色体沉默、染色体修饰、基因转录、mRNA剪接、基因组印记、细胞分化和发育及疾病和癌症发生等。目前，长链非编码RNA在医学上的研究得到了快速的发展，解析出了长链非编码RNA对不同类型细胞的分化以及个体发育的调控作用，发现了在病理过程中发挥关键作用的长链非编码RNA基因，并研究了可能为人类重大疾病的诊断和治疗提供新的靶标和药物分子的长链非编码RNA［29-30］。然而，相比之下长链非编码RNA在家畜上的研究仍处于初级阶段，其功能与调控机制也有待进一步研究。通过建立RNA文库，利用高通量测序技术和生物信息学分析手段，预测非编码RNA的序列和结构特征，发现更多新的长链非编码RNA；通过原位杂交技术、过表达技术、s i RNA介导基因沉默等技术来研究长链非编码RNA的功能；利用染色质免疫共沉淀技术 （Chromatin Immunoprecipitation，CHIP），RNA免疫沉淀技术（RNA immunoprecipitation，RIP）和双荧光素酶报告系统等研究长链非编码RNA的作用机制，这是家畜上一般的研究长链非编码RNA对生长或经济性状的调控作用机理的方法。与编码蛋白基因和m i c r o RNA相同，利用现代生物技术方法和手段，长链非编码RNA同样可以作为改良动物性状和生长的靶点或外源产物。因此，揭示与重要经济性状或是生长性状相关的关键长链非编码RNA，为加快家畜生长性状改良，加快家畜育种进程提供有力的理论基础。

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The Biological Function of Long non-coding RNA and Its Application and Prospect in Domestic Animals

CAI Han-fang，LI Ming-xun，CHEN Hong*
（College of Animal Science and Technology，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi，712100，China）

Most of the mammalian genome is transcribed as non-coding RNA （non-coding RNA， ncRNA）.Among them，long non-coding RNA（long non-coding RNA，lncRNA）is the most predominant and the most complicated.Previous researches have suggested that lncRNA regulates gene expression at the levels of chromatin modification，transcription and post-transcriptional processing.lncRNA plays an essential role in dosage compensation，genomic imprinting，cell differentiation and histogenesis.This paper reviewed the definition，biological function of lncRNA and its current application and prospect in domestic animals

long non-coding RNA；biological function；domestic animal；application；prosp ect

S

A

1001-9111（2015）

2015-03-11 修改日期：2015-04-11

国家自然科学基金项目（No.31272408），国家肉牛牦牛产业技术体系专项经费（编号：CARS-38），陕西省科技统筹创新工程计划项目（No.2015KTCL 02-08，2014KTZB 02-02-02-02），国家发改委生物育种能力建设与产业化专项（2014-2573）。资助。

蔡含芳（1990-），女，河南人，在读博士，研究方向：生物技术与动物育种。

陈宏（1955-），男，陕西西安人，博士，教授，研究方向：生物技术与动物育种。