lncRNA 参与农业动物产仔数调控的研究进展

雷宇航，黄志洋，谭 娅,2，甘麦邻，沈林園，朱 砺*

（1.四川农业大学动物科技学院，四川成都 611130；2.贵州省农业科学院畜牧兽医研究所，贵州贵阳 550005）

长链非编码RNA（Long noncoding RNA，lncRNA）是一类由RNA 聚合酶II 催化转录而来，通常在5'和3'端分别具有M7G 帽子和poly A 尾结构，剪切方式类似于mRNA，但不具备编码蛋白能力的RNA。哺乳动物中尽管有80% 的基因被转录，但只有2% 的转录本具有编码蛋白的能力，其余均被转录为非编码RNA，其中lncRNA 约占70%，这一结果预示lncRNA 在机体内可能起着重要的调控作用。近年来，有关lncRNA研究日益增多，部分lncRNA 被证实在遗传印记、基因组重排、染色质修饰、转录、剪接、mRNA 衰退和翻译中起主要调控作用。lncRNA在与产仔数相关的一些关键步骤中发挥重要作用，包括卵细胞的形成、妊娠的建立以及早期胚胎的发育等。现阶段对于lncRNA 在农业动物产仔数方面的研究大多只是基于高通量测序的鉴定，而对lncRNA 功能及机制探究相对较少。本文就lncRNA 作用机制进行简单归纳，并在此基础上结合lncRNA 在农业动物产仔数方面的最新研究进展，对lncRNA 参与调控产仔数相关的关键步骤进行总结，以期为深入探究与产仔数性状相关的lncRNA 遗传调控机制及生物学功能提供参考。

1 lncRNA 调控作用机制

lncRNA 因其具有特定的二级空间结构，可以提供多个结合位点，进而通过不同的作用方式在生物体内构成了复杂且精准的基因调控网络。lncRNA 能够扮演不同的角色，如诱饵分子、信号分子、引导分子、支架分子来对基因表达进行调控（图1）。例如，X 染色体失活特异转录物（X Inactive Specific Transcript，XIST）可以作为引导分子，参与雌性哺乳动物X 染色体失活(X Chromosome Inactivation，XCI)过程，即通过与RNA 结合蛋白Sharp和SMRT6 形成RNA-蛋白质复合体，依赖募集多梳抑制复合物2（PCR2）靶向定位到失活中心，从而导致组蛋白第27个赖氨酸发生三甲基化（H3K27)，沉默X 染色体相关基因表达，最终使X 染色体失活。当然，lncRNA行使功能作用并不仅仅是依赖于某一特定的信号通路，而是几种作用机制交叉进行，即lncRNA 不仅可以作为信号分子进行顺式调控，也可以作为调节远端基因的引导分子，还可以作为其他复合物聚集的支架分子。

图1 lncRNA 的作用机制[6]

2 lncRNA 参与调节农业动物产仔数

在哺乳动物中，lncRNA 自配子（即精细胞或卵细胞）形成再到受精卵以及受精卵发育成为个体的整个过程都直接或间接影响产仔数。近年来，越来越多的lncRNA 被发现参与调控农业动物产仔数，在卵细胞的形成、妊娠的建立以及早期胚胎的发育等关键步骤扮演着重要角色（图2）。

图2 不同lncRNAs 在与产仔数相关关键步骤中的表达调控(自绘)

2.1 卵原细胞减数分裂及卵细胞的成熟 在一次发情周期中，母畜排出的成熟卵子数目很大程度决定着胚胎数目。卵细胞的成熟及其排出的数目由相关基因的表达、激素水平以及受体形成等多种因素调控。lncRNA 在卵细胞分裂及成熟的过程中发挥重要作用（表1）。

表1 卵子的成熟过程中lncRNA 的调控作用

2.2 妊娠的建立 妊娠是胚胎和胎儿在母体内生长发育的过程，妊娠的建立是影响产仔数的一个重要因素，胚胎与母体建立联系的成功与否关系到胚胎的成长发育。在妊娠建立阶段，lncRNA 通过影响相关激素的生成及蛋白质的表达等来调控胚胎的附植以及妊娠的维持。梅山猪作为太湖猪的品系之一，其繁殖性状受多种因素的影响。有研究者发现在梅山猪胎盘皱褶发育过程中，有141 个lncRNA 参与到细胞黏附附、细胞骨架组织、上皮细胞分化和血管生成的途径中，虽然尚未指明这些lncRNA 所作用的方式，但H3K4me3 和/或H3K27ac水平的变化与其中37 个差异表达lncRNA 的表达水平的变化显著相关说明了lncRNA 与妊娠建立的显著关系。同时Su 等也发现lncRNA在梅山猪子宫内膜中与孕酮和醛酮还原酶家族1 成员C1 (AKR1C1) 相互作用，表明lncRNA 参与对妊娠的维持与控制。对大白猪等外种猪，科学家们同样也进行lncRNA 对母猪妊娠功能影响的探索。Zhang 等通过对差异表达的基因与lncRNA 图谱的整合分析表明，参与猪子宫内膜上皮细胞凋亡信号通路的基因受lncRNA和的调控。除了对猪的研究外，科学家们对多胎绵羊品种湖羊也进行了lncRNA 功能分析和差异表达分析，发现成百上千个差异表达的lncRNA，它们的靶点丰富在雌激素信号通路、催产素信号通路和Wnt 信号通路等与子宫内膜功能相关的信号通路中，其中可通过miR1576 上调WNT6 的表达，激活Wnt/-catenin通路，从而促进子宫内膜上皮细胞的增殖、迁移和生长因子的表达。EGFR 是上皮生长因子细胞增殖和信号转导的受体。EGFR 通路调节细胞的生长、增殖、分化、黏附附以及迁移等活动。Liu 等通过qRT-PCR以及Western blot 等技术发现可促进滋养层细胞增殖并通过EGFR 途径抑制早期流产和促进胚胎着床。通过对同一品种但繁殖力具有差异性的黑山羊卵巢等器官进行转录组测序，发现其中具有较多的差异表达的lncRNA，这说明同一品种繁殖力的差异可能与lncRNA 的表达有关，这些lncRNA 常常与生殖激素的释放或者调控其信号通路密切相关。李耀坤等利用RNA-Seq 测序技术以及对相关lncRNA 靶基因进行生物信息学分析，发现和等差异表达的lncRNA 靶向调控的等基因富集于Jak-STAT、细胞黏附分子及AMPK 等信号通路的基因，从而对川中黑山羊产羔数造成影响。

2.3 lncRNA 对胚胎发育以及成活率的影响 早期的胚胎发育即从受精卵起到胚胎出离卵膜的一段过程。虽然动物之间形态差异巨大，但是胚胎发育过程十分相似，分为受精、卵裂、桑葚胚、囊胚、原肠胚与器官形成等几个主要阶段。据国外资料显示，10%～15% 的胚胎死于胚胎发育过程中，胚胎的发育及成活率对产仔数有极大影响，lncRNA 它影响胚胎的形态、胚胎的神经系统发育、滋养层细胞的分化以及胚胎性别分化等，在胚胎发育过程中起重要作用。有实验结果显示通过敲除斑马鱼胚胎的基因，其发育过程中体弯变小，眼睛变小，心包增大，色素沉着减少，还发现可能在胚胎神经系统发育中起关键作用。Kuang 等通过对兔胚胎不同发育阶段进行全转录组测序发现差异表达的和主要参与了胚胎发育过程中Wnt、PI3KAkt 和钙信号通路。Roeszler 等发现在鸡的雄性中错误表达会损害睾丸基因的性腺表达，上调会导致雄性偏向胚胎死亡率增加。

3 总结与展望

农业动物产仔数更多意味着具备创造更高经济效益的能力，提高畜禽等农业动物的繁殖性状是科学家们不断探索的课题。在农业动物繁殖领域的研究中，对于lncRNA 的研究大多停留在繁殖性状表型差异，鉴定出差异表达的lncRNAs，从而得出造成这种差异性状可能与lncRNA 有关，但针对造成产仔数性状表型差异的具体lncRNA 的研究较少，同时对于lncRNA 介导这些差异性状中的作用机制的研究更是寥寥无几。

随着分子生物学发展的不断深入以及科学技术手段的不断更新，对于lncRNA 的研究将深入到对影响各个繁殖性状的作用机制中。未来lncRNA 研究的发展方向可能会朝向以下4 个方面：①单一lncRNA 在某一繁殖过程中起到的作用以及其作用机制更加广泛的研究；②对于研究lncRNA 的技术方法将更加多样化，现已较为成熟研究方法如RNA 结合蛋白免疫沉淀（RIP）、RNA 下拉实验（RNA pull down）及RNA 干扰（RNAi）等，将会更多应用到探究lncRNA 的功能中；③通过对lncRNA 的研究改善农业动物繁殖性状，如增加每胎子代数、增强母畜泌乳力、增强公畜繁殖力等，提高农业动物的经济效益；④lncRNA 的研究从农业动物繁殖延展人类生育过程，为人类生殖类疾病的治疗提供新思路。