lncRNAs调控表观遗传的研究进展＊

郭 杨，冯帅帅，王 昕

（西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌712100）

表观遗传学是20世纪80年代逐渐兴起的一门学科，是研究在DNA序列不发生改变的情况下，基因功能发生可遗传的改变并最终导致表型变化的现象和本质。2014年国际遗传学大学（ISAG）的主题是“遗传学走向基因组学和表观遗传学”（Genetics goes to genomics and epigenetics），可见表观遗传学的作用越来越受到重视。表观遗传学主要研究“表观遗传现象”建立和维持的机制，大致内容包括：一方面为基因选择性转录调控，主要有DNA甲基化、基因印记、组蛋白修饰、染色质重塑等［1］。另一方面是基因转录后调控，包括基因组中的非编码RNA、微小RNA、反义RNA、内含子及核糖开关等［2］。

长链非编码RNAs（lncRNAs）是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白［3－5］，通过允许蛋白复合物、基因和染色体等结合在适当的位置激活或抑制其活性［6］，从而以RNA的形式在表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等多种层面上调控基因的表达水平［3，7］。

1 lncRNAs调控表观遗传的机制

科学家已经对基因组中的表观遗传学修饰进行了广泛的研究，不过对表观遗传学修饰如何指向靶位点仍然未知。由于细胞和生物面临的压力不同，表观遗传学修饰的位点也不同，显然有某种物质负责指引表观遗传学修饰。有研究提出，这一物质就是lncRNAs，它介导了表观遗传学修饰及其跨代遗传的现象。lncRNAs的功能多种多样，目前已知的lncRNAs最重要的功能是参与编码基因表达调控的表观遗传学机制［8－9］。lncRNAs通过募集组蛋白修饰酶和DNA甲基转移酶DNMT3a等对基因组相关位点进行修饰，通过染色质重塑参与表观调控的过程，最终调控基因的表达（图1）。此外，lncRNAs还可以直接修饰附近的组蛋白，对组蛋白尾部进行甲基化；有些lncRNAs在正常转录过程中与蛋白编码基因的转录本相结合，相关染色质重塑蛋白随即对该位点上的染色质和DNA进行修饰，从而抑制基因表达。

2 lncRNAs介导的表观调控研究

近年来的研究表明，lncRNAs参与了基因组印记、X染色体沉默、染色质修饰、转录激活、转录干扰以及核内运输等多种重要的调控过程，因此lncRNAs的调控作用也引起了人们的广泛关注。lncR NAs可以被聚腺苷酸化或非聚腺苷酸化积累在细胞核和细胞质中［10－11］，也可以被RNA聚合酶II转录和5＇加帽而发挥作用［12］。lncRNAs被分为基因间的lncRNAs（lincRNA），增强RNAs（eRNAs），内含子lncRNAs和反义lncRNAs［13］。

图1 lncRNAs通过激活或抑制染色质修饰复合物结合特异基因组位点［8］Fig.1 lncRNAs as guides for activation or repressing chromatin modifier complexes towards specific genomic loci

染色质在细胞间期负责DNA包装、基因表达和DNA复制等。染色质的结构变化被认为是表观遗传的控制机制［14－16］，组蛋白在乙酰化、甲基化、类泛素化和泛素化进程中进行化学修饰，最终导致染色质结构变异［17］。lncRNAs在癌症的发展过程中具有重要作用［20］。一些与癌症相关的lncRNAs可与DNA、RNA、蛋白分子或它们的结合体相互作用，在染色质结构变化、转录调节和转录后调节等机制中起到重要的调控作用。研究发现，lncRNAs几乎参与了生命发育周期每一阶段中相关基因的调控，一旦表达异常就可能导致体内生物学功能的紊乱，进而引发疾病甚至癌症。有研究人员发现，lncRNA－LET（lncRNA Low Expression in Tumor）在肝癌、结肠癌、直肠癌、肺鳞状细胞癌等多种癌组织中普遍下调，表明lncRNA－LET在多种癌症的致癌过程中有着相同的调控机制［19］。lncRNAs在癌症的诊断与治疗中起作用，有报道指出，许多尿路上皮肿瘤细胞癌中的lncRNA表达状况都不同［20］。因此lncRNAs可以作为预测这些癌症的生物学标志。哺乳动物基因组中4%～9%的序列产生的转录本是lncRNAs（相应的蛋白编码RNA的比例是1%）［21－22］。lncRNAs几乎参与每一个表观遗传调控事件，表观遗传标记的错误调节可能会引起不适当的激活或抑制各种基因，并可能导致癌症［23］。

2.1 lncRNAs调节DNA甲基化

DNA甲基化是表观遗传的一种主要修饰形式，是一个动态和可逆的过程，一般发生胞嘧啶－磷酸－鸟嘌呤（CpG）甲基化。DNA甲基化可通过抑制甲基转移酶DNMT1或者激活酶促反应，导致甲基化消失，以此来应对发育和环境信号［24］。基因启动子区CpG岛的甲基化主要受多种酶和复合物的调控，如染色体修饰复合物PRC1和PRC2［25－26］。lncRNAs通过募集染色质重塑复合物并结合在特异的基因组位点，通过抑制基因的表达而介导表观遗传调控。研究表明，Xist（X chromosome inactive specific transcript）lncRNAs可以通过募集染色体修饰复合物PRC2至特异性的基因位点，导致染色体上的CpG岛启动甲基化，从而抑制X染色体的基因表达而介导X染色体失活［27］，X染色体失活会导致神经系统疾病和精神疾病在不同性别间存在明显的差异［28］。越来越多的证据表明，环境能够通过表观遗传学机制对基因组做出永久性的改变，而这些改变可以在世代间遗传下去。例如，转录抑制基因FLC具有阻止拟南芥某些花期基因转换的作用。lncRNAs通过多种途径调控FLC，当冬天长时间暴露在寒冷环境中导致FLC有义转录本COLDAIR的表达。COLDAIR通过募集PRC2复合物作用在染色质的特定位点，从而实现对FLC基因的表观调控。FLC也受反义lncRNACOOLAIR的转录干扰调控，并且这些反义RNAs受低温的上调控制；反之，温暖的条件下，COOLAIR选择性的对FLC的5＇端进行多聚腺苷化，从而干扰FLC基因的表达［29－30］。在一些黑色素瘤形成的过程中，在miR－375的下游区域CpG岛的变化会导致DNA甲基化异常［31－32］。在人类癌细胞中，反义lncRNA TARID通过对TCF21基因启动子区的甲基化，从而降低TCF21基因的表达水平［33］。另外，如人类反义lncRNA HOTAIR由HOXC位点转录而来，通过募集PRC2在HOXD位点反义调控表观遗传的变化［30］。最新的研究表明：源于甲基化敏感基因CEBPA位点的lncRNA（命名为ecCEBPA）和DNA甲基化酶1（DNMT1）相互作用，阻止CEBPA位点上的甲基化，从而促进CEBPA基因的表达［33］。组蛋白修饰和DNA甲基化是调节基因表达的重要的表观遗传学机制［34］。DNA甲基化和组蛋白修饰导致lncRNAs在癌症中的表达异常。白血病人13q14.3的lncRNAs的上调与cis的下调都可作为NF－kB的目标基因簇［35］。在这个位点，正常的黑色素细胞、角质细胞和细胞系都是由一个黑色素瘤最低的甲基化衍生的［36－37］。人类基因组中近80%的甲基化位点发生在CpG序列中的C碱基上，在lncRNAs的指引下，表观遗传学修饰对基因组做出永久可遗传的改变。

图2 lncRNAs的靶向调控机制［3］Fig.2 Targeting mechanism of lncRNAs

2.2 lncRNAs调节组蛋白修饰

组蛋白修饰是指经共价修饰发生乙酰化、甲基化和磷酸化等现象，是表观遗传研究的一个重要内容。lncRNAs可通过使组蛋白发生不同类型的修饰而影响其转录区下游基因的表达，常见的是启动子区域H3K4me3、H3K9me2及H3K27me3等的修饰，这些组蛋白修饰会改变染色质活性，促进或抑制转录，从而控制基因的表达［38］。lncRNA HOTAIR通常与组蛋白H3K27的甲基化酶复合体PRC2结合，当HOTAIR上调时，出现H3K27me3组蛋白修饰，从而改变了染色质的状态，促进癌症转移。在细胞发生损伤时，损伤信号会刺激细胞周期蛋白D1（CCND1）基因5＇端启动子区的调控序列转录出一种低拷贝的lncRNAs。该lncRNAs通过募集RNA结合蛋白TLS到CCND1基因的启动子区，使TLS蛋白变为活性构象后与组蛋白乙酰化酶CBP／P300结合并抑制酶的活性，进而下调CCND1基因的表达而阻碍细胞由G1期到S期的复制过程［39］。

2.3 lncRNAs参与基因组印迹

基因组印迹（Genomic imprinting）是指来自父母双方的等位基因在遗传给子代时由于发生DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化等修饰形成的，带有印迹修饰的子代等位基因呈现不同的转录活性，最终导致其中一方在功能表达上保持沉默。X染色体失活是基因组印迹的一个典型例子［40］。印迹基因通常以基因簇的形式存在，形成印迹区（imprinted region）。印迹区基因的转录活性受差异性甲基化区域（differentially methylated regions，DMRs）的调控。1个DMR内至少存在1个非编码RNA基因，其中lncRNAs基因出现的频率高，提示lncRNAs基因的转录受基因组印迹调控。如印迹区lncRNA H19是miRNA－675的前体，与胰岛素样生长因子2（IGF2）反义。H19lncRNA通过miRNA－675反式调控骨骼肌的分化和再生［41］。在人结肠癌中，H19转录基因印迹丢失后导致miRNA－675的上调，而在结、直肠肿瘤中，miRNA－675下调肿瘤抑制因子RB1的表达，因此H19的上调表明其具有促癌作用。但在小鼠畸胎瘤模型中，缺乏H19的畸胎瘤小鼠出现胚胎快速生长的现象，表明H19又具有抑癌作用，由此推断H19存在双向调节的功能［42］。

2.4 lncRNAs调控剂量补偿效应

剂量补偿效应（dosage compensation effect）是在哺乳动物中普遍存在的一种现象，指调控性连锁的基因在XX和XY两种性别里以相对相等的剂量进行有效表达的遗传学机制。具体表现为雌性个体中1条X染色体随机失活后，其上的等位基因完全沉默。该过程由X染色体上的失活中心（X－inactivation center，Xic）控制，Xic缺失将终止X染色体失活现象。Xic功能的启动由lncRNAs基因Xist调控，其调控机制是Xist通过招募并结合PRC2和H3K27me3而介导X染色体上的基因沉默。Xist由失活的X染色体转录后并附于该X染色体，Xist具有招募DNA甲基化酶和组蛋白去乙酰化酶等作用，通过H3K27me3和H3K9me2的甲基化对染色质进行修饰，使之固缩为异染色质，从而导致基因沉默。Xist的反义转录产物Tsix对其具有负调控作用，能够阻止染色体失活［27，43］。

3 展 望

对lncRNAs的认识从最初的“转录噪音”到现在具有重要的调控作用，包括基因组印迹、X染色体失活、染色质修饰及蛋白编码基因转录调控和翻译调控等细胞水平的调控作用。目前对lncRNAs调控机制的研究仍显不足，有关lncRNAs与蛋白质、DNA和miRNA等分子间的相互作用有待于深入研究，并逐步揭示lncRNAs在细胞分化和个体发育中的作用［44－46］。并且lncRNAs作为疾病治疗的分子标记和作用靶点，为肿瘤等疾病的预防和治疗及阐述性状的调控机制提供了新的研究手段。

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