长链非编码RNA在神经系统发育过程中的作用

岳文峻(综述)，宋　成(审校)

(枣庄矿业集团中心医院烧伤整形美容科，山东 枣庄 277000)

长链非编码RNA在神经系统发育过程中的作用

岳文峻(综述)，宋成※(审校)

(枣庄矿业集团中心医院烧伤整形美容科，山东 枣庄 277000)

摘要：多细胞生物基因组的特点是普遍表达不同类型的非编码RNA(ncRNAs)。长链ncRNAs(LncRNAs)作为ncRNA中一种新的类型，包含着数千种不同的种类。LncRNAs在分化和发育过程中起关键作用，并且在复杂生物体基因组内发现的LncRNAs数量不断增加，也暗示了其在多细胞生物进化过程中调控的重要性。研究表明，LncRNAs在剂量补偿、基因印迹、细胞分化及器官形成等方面发挥着重要功能，特别是在哺乳动物的发育过程中发挥着不可替代的作用。

关键词：长链非编码RNA；分类；神经系统；发育

在过去的研究中已经证明RNA在细胞功能和生物进化中的核心作用，但是通过Tiling微阵列(芯片)技术、基因表达系列分析、帽分析基因表达、转录组测序技术、染色质免疫沉淀技术等分析哺乳动物基因组与转录组结果表明,大约2/3的基因组DNA普遍转录，但是最终只有大约2%翻译为蛋白质[1]。而且与编码RNA相比，非编码RNA(non-coding RNAs，ncRNAs)与生物复杂程度的关系更为密切。在真核生物中ncRNA的范围很广泛，超出了蛋白质编码基因的数量。其中长链ncRNAs(long noncoding RNAs,LncRNAs)通常大于200个核苷酸，并且多聚腺苷酸化后缺乏明显的开放阅读框。现将LncRNAs在中枢神经系统发育过程中的研究进展作一综述。

1LncRNAs的特点及分类

LncRNAs大于200个核苷酸,通常被多聚腺苷酸化并且缺乏明显的开放阅读框[2]。LncRNAs在核糖核蛋白复合物中发挥重要作用，调控基因表达的各个阶段[2]。其内在的核酸天然赋予LncRNAs双重功能：①作为蛋白质的配体(如在基因调控过程中发挥功能的LncRNAs)；②介导碱基配对的相互作用来引导包含LncRNAs的复合体到特殊的RNA或DNA靶点[2-3]。区别于小ncRNAs，LncRNAs还可以折叠成复杂的二级或更高级的结构来为蛋白质和目标识别提供更高的潜能和多能性[2-3]。根据它们的结构或功能的特点，其可以被进一步分为多个子类，如环状RNA[4]，自然翻译转录物[5-6]，超保守转录区域[7]，有增强子作用的LncRNAs[8]，长链基因间RNA和假基因。LncRNAs发挥功能的分子机制还不清楚，目前有以下几种假设，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]。通常认为LncRNAs通过相应的DNA、RNA、Pr 相互作用，发挥信号转导、抑制剂/诱饵、染色质修饰因子/支架、顺式和反式基因表达调控因子/向导等作用[9-10]。

2LncRNAs与中枢神经系统的发育

在器官发育过程中LncRNAs对于建立和维持细胞特异性基因表达模式所起的作用已经得到证实。尤其是中枢神经系统(以大量而广泛的神经元和神经胶质细胞的亚型为特点)在ncRNAs方面是迄今为止最复杂和多样性的。LncRNAs 在中枢神经细胞中高度表达，并且LncRNAs数量的增加与进化的复杂性密切相关。

2.1神经系统中含量最丰富的 LncRNAs肺腺癌转移相关的转录因子1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1，Malat1)是迄今为止研究最广泛、在神经系统中表达最多的LncRNAs。这种LncRNAs在不同类型的小鼠神经中均呈现高表达[11]。Malat1定位于核散斑上，通过一系列调控核与突触功能的基因来调控突触的形成[11]。在培养的小鼠海马神经元细胞中敲除Malat1基因将会导致突触密集度降低及树突生长受限。然而，Malat1功能缺失小鼠模型证明其在小鼠产前和产后发育过程中并非必不可少，仅表现出个别基因的轻微下调，如Malat1的邻近基因，这同时也证明了在基因转录过程中Malat1具有潜在的顺式调控作用[12]。

与癌原鉴定结果一致，通过结合RNA不稳定的元件锌指核酸酶到Malat1基因上导致Malat1在人肺肿瘤细胞下调至0.1%，揭示了一种Malat1基因控制的转移基因表达模式[12]。总之，Malat1在肿瘤发展和神经元分化过程中准确的作用机制还需要深入研究。

2.2LncRNAs与神经发育相关编码基因的联系通过全基因组研究方法的整合对LncRNAs进行总体检测，同时在不同的成年小鼠大脑区域进行原位杂交，结果表明LncRNAs与不同类型的脑细胞有关，且与mRNA相比其表达更具有组织特异性[13]。同时，它们在大脑发育过程中的表达也呈现出特殊的时空表达模式[13]。

转录组分析表明，许多脑组织表达的LncRNAs是灵长类或人类所特异表达的，随着研究的深入发现LncRNAs可能对人类大脑进化及认知和行为起关键作用[14]。自从人类与其他类人猿具有趋异性开始，高加速区域1A LncRNA就加快了自身的进化。它的表达水平与Reelin蛋白的表达水平相关，表明它可以通过类似的方式协同区域脑组织的建立。对比发现，从鸟类到哺乳动物等各种物种大脑中表达的LncRNAs似乎都高度保守并且具有类似的时空表达谱系，表明这些LncRNAs 在大脑发育过程中自古就发挥着作用[15]。

已经发现来源于脑组织DNA超保守区域的LncRNAs转录自复杂的基因位点，它们与编码发育过程中关键蛋白的基因重叠或反义[16]。例如，LncRNAs通过充当分子支架募集特殊因子来调节邻近基因的活性[16]。共激活LncRNA Dlx6反义链转录物1(distal-less homeobox 6,opposite strand 1，Dlx6os1，也被称为Evf2)，位于一个超高保守区域内；它是Dlx6的反义RNA并且位于Dlx5的下游。这些Dlx基因与黑腹果蝇 Distal-less(Dll)基因有关；它们编码同源异型结构域转录因子，而这些转录因子在腹侧前脑的发育过程中表达并且可能在前脑以及颅颌面的发育过程中也发挥作用。Dlx6os1通过顺式与反式作用机制控制Dlx5、Dlx6以及谷氨酸脱羧酶1基因(clutamate decarboxylase，Gad1,也称为Gad67)的表达。在顺式作用中，Dlx6os1的转录负向调控Dlx6的表达。相反，在反式作用中，Dlx6os1募集转录因子同源异型盒蛋白(一种活化剂)以及甲基化-CpG-结合蛋白2(一种抑制剂)来调控Dlx5和Gad1的表达[16]。小鼠体内Dlx6os1功能缺失实验产生一种特殊的神经表型，出生后早期在海马区γ氨基丁酸能中间神经元减少。尽管γ氨基丁酸能中间神经元以及Gad1 RNA水平在成年的Dlx6os1突变的海马体中恢复正常，但是突触抑制的缺陷依旧存在，表明Dlx6os1在体内的神经元活动中起关键作用[16]。Dlx6os1基因的发现开创了探究转录自超高保守区域的LncRNA之路。

2.3LncRNA诱导的神经发生对神经发生有关的LncRNA进行大量筛选，确定各种敲除后能阻止人类胚胎干细胞发育为成熟神经元的LncRNA。有趣的是，核定位的LncRNA-N1(也被称为 LINC01109)以及 LncRNA-N3被结合到多梳蛋白和神经元限制性沉默基因，表明一种模式神经元通过募集组蛋白H3K27甲基化酶复合体到特定的胶质细胞谱系基因从而增强神经元限制性沉默因子活性，促进神经形成。与之相反，细胞质的LncRNA-N2(也称为 MIR100HG)似乎充当let-7 以及神经性的miR-125b基因的前体分子， let-7和miR-125b都是miRNAs，它们分别促进增殖停滞和神经元分化[17]。

2.4视网膜上的LncRNAs有趣的是,几种LncRNAs被发现在视网膜上特异性表达，视网膜是中枢神经系统的一个特殊组成部分。视网膜是体内研究的一个容易控制的组织类型，因为基因功能缺失实验可以通过局部注射RNA干扰试剂得以实现，与之相反,许多体内中枢神经系统研究需要对生殖细胞系进行遗传修饰。目前已经较为清晰的知道视网膜模型中特异性表达的几种LncRNA功能,如Xist、Tsix、Kcnq1ot1、Airn、Fendrr、Hotair、Dlx1os、Dlx6os1、Malat1等基因。

2.5非标准结构的LncRNAs最近在人与小鼠大脑皮质锥体神经元和中间神经元中证实，环状RNA是来源于不规则剪接的反义转录本(cerebellar degeneration-related protein 1 antisense,CDR1AS,也被称为ciRS-7)的小脑变性相关蛋白1(cerebellar degeneration-related protein 1，CDR1)mRNA。有趣的是，这种环状RNA通过70个选择性保守的miR-7靶位点来发挥海绵样作用并调节内源性miR-7靶点[18-19]。斑马鱼在胚胎期大脑发育过程中由于维持miR-7基因的表达而失去了CDR1位点，所以常被用来研究环状RNA在体内的功能。胚胎表达异位CDR1AS基因可导致大脑发育障碍以及脑区萎缩，这与通过吗啉代寡核苷酸干扰导致miR-7功能缺失实验获得的表型相似[19]。因此，cirRNAs可能在神经元的功能以及神经系统疾病中起调控作用[18-19]。

总之，LncRNAs功能的多样性似乎与中枢神经系统复杂的调控需要相适应，关于LncRNAs对大脑复杂功能的调控以及在神经退行性疾病中的发病机制还需要更深入的研究。

3小结

随着对于LncRNAs功能研究的深入，已知的基因调控机制已经不能对此作出完善的解释。尽管有关LncRNAs的新的研究方法不断涌现，但是LncRNAs编码位点结构的复杂性以及与编码基因复杂的相互作用关系导致其准确的作用机制尚不清楚。对于转录物非编码性质的准确定义上也存在着挑战，研究表明实际上某些特殊的LncRNAs具有以前未知的编码小分子多肽(小于50个氨基酸)的生物学功能[19]。研究表明[20-21]，即使与核糖体结合，LncRNAs也可以表现出与那些典型的非编码序列相似的核糖体占用的行为方式，表明依靠这种方法区分转录体是编码还是ncRNAs还不充分[22]。因此，还需要进一步研究来定义LncRNAs与核糖体的之间的联系，并确定是否具有可以编码蛋白质的LncRNAs亚类存在。

对于LncRNAs功能的研究需要合适的体内探究模型，以便对LncRNAs的进化、功能以及发育和分化过程中的作用提供更好的理解。但是由于进化保守性或多样性的巨大变化，寻找适当的动物模型并非易事。对于LncRNAs表达的调节机制目前还尚难以解决，需要考虑转录调控及转录后调控。主要的问题是如何理解多聚腺苷酸化LncRNAs的维持以及明确控制LncRNAs亚细胞定位和成熟的蛋白质是如何相互作用的。

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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编辑：伊姗

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.17.007

中图分类号：R741

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)17-3090-03