LncRNA及其在动物中的研究进展

史明艳,孙宏璐,苗志国

（1.洛阳师范学院生命科学学院,河南洛阳471000；2.河南科技学院动物科技学院,河南新乡453003）

LncRNA及其在动物中的研究进展

史明艳1,孙宏璐1,苗志国2

（1.洛阳师范学院生命科学学院,河南洛阳471000；2.河南科技学院动物科技学院,河南新乡453003）

长链非编码RNA（longnon-codingRNA,lncRNA）是一类由RNA聚合酶Ⅱ转录的副产物,其长度大于200个核苷酸,很少或没有编码蛋白能力.根据近几年来关于LncRNA的研究进展的报道,针对LncRNA的发现、结构与分类、功能及作用机制以及在动物（人、鼠、禽畜）中的研究进展进行综述.

非编码RNA；转录；表观遗传；脂肪代谢；骨骼肌

真核细胞生物的基因组是由通过转录成RNA表达和传递生物遗传信息的庞大而复杂的DNA序列所构成.其转录产物按功能划分有编码蛋白质的信使RNA（messenger RNA,mRNA）和无蛋白编码功能的非编码RNA（non-coding RNA,ncRNA）.ncRNA与mRNA相比,不具备典型的启始密码子、启动子保守区、终止密码子及开放阅读框等与翻译相关的特性[1-3].有研究发现,约70%的人类基因组能被转录,在哺乳动物的基因组中,只有约2%的转录产物具有蛋白编码功能,余下约98%的为非编码RNA[4-5].根据ncRNA的长度可将其分为小非编码RNA和长链非编码RNA（long non-coding RNA,lncRNA）,LncRNA占ncRNA的80%,多由RNA聚合酶II转录.起初,LncRNA被看作是“转录噪声”不被人们所重视,近几年随着人们对于LncRNA功能的研究增多,相继有更多的生物学功能被证实[6].LncRNA与蛋白质编码基因的转录水平相比较低,前者具有组织特异性,既参与基因转录及转录后调控、基因表观遗传、基因翻译调控、基因组印迹等过程,又能以细胞微结构原件、miRNA前体等发挥功能,而且LncRNA的转录和功能失调很有可能参与了肿瘤的发生.本文针对LncRNA的发现、结构与分类、功能及作用机制以及在动物（人、鼠、禽畜）中的研究进展进行综述,旨在为更好地研究LncRNA在生物体内的功能和作用提供参考.

1 LncRNA概述

1.1 LncRNA的发现

自二十世纪七十年代以来,关于非编码基因的转录研究开始不断出现,近一半的异核型RNA（hnRNA）被证实仅限于细胞核且不编码蛋白质.1990年始,发现了具有基因特异性调控作用的长链非编码RNA（LncRNA）,如H19和Xist[7].随着20世纪末全基因组技术的发展,2002年Okazaki等提出了“普遍转录”的概念,并首次从小鼠的DNA转录产物中发现了LncRNA,而后随着芯片和新一代测序技术的不断发展,研究者认为在发育阶段中的不同时间节点,人类基因组约有70%～90%的基因进行了转录[8].另外关于染色质特征方面的研究,阐述了如DNaseⅠ过敏性、组蛋白修饰及转录因子结合等生理过程可能与非编码基因的调控有关[9-10].

1.2 LncRNA的结构及分类

1.2.1 分子结构结构是功能的基础,任何物质所发挥的功能都与其特有的分子结构密切相关,想要深入研究某一物质的功能及作用机制就必须先要了解其结构.但由于LncRNA在生物体内不仅数量庞大、相对分子质量大,而且受生物体的调控致使其体外稳定性也较差,加之对其研究只处于初级阶段,使得研究工作者对于LncRNA的结构研究举步维艰,在此方面的研究报道也是屈指可数.

LncRNA的一级结构为其核苷酸排列顺序,一般都是大于200 nt的核苷酸链,多数LncRNA由RNA聚合酶Ⅱ合成,其主要特征是5'端有甲基鸟苷帽子以及3'端有多聚腺苷酸尾（polyA）.LncRNA在转录、转录后及翻译水平的调控主要是依赖于一级结构的碱基互补配对原则实现[5]；LncRNA高级空间结构是LncRNA发挥其功能的核心.Novikova等报道了人类类固醇受体RNA激活剂LncRNA二级结构信息,并阐述了其与数种性激素相互作用的原理机制及其与乳腺癌的发病密切相关[11-12].目前,关于LncRNA分子结构的研究报道还不是很多,但是,关于LncRNA发挥的功能可能依赖于各级结构方面,人们了解的越来越多.因此,LncRNA结构的深入解析是能否详细研究LncRNA的功能及其作用机制的关键.

1.2.2 分类目前关于LncRNA的分类没有统一的标准,可按照多层次对其进行分类,据其生物来源的不同可划分为5类：①断裂产生（蛋白质编码基因框架）；②并置重组产生（未转录且彼此分开的基因序列）；③复制产生（逆转录的非编码基因）；④串联复制产生（lncRNA中相邻重复单元结构）；⑤插入产生（转座因子）[13].据其功能不同可划分为4类：①可作增强子的lncRNA；②可作miRNA初级转录本的lncRNA；③可作piRNA初级转录本的lncRNA；④可作竞争性内源RNA（ceRNA）.2015年Laurent等指出目前LncRNA分类主要依据它们的大小、定位和功能.根据基因组定位及其来源,可以把LncRNA分为6类：正义（anti-sense）、反义（sense-overlapping）、基因内（intronic）、双向（bidirectional）、基因间（intergenic）LncRNA和环状RNA（circular RNA）[14].系统地对LncRNA进行分类,不仅可以直观清晰地了解LncRNA,而且也更易于对其功能和作用机制进行研究和阐述.

2 LncRNA的生物学功能及作用机制

近十年来,关于LncRNA的研究报道越来越多,LncRNA主要是通过参与基因转录和转录后调控、基因翻译调控、充当媒介（分子支架、分子向导、分子诱饵、信号通路调节剂等）等作用机制来调节和影响表观遗传、人类神经性疾病与肿瘤、生长发育（细胞形态变化、脂肪代谢等）、细胞定向分化、亚细胞结构分布等生物体的生理活动.关于LncRNA的研究大多集中在人和小鼠上,在禽畜等动物上的研究较少.以下将综述LncRNA在人、小鼠和禽畜中的研究进展.

2.1 参与表观遗传学调控

表观遗传（epigenetics）是指基因组DNA序列不发生改变,但基因表达发生可遗传性改变,此现象在动植物中都普遍存在,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印迹等作用.表观遗传作用会影响LncRNA的功能,LncRNA也可以通过多种途径在基因表达过程中行使发挥表观遗传学的作用[15].

关于基因印迹（genomic impriming）,有研究报道阐述其是指来自父母双方的等位基因受到DNA甲基化、组蛋白甲基化、乙酰化等表观遗传修饰,致使子代只表达了父源或母源等位基因的生物学过程,参与此过程的等位基因被称为印迹基因（imprinted gene）[16].印迹基因通常都是成簇存在,形成印迹区,1个印迹区至少存在一个非编码RNA基因,其中LncRNA出现频率较高[17].此方面的研究,最早是始于LncRNAH19,其与胰岛素样生长因子2（IGF2）反义,同时也是miRNA-675前体.从H19基因转录出呈母源表达的H19 LncRNA,可以招募结合甲基CpG结合蛋白（MBD）表观沉默相关印迹基因[18].除了H19以外,还有Kcnqlotl,它是由位于小鼠7号染色体远端Kcnq1区域转录出的长91 kb的LncRNA,其主要通过5'末端招募并结合DNA甲基转移酶、特异性甲基转移酶G9a及组蛋白甲基化酶Eed的方式影响和介导Kcnqlotl启动子周边印迹基因沉默[13,19-20].

剂量补偿效应（dosage compensation effect）,是指在具有X、Y性别决定机制的生物体内,其调控性连锁基因在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.在哺乳动物中剂量补偿效应主要体现在雌性个体细胞同型配子（XX）中1条染色体失活,其上等位基因完全沉默[3].LncRNA在剂量补偿效应中研究最多就是Xist,LincRNA—Xist是X染色体在失活前表达的长度约17 kb的LincRNA[21].转录自活化的X染色体的LncRNA-Tsix可以通过阻止Xist的转录、Tsix使X染色体配对协调从而在Xist基因座产生表观遗传的不对称性、招募DNA甲基转移酶及竞争结合PCR2等方式来影响Xist的活性,从而影响X染色体的活性[22].除此之外,Xist通过顺式作用介导雌性哺乳动物的X染色体失活.Xist通过募集PRC2对染色质进行修饰,表现为丧失激活型染色质修饰（如H3K9乙酰化、H3K4甲基化）,获得抑制型染色质修饰（如H4超乙酰化、H3K27三甲基化、H3K9超甲基化、H4K20单甲基化以及H2AK119单泛素化）,这些修饰都与X连锁基因沉默相关[23].

2.2 参与人类疾病的生理过程调控

随着人们平均生活水平提高,平均寿命延长,人们也越来越注重身体健康.调查研究表明,心血管疾病及肿瘤是目前威胁人类生命的两类主要疾病.近十年来生物研究者的研究表明,LncRNA与这两类疾病的发病机理有着密切的联系,由此为人类克服这两大疾病提供新的途径.

首先,miRNA和LncRNA均为关键的基因表达调控分子,在肿瘤发生中均扮演着十分重要的角色, miRNA不仅能负向调控特异性LncRNA的表达,也能促进特异性LncRNA的表达,同样,miRNA的表达也受LncRNA的调控,从而影响肿瘤的发生发展[24-25].覃伟峰等[26]从LncRNA与血管平滑肌细胞、血管内皮细胞、单核/巨噬细胞、心肌细胞的作用机制等方面论述了LncRNA与心血管疾病的发生和治疗的机理,为治疗心血管疾病开辟了新的途径.刘雯清等[27]对LncRNA与肿瘤的发生、转移、治疗等方面的相关机理进行了阐述,提出了以LncRNA为靶点开发抗肿瘤新药思路.梁炜等[28]较系统详细地阐述了LncRNA与肿瘤的发生、生长及转移和肿瘤血管的生成作用机制,同时也说明了肿瘤的微环境对于LncRNA的影响.王鹏等[29]综合论述了LncRNA在头颈肿瘤中是如何进行调控的.除此之外,也有研究表明LncRNA与阿尔兹海默症、糖尿病以及精神分裂症等疾病有关[30-32].

2.3 在禽畜中对细胞生命活动的调控

细胞是生物体的基本单位,细胞的分化、生长、代谢是生物体生长发育的基础.近年来,越来越多的研究报道指出,LncRNA参与细胞分化[33]、脂肪合成及代谢[34-36]、胚胎发育的调控[37]等生理过程.在家畜中关于LncRNA研究较多的是骨骼肌发育、胚胎发育等方面,主要是通过研究改良家畜生长发育,从而在畜牧业生产中获得更大的经济效益.

在禽类的研究上,有研究报道阐述了运用RNA测序技术和生物信息学分析方法,对鸡基因组进行鉴定,发现了281种新的LncRNA,并揭示了这些LncRNA与鸡骨骼肌的发育相关[38-39].张淑平[40]发现了一种禽类特异性的LncRNA基因pouAC22,并对其进行多态性分析,发现此基因可能与鸡的生长发育有关.除研究已知功能的基因外,张淑平等[41]又对在鸡上的一个未知功能的EST（CR406381.1）进行RACE扩增得到了一个新基因,并对此基因序列进行生物信息学及基因的时空表达分析,结果发现其为禽类所特有的、存在较大的组织表达差异的LncRNA,并推测该LncRNA可能具有独特的生物学功能.

Ren等[42]人分离出了一条猪的TncRNA,研究发现TncRNA转录本在骨骼肌中表达上调,在通称猪和长白猪这两个品种妊娠90 d的骨骼肌中存在表达差异.Yuan等[43]应用实时荧光定量PCR发现Xist在流产胎儿中上调表达,由此得出LncRNA-Xist的异常表达可能与体细胞核移植胚胎的胎儿流产相关.除了在胚胎形成和遗传物质传递过程中有LncRNA的作用外,在个体生长发育阶段,LncRNA也会产生一定的影响.如余浩[44]研究发现H19/IGF2基因簇对猪骨骼肌发育具有影响.周中银等[45]发现一些LincRNA基因和差异甲基化区域（DMR）重叠,这些DMR是在不同脂肪沉积能力、不同性别和不同组织解剖部位的群体中鉴定的.其中,linc-sscg3623基因在长白猪和荣昌猪的脂肪组织中表现为差异甲基化,这说明linc-sscg3623可能和脂肪沉积有关.

对牛的研究,Huang等[39,46]利用已有的牛的表达序列标签,通过分析405个基因间隔区,发现了449种具有组织表达特异性的LncRNA,在哺乳动物中呈现出GC含量高于随机选择的基因间序列的比较保守的特征.目前,关于牛中LncRNA的研究还比较少,基本都是和牛生长发育相关的研究,Caballero等[47]在研究中发现LncRNA参与牛早期胚胎形成.Zhou等[37,48]对胎牛以及成年公牛、母牛、阉牛背脂中RNA的表达情况进行分析,发现LncRNA对动物脂肪组织发育产生影响.

LncRNA在羊中的研究很少,郑竹清等[49]通过生物信息学方法对山羊肌内成熟前后脂肪细胞转录基因组进行推测,分析得到了1 472个LncRNA,其中29个LncRNA在肌内脂肪细胞成熟前后具有明显差异,由此得出山羊肌内脂肪细胞增殖分化过程中,差异表达的LncRNA可能在细胞分泌、生长调节和细胞形态变化等方面发挥着重要作用.

3 展望

随着科学研究手段和技术的不断发展和更新,研究者对LncRNA的了解也更加深入.据研究报道, LncRNA的功能和作用机制与许多生理、病理的生命活动都密切相关.通过对人和小鼠的研究,为人类的心血管疾病、肿瘤、神经性疾病及精神疾病的治疗提供了新的思路并提供了新的靶向药物.与人类相比, LncRNA在家畜和家禽上的研究还处于起步阶段,其主要原因是：①LncRNA在物种间保守性不高,在各个物种之间很难实现借鉴研究；②对于研究高级结构的工具匮乏；③难以解析LncRNA在细胞中的实时动态变化.通过少量的相关文献中了解到,在家畜中主要研究LncRNA在肌肉发育和脂肪代谢中的相关作用机制,但是LncRNA在各物种的广泛表达意味着它们在基因表达调控方面占有非常重要的地位.因此,关于LncRNA的研究必将成为揭示某些疾病发生,发展和阐释畜禽重要经济性状形成分子机制的一个新靶点,成为当今生物学领域研究的一个热点.

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（责任编辑：卢奇）

Reseach progress of lncRNA in animals

SHIMingyan1,SUN Honglu1,MIAO Zhiguo2
（1.Collegeof Life Science,LuoyangNormalUniversity,Luoyang471000,China；2.Collegeof Animal Scienceand Veterinary Medicine,Henan Institute of Science and Technolygy,Xinxiang 453003,China）

Long non-coding RNA（LncRNA）is a group of non-protein coding RNA which exceed 200 nucleotides in length.Recent studies show that LncRNAs play important role in gene imprinting,X-chromosome inactivation,and so on.The progression of LncRNA in structure and classification,the function and mechanism of action in animals were reviewed in this paper.

non-coding RNA；transcription；epigenetic；lipidmetabolism；skeletalmuscle

Q522

A

1008-7516（2017）03-0044-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.03.008

2017-05-11

国家自然基金项目（U1504323,31572417,U1604102）

史明艳（1976—）,女,河南林州人,博士,副教授.主要从事动物遗传育种研究,

苗志国（1976—）,男,河南安阳人,博士,副教授.主要从事动物营养与肉品质研究.