2017年不能錯過的長非編碼RNA研究推薦

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2017年即將過去，這一年的非編碼RNA研究取得了很多重磅級成果。與早先的主要是在不同類型的疾病（癌症）中大規模鑒定非編碼RNA，今年的研究是對非編碼RNA機制的更深入探索，給我們展現了作用方式更豐富多彩的非編碼RNA世界。

一長非編碼RNA（lncRNA）

長非編碼RNA是一類長度在200nt以上的非編碼RNA，主要從蛋白編碼基因的反義鏈以及間隔區轉錄出來。大部分長非編碼RNA擁有與mRNA相似的結構，包括5『端帽子和3』端的polyA，並可能包含多個小的開放閱讀框，甚至能與核糖體結合，然而，這類RNA卻不翻譯。那麼它們是否具有生理功能呢？又是以怎樣的方式發揮作用的呢？早前的研究主要集中在細胞核中的長非編碼RNA對臨近基因的調控上，那麼細胞質中的長非編碼RNA如何發揮功能呢？

1.SCIENCE：能控制代謝酶活性的lncRNA

10月，國際頂級期刊SCIENCE發表來自曹雪濤院士課題組的lncRNA研究——『『An interferon-independent lncRNA promotes viral replication by modulating cellular metabolism』，該研究發現，長非編碼RNAlncRNA-ACOD1能響應病毒感染，迅速上調錶達，並通過提高代謝酶GOT2酶活，從而提高病毒的感染能力。

在病毒在感染宿主後，宿主的代謝會發生變化，而其中的機制一直未被闡明，而長非編碼RNA是否在其中發揮了作用，也是未知的。研究者在用不同類型的病毒處理細胞後，通過RNA-seq技術，發現長非編碼RNAlncRNA-ACOD1顯著上升，並在qPCR中驗正了這一結果。並且，利用siRNA技術敲低lncRNA-ACOD1後，病毒感染細胞的能力顯著下降，說明lncRNA-ACOD1不僅響應病毒的感染，並且在這一過程中發揮了功能。（下圖）

那麼，lncRNA-ACOD1促進病毒感染的具體機制是什麼呢？研究者利用CHIRP技術，結合質譜分析，發現lncRNA-ACOD1可以與穀草轉氨酶2 GOT2互作。並且，在敲低GOT2後，lncRNA-ACOD1不能促進病毒的感染，說明lncRNA-ACOD1通過GOT2來促進病毒的感染能力。（下圖）

接下來，研究者非常細緻的探索了lncRNA-ACOD1通過其5』端165-390的核酸序列與GOT2的54-68氨基酸結合，促進GOT2酶活來發揮功能。

2.NATURE子刊：能與磷脂結合的lncRNA

在「RNA世界」中，科學家假設生命的起源是RNA與磷脂互作，然而，RNA-磷脂在生理條件下是否結合，以及發揮了什麼功能，都是未知的。

Nature 子刊，Nature Cell Biology發表美國安德森癌症研究中心林愛福教授的研究「The LINK-A lncRNA interacts with PtdIns(3，4，5)P3 to hyperactivate AKT and confer resistance to AKT inhibitors」，為我們打開了更豐富的RNA作用方式。

研究者從三陰乳腺癌病人的組織中，鑒定到9個能與脂質結合的長非編碼RNA。其中，LINK-A的表達最高最特異，被選中作為研究的模型。研究者發現，LINK-A能與磷脂醯膽鹼（PC）和PIP3結合，並且結合的區域分別在241-300nt以及1081-1140nt.很多有關長非編碼RNA與其他分子的互作（包括蛋白）等，通常會做到長非編碼RNA具體的結合位置，而該研究則非常驚艷地做到了確認LINK-A與PIP3結合的核苷酸。在突變該核苷酸後，LINK-A與PIP3的結合明顯減弱。（下圖）

那麼，LINK-A與PIP3的結合又發揮了什麼功能呢？

AKT是細胞生命活動非常重要的蛋白激酶，在腫瘤中存在異常的激活或者過表達，促進腫瘤的發生髮展，是著名的癌基因。而Akt能與PIP3結合，LINK-A是否在其中發揮了功能呢？研究者發現，敲降LINK-A會破壞AKT在Thr308和Ser473處磷酸化，導致AKT激活受損。表明LINK-A的存在增強了AKT-PIP3的相互作用。AKT抑製劑被用於腫瘤治療，那麼高表達的LINK-A是否可以拮抗AKT抑製劑（包括哌立福辛和MK2206）的作用呢？研究表明確實如此。

該研究首次發現於脂質結合的RNA，並證明LINK-A在AKT激活中發揮重要作用，有望成為癌症治療的新靶點。

3.NATURE子刊：能與RNA結合的lncRNA

天然反義轉錄本是一類從其他轉錄本的反義鏈轉錄，並與之有重合部分的RNA分子。反義鏈RNA可以是mRNA，也可以是非編碼RNA，而非編碼RNA的形式佔到了大多數。我們常見到的非編碼RNA的名字，在編碼基因名後加「-AS1」的，都屬於此類RNA，比如HOXA-AS1等。

5月，Nature 子刊，Nature Cell Biology發表孫樹漢教授的研究「The MBNL3 splicing factor promotes hepatocellular carcinoma by increasing PXN expression through the alternative splicing of lncRNA-PXN-AS1，該研究發現lncRNA-PXN-AS1是PXN的天然反義轉錄本，它的不同可變剪接變體，通過結合PXN mRNA的不同部位，發揮了不同的功能。

研究者發現剪接因子MBNL3可以顯著的促進肝癌的發生，通過RNA測序的方法，他們發現lncRNA-PXN-AS1在MBNL3的作用下發生了可變剪接。在MBNL3存在時，lncRNA-PXN-AS1的第4外顯子會留在成熟的非編碼RNA中，命名為lncRNA-PXN-AS1-L，而敲低MBNL3後，第4外顯子會被剪掉，命名為lncRNA-PXN-AS1-S。並且，長非的不同變體，對PXN的作用相反。（下圖）

同一非編碼RNA的不同剪接體會對腫瘤的生長造成不同影響嗎？具體的機制是什麼？研究者發現在肝癌細胞中過表達lncRNA-PXN-AS1的不同變體後，對腫瘤生長的影響是相反的。而其具體機制就是影響了PXN mRNA的穩定性。lncRNA-PXN-AS1-L與PXN mRNA UTR結合，提高PXN mRNA的穩定性。而lncRNA-PXN-AS1-S則沒有這樣的作用。RXN是癌基因，能促進腫瘤細胞的生長。

4.CELL子刊：能編碼的長非編碼RNA

非編碼RNA真的不能編碼嗎？特別是像長非編碼RNA這樣，與mRNA這麼相似，真的不能翻譯嗎？這個問題一直困擾了很多做非編碼RNA研究的人。近年來，越來越多的研究表明，長非編碼RNA具有編碼能力！

10月，CELL子刊，Molecular Cell發表Guang-RongYa等人的文章「A Peptide Encoded by a Putative lncRNA HOXB-AS3 Suppresses Colon Cancer Growth」，證明長期以來被證明是非編碼RNA的HOXB-AS3具有編碼能力，並且其編碼的小肽的腫瘤的轉移中發揮重要作用。

研究者發現HOXB-AS3在腫瘤中高表達，並且通過預測，發現它具有小的開放閱讀框。在HOXB-AS3的ORF前插入FLAG標籤後，發現可以翻譯出蛋白，而突變掉起始密碼子ATG後，則沒有蛋白產生。

過表達HOXB-AS3可以顯著的抑制腫瘤的生長，而突變ATG的長非不可以，說明該長非主要通過翻譯的蛋白髮揮功能，而不是RNA分子本身。（下圖）

通過IP技術，研究者鑒定到該小肽可以與hnRNP A1結合，通過影響下游基因的可變剪接發揮抑制腫瘤細胞轉移的功能。

二 環狀RNA（circRNA）

環狀RNA是一類特殊的RNA，呈封閉的環狀結構，與線性的RNA不同，沒有5』和3』末端，因此免受RNA外切酶的剪切，穩定性更強。環狀RNA的研究較長非編碼RNA要晚，許多研究還集中在對環狀RNA的鑒定上，包括不同癌症體系中環狀RNA的差異表達情況和功能預測。另外，關於這樣一類特殊的非編碼RNA，它們的形成機制也是研究的熱點。目前已鑒定到的大部分環狀RNA都來自蛋白編碼基因的外顯子，另有一部分來自內含子，一部分來自非編碼基因。雖然來自非編碼RNA的環狀RNA比例不高，但是功能卻不小，著名的癌基因PVT1和ANRIL都可以產生環狀RNA，並且參與腫瘤的發生髮展。

1. Nucleic Acids Research：最全腫瘤特異性circRNA資料庫

正如前文所寫，通過第二代測序技術，我們積累了非常多的環狀RNA數據，特別是在不同腫瘤中環狀RNA的表達情況，充分利用這些數據，將為我們下一步探索環狀RNA的作用機制，打下良好的基礎。

來自武漢大學的何春江教授在Nucleic Acids Research發表研究「 CSCD： a database for cancer-specific circular RNAs」。研究者收集了228個RNA測序數據，包括腫瘤以及正常組織的樣品，一共鑒定了272152個癌症特異性表達的環狀RNA。其中，有950962個只在正常組織中表達。研究者將數據整理成了友好的網站，感興趣的讀者可以登錄CSCD， http：//gb.whu.edu.cn/CSCD，搜索自己感興趣的環狀RNA。

2.Pre-mRNA加工影響環狀RNA的形成

由於目前鑒定到的大部分環狀RNA都來自蛋白編碼基因的外顯子，而有時線性轉錄本mRNA與環狀RNA的表達趨勢一致，有時相反，所以，關於環狀RNA的形成與mRNA存在什麼樣的關係，一直是研究的重點。

來自賓夕法尼亞大學和上海生化所的研究者，在CELL子刊Molecular cell上共同發表研究「The Output of Protein-Coding Genes Shifts to Circular RNAs When the Pre-mRNA Processing Machinery Is Limiting」，揭示環狀RNA與線性RNA的生成比例關係。

研究者利用RNAi技術在果蠅中敲低剪接體，發現環狀RNA顯著上升，而相應的線性轉錄本mRNA則降低，說明剪接體與環狀RNA的形成有關。環狀RNA似乎對剪接體異常的容忍度更高。在疾病條件下，剪接體也會發生變化，它們的改變是否與環狀RNA的異常表達存在關係呢？還有待進一步的探索。

3. SCIENCE：與miRNA互作的環狀RNA

來自德國的科學家Nikolaus Rajewsky在國際頂級期刊SCIENCE發表研究「Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function」，該研究首次證明環狀RNA在體內in vivo條件下具有功能，意義重大！

研究者通過對AGO2-HITS的數據分析，發現CDR1as可以特異性結合miR-7，並且結合的位點多達70多個。有趣的是，在利用CRISPR技術穩定敲除CDR1as後，研究者發現mir-7的表達量顯著下調。（下圖）

關於環狀RNA與miRNA的互作，在許多體系中均有研究和報道，但是他們關注的重點主要是環狀RNA通過吸附miRNA，解除miRNA對相應靶基因的抑制，而對於環狀RNA吸附miRNA後，對miRNA本身有什麼影響，是未知的。

研究者猜測，環狀RNA通過吸附作用，使miRNA更加穩定，所以在敲除環狀RNA CDR1as後，miRNA顯著降低。接下來，研究者檢測了mir-7的前體表達量，發現在敲除CDR1as後沒有明顯變化，說明CDR1as並不影響mir-7的轉錄，而隻影響成熟體的穩定性。

敲除CDR1as，miR-7顯著下調，而miR-7的靶基因則顯著上升，並且這些基因與神經息息相關。最後，研究者發現在敲除CDR1as後，小鼠對雜訊的反應變得遲鈍，類似人類的精神分裂的表現，說明CDR1as對維持大腦的正常運行有重要作用。

總的來說，2017年，非編碼RNA領域取得了很多重磅級的研究成果，科學家們漸漸揭開了非編碼RNA與多種分子複雜的互作網路，為我們展示了更加豐富的RNA世界。此外，除了研究目前已鑒定到的非編碼RNA的功能，研究表明snoRNA以及tRNA都可以經過融合或者剪切產生新形式的非編碼RNA，發現和鑒定新的非編碼RNA以及探索它們的作用方式將成為下一個研究熱潮。

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