写国自然缺素材?来篇55分的综述帮你总结lncRNAs的基因调控及其生物学功能

2021-01-18 302文献解读

尽管lncRNA作为单点创新已经没有那么充分,但是lncRNA与其他热点的交叉方向依旧是国自然中标热门。你的国自然标书是不是还需要一些lncRNA的素材?

今天小编分享的这篇发表在《Nature Reviews Molecular Cell Biology》的综述系统论述了lncRNA的生成、亚细胞定位、转录水平和转录后水平的基因调控功能与机制,并且探讨了lncRNA在疾病发生发展中的功能和潜在应用。

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lncRNAs的生物发生

大多数lncRNA由PolⅡ转录。因此,许多具有5′端m7G帽和3′端poly(A)尾,并且被认为与mRNAs类似地转录和处理。然而,最近的研究已经开始揭示lncRNA的不同转录、加工、输出和转换,这与它们的细胞命运和功能密切相关。

lncRNAs的转录与加工

lncRNA的核定位和命运在多个层次上受到协调调控,从转录和加工到核输出,通过顺式结构中的多个序列基序和反式结构中的多个因子。除了与染色质相连外,一些核保留的功能性lncRNA还特别定位于无膜核域。尽管这类最具代表性的lncRNA是通过不寻常的生物发生途径加工的,但在特定的核结构域中捕获这类lncRNA的分子机制仍不清楚。尽管如此,鉴于lncRNA的不同形式、大小和功能,仍需要更多的工作来剖析控制lncRNA不同核定位模式的机制的区别和共性。

lncRNA的细胞质输出

很大一部分lncRNA被输出到细胞质中;这些lncRNA大概与mRNAs有相同的处理和输出途径。事实上,最近的一项研究显示,具有一个或只有几个外显子的A/U丰富以及长的转录本依赖于NXF1途径进行输出。由于lncRNA与mRNA相比,外显子往往较少,因此它们优先利用这种输出途径。抵达细胞质后,lncRNA可能经历特定的分选过程,将不同的lncRNA分配到特定的细胞器中,或者分布在细胞质中,并与不同的RNA结合蛋白(RBPs)关联。

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lncRNA的基因调控

基因表达受lncRNA多水平调控。lncRNA通过与DNA、RNA和蛋白质的相互作用,调节染色质的结构和功能以及邻近和远缘基因的转录,影响RNA的剪接、稳定性和翻译。此外,lncRNA参与细胞器和核凝聚物的形成和调节。

染色质调控

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蛋白质-lncRNA在染色质上的定位和功能:许多lncRNA定位于染色质上,在染色质上它们可以与蛋白质相互作用,促进或抑制它们在靶向DNA区域的结合和活性。此外例如CTCF介导的染色质相互作用,也可以作为靶基因上lncRNA直接转录效应的促进剂。尽管lncRNA与染色质因子的结合引起了人们的极大兴趣,但在评估这种相互作用时应谨慎,在这些研究中应采用严格的方法。此外,一个给定的lncRNA与其相互作用的因子的表达水平可以确定lncRNA对靶染色质的影响程度。PRC2在目标染色质上的结合和扩散已被特别描述为由几个lncRNA促进的,在某些情况下是通过特征良好的序列元素。这种类型的相互作用可以发生在顺式和反式中。其他因素很可能参与调控lncRNA介导的PRC靶向。除了基因沉默因子外,lncRNA还可以招募染色质修饰剂,促进基因激活。

lncRNA和DNA之间的直接相互作用:lncRNA的一个基本特征是它们有可能与DNA产生杂交结构以影响染色质的可及性。这种相互作用可以采取三螺旋(triplexes)或R环的形式。由于难以在体内检测到这两种类型的结构,这两种结构的实际普遍性仍然未知。然而,三联体和R-环的形成很可能是普遍的,对许多lncRNA的调控活动至关重要。RNA–DNA–DNA三联体被认为是非编码RNA–DNA相互作用介导基因沉默或激活的一个例子。一个更广泛研究的lncRNA与染色质相互作用的模式发生在R环上,长期以来一直被认为是对基因组稳定性的威胁。然而,R环的短暂性使其成为理想的调控中枢,最近的研究结果表明,它们可以作为基因表达的调节者和DNA修复的协调者进行重新评估。

转录调控

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lncRNA与其邻近基因之间的相对位置是决定其调控关系的关键因素。由于发现广泛的反义和双向lncRNA转录在进化上是保守的,因此lncRNA的非随机基因组分布可能代表了基因在进化上的一种适应,即以特定背景的方式调节自身的表达。

通过lncRNA进行基因沉默:lncRNA所介导的最著名的基因抑制机制与基因剂量补偿有关,这种功能的主要代表是lncRNA XIST;在其他基因座,顺式作用的lncRNA可以通过直接或间接地与靠近其转录位点的染色质相互作用来促进染色质的非活性状态;lncRNA可以通过干扰转录机制来抑制基因的表达,从而导致转录因子或Pol II在被抑制的启动子上的招募改变,组蛋白修饰的改变和染色质可及性的降低,例如小鼠印记Airn lncRNA,它决定了mESC分化过程中等位基因特异性表达的发生。

在增强子上转录的lncRNA:活性增强子可以转录成两种主要的lncRNA:eRNAs和增强子相关的lncRNA(elncRNA)。这两组转录本的主要区别在于它们的特点:eRNAs是相对较短的双向封顶转录本,通常是无片段的、非聚腺苷酸化的和不稳定的。相比之下,elncRNA大多是单向的、多聚腺苷酸化的和拼接的。一些增强子位点产生elncRNA,其表达与其增强子元件的表达有关。值得注意的是,elncRNA剪接与相关增强子的活性呈正相关,并与邻近蛋白质编码基因的丰度呈正相关。此外,elncRNA可以与染色质调控蛋白协同调控染色质的结构和拓扑结构。eRNA功能的基因激活机制也可以定义elncRNA的功能。elncRNA激活的基因常常导致与人类疾病相关的复杂表型。

涉及顺式作用lncRNA的调控网络:lncRNA对顺式基因的调控不仅仅是由一个lncRNA对邻近基因的一对一效应所决定的,lncRNA是复杂的调控单元的一部分,在这个单元中,一个蛋白编码基因的表达可能受到两个或多个lncRNA以及转录物依赖性和转录物无关性机制的协调活动调控。其中一些单元作用于基本的发育基因或在维持正常和过度增殖过程之间的平衡方面具有重要功能的位点。几个相互依赖的因素出现在lncRNA功能的关键调控因素中:lncRNA和靶基因的相对位置,共同转录RNA-DNA和RNA-蛋白质相互作用的形成,以及调控效应是由lncRNA转录物还是由其转录物介导。这些因素的细胞特异性共存决定了各个lncRNA的调控潜力。

在核组织中的作用

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定位在细胞核的lncRNA,可以与DNA、RNA、蛋白质等多种分子相互作用,调控染色体结构和功能;或者顺式或反式调节基因的转录,影响mRNA的剪接、稳定和翻译等。一些lncRNA定位在细胞核内的无膜亚结构内,如核斑 (nuclear speckle)、核旁斑 (paraspeckle)、核内应激小体 (nuclear stress body) 等, 参与调控他们的组装和功能。

转录后的调控作用

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除了在转录调控和核组织中的作用外,lncRNA还控制着基因表达的其他几个方面,有些lncRNAs甚至被翻译成功能性肽。尽管如此,作为非编码RNA,lncRNA主要是通过其与蛋白质和核酸建立相互作用的能力发挥作用。

lncRNA与蛋白质直接相互作用的模式:lncRNA通过与RNA序列座或结构结合形成特定的lncRNA-蛋白复合物(lncRNPs),从而参与转录后调控,导致mRNA剪接和转换的改变,在某些生物学背景下,还参与信号通路的调节。除了与序列座结合外,lncRNA还可以折叠成结构,与参与关键信号通路的蛋白质相互作用。

与其他RNA配对以招募蛋白质复合物:一些lncRNA可以直接与其他RNA进行碱基配对,随后招募参与mRNA降解的蛋白。反式作用的lncRNA正在成为重要的转录后调节因子。未来的研究不仅需要通过鉴定lncRNA的功能模块来更好地剖析单个lncRNA-蛋白质相互作用的分子基础,而且还需要揭示不同lncRNA之间的机制共性。

海绵状小RNA:一些含有miRNA互补位点的lncRNA可以作为竞争内源性RNA或miRNAs的“海绵”调节基因表达,从而降低靶向mRNAs的miRNAs可用性。

细胞器的调节功能:许多lncRNA被定位到特定的细胞器,如外泌体和线粒体。由于外泌体定期被释放到细胞外环境中,外泌体定位的lncRNA可以被分泌并最终进入受体细胞,在这些细胞中,lncRNA被发现参与了表观遗传调控、细胞类型重编程和基因组不稳定性。线粒体定位的lncRNA可以由核DNA和线粒体DNA编码,并且通常与线粒体代谢、细胞凋亡和线粒体与核的串联有关。

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lncRNAs的基因调控及其生物学功能

lncRNA的各种基因调控活动影响着生理学的不同方面,从细胞分化、生长和对各种压力及刺激的反应,到在神经、肌肉、心血管、脂肪、造血和免疫系统及其相关病理中的关键作用。

神经元分化与紊乱

中枢神经系统的发育是一个特别复杂的过程,需要精确的基因时空调控。哺乳动物的大脑是一个转录高度复杂的器官,表达了大约40%的哺乳动物lncRNA。细胞培养和小鼠模型已经将lncRNA牵扯到神经元分化和损伤后的再生中。这些lncRNAs通常与在神经发生中具有特殊作用的蛋白编码基因有关。例如,lncRNA Silc1和转录因子SOX11在小鼠背根神经节的细胞中共表达,并在神经损伤后共同诱导。一些lncRNA的脱调与帕金森病、亨廷顿病、侧肌萎缩性硬化症或阿尔茨海默病有关。例如,BACE1-AS可促进BACE1 mRNA的稳定性,导致阿尔茨海默病患者脑中神经毒性淀粉样蛋白水平增加。在这些人的血浆中可以检测到BACE1-AS,从而作为一种潜在的疾病生物标志物。

造血和免疫反应

lncRNA在造血细胞分化中作用的广泛研究强调了分化驱动转录因子和lncRNA的协调活动。因此,lncRNA在激活或抑制编码炎症分子的基因表达方面具有决定性作用。关键免疫基因的诱导可能取决于炎症刺激之前其调节lncRNA的表达,代表了训练免疫中免疫基因引物的必要步骤。lncRNA的活动参与了对分化线索和应激的反应,触发了基因表达,其中它们表现出高度特异的调控功能,是正确分化和组织稳态所必需的。

与癌症相关的lncRNA

与癌症发生和发展相关的lncRNA的数量不断增加,可以在Lnc2Cancer或Cancer LncRNA  Census数据库中查询。lncRNA参与获取癌细胞的每一个特征,从增殖和生存的内在能力,增加新陈代谢,到与肿瘤微环境的关系。有大量证据表明细胞内稳态依赖于lncRNA的作用。尽管在癌细胞中表达的数千个lncRNA中只有一小部分可能在某种程度上发挥作用,但这些仍在很大程度上有待研究。lncRNA在化疗和免疫治疗中的作用、与肿瘤预后的关系以及对肿瘤微环境的影响等相关问题值得进一步研究。

lncRNA作为治疗靶点

在疾病中具有关键作用的lncRNA可能是治疗靶点。高组织特异性和细胞网络特定方面的调节表明,lncRNA在与其靶向相关的潜在、不良毒性作用方面优于蛋白质。此外,缺乏翻译,快速转换和低表达水平可能有助于以较低的剂量产生更快的效果。目前,治疗性lncRNA靶向的最先进尝试是基于反义寡核苷酸(ASO)的使用。这些分子本质上是单链DNA寡核苷酸,可以基于序列同源性和RNA可及性快速设计。重要的是,ASOs适用于下调保留在细胞核中的lncRNA。使用小分子来靶向lncRNA的开发较少。基于CRISPR-Cas系统的工具是精确调控lncRNA的最通用和最有前途的工具之一。

虽然目前我们对lncRNA的特征和功能多样性有了较为清晰的认识。然而这种认识只代表了其基因调控潜力的一小部分。鉴于其非编码的性质和较低的序列保护性,我们仍然远远没有理解lncRNA序列和结构特征如何与其功能相关。越来越明显的是,lncRNA的多种特征可以定义其功能。这些特征包括它们的序列、表达水平、加工、细胞定位、结构组织以及与其他分子的相互作用。对所有这些特征的综合认识将有望提高功能性lncRNA的识别和分类水平。

lncRNA如何影响复杂的生理过程和疾病的发生是非常重要的问题。我们目前的认识表明,lncRNA可以对细胞的规格和疾病进行微调。这些功能需要更深入的理解,不仅要提供生理病理过程的完整图像,而且因为lncRNA可以以高度特异性作为治疗靶点。考虑到它们的特点,疾病相关的lncRNA在个体化治疗中具有更大的相关性。这一领域的进展将与更好地理解lncRNA的基因调控方式密切相关。

点击阅读原文获取全文:https://www.nature.com/articles/s41580-020-00315-9

参考文献
Statello L, Guo C J, Chen L L, et al. Gene regulation by long non-coding RNAs and its biological functions[J]. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2020: 1-23.
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