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长非编码
RNA
的分子机制
导读
长非编码
RNA
（
lncRNA
）是一类重要的基因，参与多种生物学功能
。
研究人员讨论了
lncRNA
作为信
号、诱饵、引导和支架的典型分子功能。对于每一个分子功能，不同生物学背景的例子描
述了分子机
制，
这些机制观点为生物学结果提供了有用的解释和
预测。
这些
lncRNA
功能可能是研
究
lncRNA
如何
获得作为生物信号
转导物的特性并暗示其可能的进化起源的有用框架。
随着新的
l
ncRNA
的快速发现，
lncRNA
的分子机制可能会更加丰富和多样化。
图
1
lncRNA
四种功能机制的示意图
主
要
内
容
1
功能
I
：信号
大多数
lncRNA
由
RNA
聚合酶
II
转录。
LncRNA
表现出细胞类型特异性的表达，并对不同的刺激做出<
/p>
反应，表明它们的表达受到转录调控。因此，
lncRNA
可以作为分子信号，因为单个
lncRNA
的
转录发
生在特定的时间和地点，
整合发育、
解释细胞环境或对不同的刺激作出反应。
这个功能中的一些
lncRNA
具有调节作用，而另一些则仅仅是转录的副产物。在这两种情况下，研究人
员推断染色质状态的调节
元件仅仅是通过其相关的
lncRNA
的表达。此外，
RNA
作为媒介的优势
表明，无需蛋白质翻译，潜在
的调节功能可以迅速执行。以下几个例子说明了
lncRNA
作为标记空间、时间、发育阶段和基因调控
< br>表达的信号。具体地说，这个功能中的
lncRNA
可以
作为功能上重要的生物事件的标记。
等位基因特异性：
KCNQ1ot1
、
Air
< br>和
Xist
基因印记是一种表
观遗传调控机制，
可以解释等位基因特异性。
哺乳动物是携带每
个常染色体基因的
两个等位基因的二倍体生物，一个遗传自母亲，一个遗传自父亲。在大
多数情况下，两个亲本等位基
因均等表达，而一部分基因显示印记效应，其表达受到母本
或父本等位基因表观遗传机制的限制。最
新的证据表明，
lnc
RNA
如
Kcnq1ot1
和
Air
分别位于
Kcnq1
和
Igf2r
印记基因簇，通过与染色质相互
作用和招募染色质修饰机制介导多个基因的转录沉默。
例如，
在小鼠胎盘中，
lncRNA
如
Air
和
Kcnq1ot1
积聚在沉
默等位基因的启动子的染色质处，并以等位基因特异性的方式介导抑制性组蛋白修饰。
K
cnq1ot1
是一个
90 kb
的<
/p>
lncRNA
，由父本等位基因表达，介导印记
< br>Kcnq1
域中的一组基因沉默。
Kcnq1ot1
与组蛋白甲基转移酶
G9a
和
PRC2
相互作用，其转录位点通过招募多个复合物在顺式结构中
形成一个抑制结构域。
RNA
本身在
Kcnq1
结构域中基因的双向沉默中起着关键作用，类似于
Xist
RNA
的作用机制。类似地，
ncRNA Air
只在父本等位基因中印记和表达，其转录需要以组织和等
位基因特
异性的方式抑制父本染色体上的几个印记基因。
在胎盘
中，
与
Kcnq1ot1
的染色质修饰
招募活性类似，
Air
转录于小鼠
Ig
f2r
基因的第二内含子中启动，并将
G9a
< br>招募到其目标启动子中实现基因沉默。然
而，在胚胎组织中，
Air
通过一种不同的机制发挥作用，
Air
自身的转录在沉默重叠基因中起着关键
作用。
X
染色体失活（
XCI
）是一个重要的过程，
它通过使雌性细胞中的一个
X
染色体失活来平衡哺
乳动物雄性和雌性之间的基因表达。
Xist
是一个
著名的
lncRNA
，在
XCI
中起着至关重要的作用。在
雌性发育过程中，
Xist RNA
从不活跃的
X
染色体
上表达，并包裹
X
染色体，导致染色体范围内基因
表达的抑制。另一个称为
Tsix
的重叠反义
lncRNA
抑制顺式元件中的
Xist
表达，而
lncRNA-Jpx
在
XCI
期间表达累积，激活非活性
X
染色体上的
Xist
。在所有三个例子中，转录的
lncRNA
的存在表明
它们各自的基
因组位置上有活跃的沉默作用。
空间特异性表达：
HOTAIR
和
HOTTIP
另一个时间和空间紧密关系的例子是哺乳动物
Hox
基因座的两个
ncRNA
。在哺乳动物中，
同源异型盒
转录因子（
HOX
）拥有四
个染色体基因簇，并以体节的方式表达，即基因簇内基因位置与身体前后解
剖轴的空间位
置相对应。大量的
lncRNA
被发现转录于人类
HOX
基因簇中，它们以时间和空间特异的
方式表达
。
lncRNA
也被发现与
HOX
基因座的整体空间表达模式相对应，表明它们可能使用与
HOX
基
因相同的增强子：
例如，
HOTAIR
，
一个
HOXC
基因座的
lncRNA
，
在远端和后端位置相同的细胞中表达；
以及
Frig
idair
，另一个
HOXC
基因座的
lncRNA
，具有前端的表达模式。相反，
< br>HOTTIP
，另一个在人
HOXA
簇远端发现的
lncRNA
，也在远端细胞中表达。除了作
为空间位置的信号外，这两种
lncRNA
还具
有额外的生物学功能。
DNA
损伤的诱导：
LincRNA-p21
和
PANDA
LncRNA
不仅在
发育过程中，而且在组织应激时也能被发现。研究人员发现
lncRNA
在
p53
转录反应中
起着关键
的调节作用。作为
DNA
损伤的直接靶点之一，位于
CDKN1A
基因上游的
lncRNA
称为
lincRNA-p21
，在典型的
p53
通路中起转录抑制作用，并在触发细胞凋亡中起作用。
p53
通过直接诱
导
li
ncRNA-p21
的表达来调节
lincRNA-p21
的表达，
而基因间
lincRNA-p21
的减少增加了大量
p53
抑
制转录本的表达。此外，
lincRNA-p21
通过与异质性核糖核蛋白
K
（
hnRN
P-K
）的定位结合来抑制
p53
调节
基因。在哺乳动物
CDKN1A
基因启动子中再次发现了基因活
性对外界刺激的另一个调节的例子，
在
DNA
< br>损伤时，几个
lncRNA
转录。其中一个名为
PANDA
的
lncRNA
也以
p53
依赖的方式诱导。在缺乏
p53
基因的情况下，
PANDA
不
能被
DNA
损伤激活。在
DNA
损伤后，
p53
直接与
CDKN1A
位点结合并激活
PANDA
；
PANDA
随后与转录因子
NF
-YA
相互作用，
限制促凋亡基因的表达，
使细胞周期停滞，
表明
lncRNA
在细胞生长控制中可能发挥广泛的作用。这些结果揭示了典型转录反应的见解，并提出了
lncRNA
可
能作为多种转录途径中的关键调控节点的可能
性，
作为一种信号来跟踪启动子对刺激的反应的转录活
性。
多能性与重编程：
ROR-
LncRNA
多能性相关的
lincRNA
最初是在小鼠胚胎干细胞（
E
SC
）中发现，但一直缺乏支持其直接功能相
关性的证据。研究
人员表明体细胞重编程诱导多能干细胞（
iPSC
）伴随着
lincRNA
的丰富表达。其中
一个重编
程诱导的
lincRNA
，名为
lin
cRNA-RoR
，通过三个因子在其启动子区域附近的共定位，被证
< br>明是关键的多潜能因子
Oct4
、
Sox2
和
Nanog
的直接靶向因
子。
RoR
在
Oct4
缺失时下调，在
iPSC
分
化
过程中也下调，这意味着特定的
lincRNA
由关键的多潜能
因子共同调控。
冷诱导：
COLDAIR
和
COOLAIR
在植物中也发现了
lncRNA
< br>的组合转录调控现象。从营养发育到生殖发育的转变是一个高度调节的过
程，在许
多植物物种中，对环境非常敏感，这些线索提供季节信息，在一年中的最佳时期开始开花。
一个环境因素是冬天的寒冷。春季化是一种环境诱导的表观遗传转换，在这种转换中，长时间暴露在
冬季寒冷的环境中会触发花抑制因子的表观遗传沉默，并为春季开花提供能力。在拟南芥植物中，冬
季寒冷会导致花抑制因子开花位点
C
（
FLC
）染色质上三甲基化组蛋白
H3
K27
的富集，并导致
FLC
的
表观遗传稳定抑制。这种表观遗传变化也通过
PRC2
复合物介导。在这种沉默中，最早的事件之一是
大量的反义转录本的大量增加，
命名为
COOLAIR
。
COOLAI
R
启动子是冷诱导的，足以诱导冷依赖性沉
默。有趣的是，显然
正是对
COOLAIR
转录本的
3
’端的处理行为触发了
FLC
沉默。最近，
研究人员表
明，一种称为冷辅助内含子非编码
RNA
（
COLDAIR
）的长内含子
< br>ncRNA
是春季化介导的
FLC
表观遗传
抑制所必需的，它通过与
PRC2
< br>的物理联系和对该位点的招募在
FLC
处建立稳定的抑制
染色质。与转
录终止触发沉默的
COOLAIR
不同，
COLDAIR
lncRNA
直接招募沉默因子。
COLDAIR
是从其靶基因
FLC
的
内含子中按正义链方向转录的。<
/p>
FLC
在第一个内含子中含有一个
COL
DAIR
ncRNA
的隐性启动子，
当
FLC
被抑制时，这个启动子就会变得活跃。植物中
lncRNA
与
PRC2
的相互作用表明
ncRNA-PRC2
的关系似
乎是一种进化保守的基因抑制机制。此外，
COOLAIR
< br>和
COLDAIR
似乎是转录活性的信号，具有时空特<
/p>
异性。
以
eR
NA
为例的协调活性
众所周知，调节
蛋白通过结合非编码
DNA
的延伸来发挥其功能，要么靠近基因
启动子处的
mRNA
转录
起始位点，<
/p>
要么位于离基因组更远的增强子处。
而增强子则通过帮助启动子招
募
RNA
聚合酶来起作用。
最近，一类
新的
ncRNA
增强子或
eRNA
已被发现，它是由特定增强子的活性依赖性
RNA
Pol
II
结合产
< br>生的。
这些增强子的
eRNA
表
达水平与附近基因的信使
RNA
合成水平呈正相关，
表明
eRNA
的合成特别
发生在积极促进
mRNA
合成的增强子上。这些发现表明增强子
在调节基因表达方面具有更活跃的“类
启动子”作用。另一个研究小组从不同的角度探讨
同一问题，在不同的人类细胞系中发现了一类新的
具有类增强子功能的
< br>lncRNA
。这些
lncRNA
的缺失导致其邻近蛋白编码基因的表达减少，包括一些细
胞分化的主要调控因子。与经
典的增强子一样，
lncRNA
是无关方向的，需要在其靶基因
中有一个最
小的启动子来增强它们的转录。虽然确切的分子机制尚未明确，但这组
lncRNA
说明真核细胞的转录
受重叠机制
的严格调控。以上两个例子都证明了
RNA
可以作为活性调控途
径的标记物。
重复检测：
RNA
降解和
Staufen
< br>然而，一个研究团队发现了
lncRNA
的另一个未预见
的功能，揭示了几个对下调
Staufen 1
（
STAU1
）
介导的信使
R
NA
降解（
SMD
）的重要
lncRNA
。
SMD
调
节哺乳动物细胞中不同种类的
mRNA
，这些细胞在
其
3
’
非翻译区（
3
’
UTR
）具有
STAU1
结合位点。研究人员认为
，
STAU1
结合位点是一个顺式元件，
SMD
靶向
3
’
UTR
内特定的二级结构。有趣的是，一组
1/2-sb
sRNA
的细胞质
lncRNA
有助于
STAU1
结
合位点的形成。这是基于
Alu
重复的不完全碱基配对实现，在某些
mRNA
的
3
’
< br> UTR
和
lncRNA
之间，
通过
SMD
导致
mRNA
降解。这类功能的
lncRNA
可以下调
SMD
的靶基因，而不同的
lncRNA
可以下调同
一个
SMD
的靶基因。
这些发现揭示了
lncRN
A
在
mRNA
代谢中的新作用，
特别是作为一种时间和空间特
异性的蛋白质募集机制来介导
mRNA
的降解。部分互补的
lncRNA/mR
NA
可以形成
Staufen
结合位点
也
可能适用于其他双链
RNA
结合蛋白
（
RBP
）依赖性途径的调控。因此，
lncRNA
的信号功能不仅包括下
游转录元件的标记，还包括
转录本丰度
/
重复的检测。总之，
ln
cRNA
的第一个功能作为转录活性的指
标，独立于其他功能，
以直接的一对一关系发挥作用。
2
功能
II
：诱饵
增强子和启动子的转录暗示了
lncRNA
在调节转录中的
中心作用，无论是积极的还是消极的。这种
ncRNA
调控转录
包括多种机制，其中一个主要的机制就是充当分子诱饵。这种
lncRNA
转录，然后结
合一个蛋白质靶点，但不发挥任何额外的功能。
RNA
充当
RBP
的“分子库
”，
RBP
本身就是转录因子、
染色质
修饰因子或其他调节因子。符合这种功能的
lncRNA
可能通
过负调节效应发挥作用。
lncRNA
的
敲除应模拟蛋白功能的获得，
lncRNA
和效应功能的丧失
将挽救表型。
DHFR Minor
同一基因内的可变启动子是基因表达中的普遍现象。
它们的选择
性调节机制因基因而异，
现在才刚刚
开始被发现。
人类二氢叶酸还原酶
（
DHFR
）
基因就是这样一个位点，
它具有
RNA
依赖的转录抑制机制，
从
DHF
R
基因上游次级启动子启动的
lncRNA
通过与启动子序列形成稳定的
ncRNA-DNA
复合物，
以及通
过与转录因子
IIB
（
TFIIB
）的直接相互作用，抑制起始复合物
在主启动子处的组装。当
lncRNA
通过
siRNA
敲低被特异性降解时，
TFIIB
在主要启动子上的占有率仍然很高。这是一个高度动态的过程，
它提供了一个
特定的机制，
可能有助于启动子的靶向和抑制，
并强调了基因间
ncRNA
在调控邻近基因
表达中的重
要性，它充当了诱饵。
TERRA
：端粒
< br>端粒位于真核生物染色体物理末端的
DNA-
蛋白质复合
物，对染色体稳定性至关重要，转录为端粒重
复序列
RNA
（
TERRA
），一种
lncRNA
，构成端粒异染色质的一个组成部分。
TER
RA RNA
的存在暗示了
调控和保护染色体末端的水平，
TERRA
通过端粒酶
RNA
模板序列互补的重复序列与端粒酶发生物理
作用。此外，
< br>TERRA
还独立于端粒酶模板
RNA
< br>接触端粒酶逆转录酶（
TERT
）蛋白亚基。值得注意的
是，
端粒异染色质结合的
TERRA
是
结合和分离端粒酶的，在这种情况下，
TERRA
结合端粒酶在
端粒
3
’
末
端附近，同时抑制其作用。此外，
TERRA
< br>水平以细胞周期依赖的方式变化，在
G1
早期积累，在<
/p>
S
期
持续下降，并在
S
期和
G2
期之间的过渡期达到最
低表达水平。
TERRA
在
S
期下调可能释放端粒酶，
使端粒链以细胞周期依赖的方式延长。因此，端
粒底物对端粒酶的调节可以通过其转录进行介导；这
也是自然
R
NA
配体作为酶活性的直接调节者而不是底物的例子。
PANDA
：
NF-
YA
lncRNA
PANDA
是一个
p53
依赖的转录本，似乎也具有诱
饵功能。
DNA
损伤可导致细胞凋亡或细胞周期
停滞。
PANDA
对
DNA<
/p>
损伤非常敏感，
其表达的诱导早于
CDK
N1A
。
PANDA
通过直接结合和分
离
NF-YA
（一
种在
DNA
损伤时激活凋亡程序的核转录因子）
来抑制凋亡
基因的表达，
以利于细胞周期的停止。
PANDA
的缺失显著增加了
NF-
YA
在靶基因上的占有率，而同时敲低
NF-YA
和
PANDA
，则显著减弱了凋亡基因
和凋亡的诱导。有趣的是，有一部分人类乳腺癌细胞过表达
PANDA
，而
PANDA
的缺失可使细胞对化疗
药物敏感，这暗示了其可能的临床应用。
Gas5
：糖皮质激素受体