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非编码RNA之lncRNA最新研究进展(下)

来源:本站原创 2017-10-31 22:29

2017年10月31日/生物谷BIOON/---长链非编码RNA(long noncoding RNA,lncRNA)是一类不编码蛋白的RNA分子,长度在200bp以上;研究表明,lncRNA具有保守的二级结构,可以与蛋白、DNA和RNA相互作用,参与多种生物学过程的调控。

国际著名的非编码RNA数据库NONCODE中显示,目前人类和小鼠的长非编码RNA基因的数目分别为56018和46475个。

lncRNA的表达水平相对于编码蛋白的基因一般比较低。多数lncRNA虽然不直接参与基因编码和蛋白质合成,但在基因组印记、染色质修饰、基因转录后调控、剪切和修饰等过程中发挥着非常重要的功能,也在很多生命活动中均起着举足轻重的作用。它们与疾病的发生发展、诊断治疗密切相关,迅速成为当今分子生物学最热门的前沿研究领域之一。另外,lncRNA的亚细胞位置上也呈多样化,在细胞核、细胞质和细胞器均有分布,甚至某些lncRNA具有独特的亚细胞位置,有可能是全新的亚细胞构成。

1.Nature:挑战常规!很多人lncRNA实际上可能是有功能的
doi:10.1038/nature21374
由来自日本、新加坡、英国、新西兰、美国、西班牙、沙特阿拉伯、俄罗斯、澳大利亚、德国和瑞典的研究人员组成的一个FANTOM联盟(FANTOM consortium)在过去十多年来开创性地发现非编码RNA(ncRNA),首次揭示出哺乳动物基因组转录谱的复杂性。FANTOM联盟继续位于针对ncRNA起源和功能的研究的前沿。

在一项新的研究中,FANTOM联盟产生一种完整的人长链非编码RNA(lncRNA)图谱,而且这种图谱具有显著改进的基因模型,从而允许他们更好地评估这些lncRNA的多样性和功能。如今,大多数绘制RNA转录图谱的努力依赖于并不总是准确地鉴定出这些RNA转录本5’端的测序技术。为了克服这种局限性,FANTOM联盟利用一种被称作基因表达加帽分析(Cap Analysis of Gene Expression, CAGE)的技术构建出具有准确5’端的人lncRNA图谱,从而准确地查明它们的转录是在基因组中的何处起始的。

这种图谱含有27,919种人lncRNA,也是首次在主要的人细胞类型和组织中总结了它们的表达谱。通过将这种图谱与基因组数据和遗传数据结合起来,这项研究的结果提示着这些人lncRNA中的19,175种可能是功能性的,这提示着可能存在与人基因组中大约2万种蛋白编码基因具有相同数量的功能性lncRNA,或者更多的功能性lncRNA。

这种人lncRNA图谱的资源可从网站fantom.gsc.riken.jp/cat上查询到。

2.Nature:揭示lncRNA在调节细胞过程中发挥重要功能
doi:10.1038/nature21034


在一项新的研究中,来自美国、日本和意大利的研究人员揭示出长链非编码RNA(lncRNA)可能在以一种组织特异性的方式控制细胞组分中发挥着至关重要的作用。这项新研究指出一种lncRNA在协助与肌肉再生和癌症相关的控制过程中发挥着关键性作用。相关研究结果于2016年12月26日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“mTORC1 and muscle regeneration are regulated by the LINC00961-encoded SPAR polypeptide”。

研究人员通过计算分析预测可能由已知的lncRNA分子编码的潜在多肽,然后他们利用质谱确定这些候选的多肽是否确实是由lncRNA分子表达的。Pandolfi解释道,“利用这种方法,我们实际上鉴定出很多表达的隐藏多肽,并且接下来特别地描述了一种lncRNA。”这种特定的lncRNA被称作LINC00961,编码一种长90个氨基酸的多肽。

多种分子和生化实验揭示出LINC00961编码的多肽在调节mTORC1蛋白复合物的活性中发挥着重要作用,其中mTORC1蛋白复合物是细胞内的一种关键性的营养获得性传感器。这种复合物也调节包括翻译、代谢、细胞生长和增殖在内的多种细胞过程,因而它的功能发生变化能够导致癌症等疾病。鉴于LINC00961编码的多肽似乎特异性地阻断mTORC1感知氨基酸刺激的能力,研究人员将这种lncRNA编码的多肽命名为SPAR(Small regulatory Polypeptide of Amino acid Response, 小调节性的氨基酸反应多肽)。

Pandolfi和他的团队发现这种编码SPAR的lncRNA在包括肌肉在内的多种组织中高度表达。在小鼠体内开展的实验表明通过它对mTORC1的影响,SPAR多肽有助调节肌肉在损伤后进行再生和修复的能力。特别地,在肌肉损伤后,阻断小鼠体内的LINC00961表达会导致SPAR水平下降和mTORC1活性最大化,从而促进组织再生。

3. Science:重磅!利用CRISPRi鉴定出细胞生长所需的499个lncRNA
doi:10.1126/science.aah7111

长链非编码RNA(lncRNA)是一类神秘的长200多个核苷酸但不会编码任何蛋白的分子。如今,在一项新的研究中,研究人员鉴定出499个lncRNA是功能性的,并且在理解这些分子如何发挥作用 方面取得重大进展。他们报道,不同于大多数蛋白编码基因---它们往往是众多细胞系所必需的---的是,针对测试的6种细胞系,在鉴定出的lncRNA中,将近90%的lncRNA似乎影响仅仅其中的 一种细胞系的强劲生长。

Lim、Weissman和同事们开发出一种CRISPR干扰(CRISPR interference, CRISPRi)平台,这种平台靶向7种不同的细胞系---6种转化的细胞系和一种人诱导性多能干细胞---中的16,401个 lncRNA位点。通过利用他们的这种经过修饰的CRISPR技术抑制每个候选lncRNA的表达从而对上千个位点进行筛选之后,他们鉴定出499个lncRNA位点是强劲的细胞生长所需要的,其中89%的位 点似乎仅在一种细胞类型中发挥功能。

4. Nature子刊:北大魏文胜、哈佛刘小乐课题组完成首次CRISPR lncRNA基因高通量功能筛选
doi:10.1038/nbt.3715


最近,北京大学魏文胜教授和哈佛大学刘小乐教授的联合团队利用CRISPR–Cas系统,以慢病毒为载体构建出pgRNA库,在全基因组范围内对人源肝癌细胞系Huh7.5OC中的近700个癌症或其他疾病相关长链非编码RNA(lncRNA)的基因进行了功能筛选。这一成果发表于近期的Nature子刊《Nature Biotechnology》上。

研究者以细胞增殖为表型,采用MAGeCK算法对lncRNA基因敲除影响的显着性进行了分析,最终筛选出了43种和8种在敲除后分别抑制(即负向选择)和促进(即正向选择)细胞增殖的lncRNA基因。在接下来的验证性分析中,研究者选取了5种负向选择和4种正向选择lncRNA,在Huh7.5OC细胞中对其进行了敲除、回补、转录激活或抑制处理,结果均符合其对细胞增殖或存活等方面的影响。在上述9个lncRNA中,正向选择的LINC01087还被进行了进一步的功能分析。结果显示,LINC01087的敲除导致一系列肝癌相关基因的表达上调,如FOS和FOSB等。

5. Science:发现乳糜泻与lncRNA相关联
doi:10.1126/science.aad0467

在一项新的研究中,来自美国哥伦比亚大学、纽约大学、新泽西州立大学和西班牙巴斯克地区大学的研究人员鉴定出一种非编码性RNA中的一种常见性基因变异体可能导致在乳糜泻(celiac disease)病人体内发生的肠道炎症。这一发现指出携带乳糜泻风险基因的人们患上乳糜泻的一种可能性的新风险因子。相关研究结果发表在2016年4月1日那期Science期刊上,论文标题为“A long noncoding RNA associated with susceptibility to celiac disease”。

通过多项实验,研究人员证实一种被称作lnc13的长链非编码性RNA通过结合到一种常见的蛋白家族---核不均一核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoproteins,hnRNPs)---上,抑制乳糜泻相关基因表达。这种乳糜泻相关的lnc13变异体较差地结合这些蛋白,从而导致炎性基因表达增加。研究人员接着发现在乳糜泻病人的肠道中,lnc13水平异常地低,这提示着这种基因的下调表达可能导致乳糜泻中观察到的炎症。

6.PNAS:日本科学家发现lncRNA可调节蛋白稳定性促进结肠癌进展
doi:10.1073/pnas.1500992113


在最近发表在国际学术期刊PNAS上的一篇研究论文中,来自日本的科学家发现一种lncRNA可以通过调节蛋白质泛素化促进蛋白质稳定,进而保证癌细胞存活和成瘤能力。

在这项研究中,研究人员发现一种叫做UPAT的lncRNA对于结肠癌细胞的存活和成瘤能力非常重要。研究表明UPAT能够与表观遗传因子UHRF1发生相互作用,通过干扰其泛素化过程使其保证稳定。研究人员进一步发现UHRF1能够上调两个参与结肠癌细胞存活的关键基因的表达,这两个基因分别是硬脂酰辅酶A脱氢酶1和Sprouty 4。

这项研究表明该lncRNA能够调节蛋白质泛素化以及降解过程,在维持肿瘤细胞存活和成瘤能力方面发挥重要作用,研究人员表示UPAT以及UHRF1或将成为结肠癌治疗的新分子靶点。

7.Gene Dev:靶向关键lncRNA让恶性肿瘤变囊肿
doi:10.1101/gad.270959.115


近日,来自冷泉港实验室的研究人员发表了一些临床前研究数据,该研究表明靶向恶性乳腺肿瘤中的一个新靶标或可将肿瘤细胞从侵袭性状态变为停滞状态,阻止恶性乳腺肿瘤进展。相关研究结果发表在国际学术期刊Gene and Development上。

文章作者David L. Spector博士表示,他们在研究中使用了人类转移性乳腺癌小鼠模型,并发现靶向一个关键分子能够诱导侵袭性原位肿瘤从一种高度增殖状态向其他方向分化,对癌细胞转移能力的抑制达到70%。这种叫做Malat1的关键分子是一种长非编码RNA,之前的研究并没有对Malat1的功能进行清晰阐明。Malat1是细胞内表达丰度较高的lncRNA之一,研究人员认为细胞消耗许多能量合成这种lncRNA因此其可能在细胞中发挥非常重要的作用。并且一系列研究还表明Malat1在一些类型的恶性肿瘤细胞中表达甚至高于正常细胞。

为了找到能够模拟Malat1敲除的治疗药物,Spector博士与Ionis制药公司(原ISIS制药公司)合作,利用一种反义寡聚核苷酸(ASO)在Malat1特定位点与之结合,从而促进细胞对Malat1的降解。他们将这种ASO导入人类转移性乳腺癌小鼠模型体内,结果表明虽然小鼠体内Malat1基因仍然活跃表达,但其转录出来的RNA很快会被降解,与敲除小鼠一样,进行了药物治疗的小鼠其体内的侵袭性肿瘤几乎无法生长,低级别肿瘤看起来更像囊肿,与敲除小鼠体内肿瘤转移完全消失略微不同,药物治疗对肿瘤转移的抑制可达到70%。

8.Cell:LncRNA领域突破进展 维持染色体数目稳定
doi:10.1016/j.cell.2015.12.017

近日,来自美国西南医学中心的分子生物学家们发现一个叫做NORAD的基因编码的产物能够帮助维持细胞内正确的染色体数目,一旦该基因失活就会导致细胞染色体数目异常,造成基因组不稳定,这也是癌细胞的一个重要特征。

研究人员最初关注这个特别的分子是因为他们发现DNA受到损伤之后该RNA就会开始行动,结果他们意外发现NORAD编码的lncRNA在保持基因组稳定方面具有重要作用。实验表明,当细胞内缺失该lncRNA,细胞经常会失去或额外得到一整套染色体。显微成像结果显示,缺少NORAD的细胞不能在分裂的时候合理分配染色体,机制研究表明NORAD能够在细胞分裂期间通过调节PUMILIO家族蛋白的活性控制染色体分离,细胞缺少NORAD就会引起PUMILIO活性失控导致基因组的不稳定,而大多数癌细胞也会存在基因组不稳定性。Dr. Mendell及其研究团队正在探索NORAD或PUMILIO功能异常是否会促进人类肿瘤发生。

9.Cell stem cell:lncRNA调控造血干细胞自我更新和谱系分化
doi:10.1016/j.stem.2015.02.002


近日,干细胞领域著名期刊cell stem cell在线发表了美国贝勒医学院研究人员的最新研究进展,他们发现长非编码RNA能够调控造血干细胞的自我更新和谱系分化,为造血干细胞的基因调控研究提供了新的见解。

造血干细胞具有其独特的基因表达程式,增强其干细胞特性,调控谱系分化发育过程。长非编码RNA(lncRNA)作为重要的调控因子在基因表达和细胞命运决定方面发挥重要功能,但其在造血干细胞中的功能仍不清楚。研究人员通过对纯化的造血干细胞进行深度测序和转录组分析,发现了323个从未报道过的lncRNA。对比它们在分化谱系中的表达情况,研究人员证实有159个lncRNA在HSC中表达水平较高,其中一些似乎具有HSC特异性表达。

这些lncRNA基因与蛋白编码基因具有类似的表观遗传特征,包括DNA甲基化对其表达的调控过程,并且通过对HSC特异性表达的两个lncRNA进行敲低发现其对HSC自我更新和谱系分化发育具有不同影响。研究人员对其中一个候选lncRNA进行基因组结合位点匹配分析,发现其基因组结合位点集中在造血干细胞关键转录因子的结合位点处,特别是E2A。

10.Cell Metabolism:美国NIH与中科院计算所共同完成lncRNA脂类代谢调控机制研究
doi:10.1016/j.cmet.2015.02.004

近期,由美国国立卫生研究院国立心、肺、血液病研究所以及中国科学院计算技术研究所的科研人员合作完成的工作“A Liver-Enriched Long Non-Coding RNA, lncLSTR, Regulates Systemic Lipid Metabolism in Mice”发表在国际著名学术期刊《Cell Metabolism》。该工作利用生物信息学及实验手段在国际上首次系统地阐释了长非编码RNA在脂类代谢过程中的作用机制。

研究团队前期通过生物信息学手段大规模地对生物芯片及测序数据进行深度挖掘,找到3条在肝脏中表达水平异常高的长非编码RNA基因。在筛选过程中,研究人员首先利用前期开发的芯片重注释系统对从GEO数据库中下载的大量基因芯片数据进行生物信息学分析,同时得到了蛋白编码基因和长非编码RNA基因在不同样本中的表达水平。通过样本特异性分析,并结合高通量测序数据分析结果,筛选出3条在肝脏中特异表达的长非编码RNA基因。进一步分析发现,其中的一条长非编码RNA基因(lncLSTR)与小鼠能量代谢水平呈很强的相关性。通过构建同时含有编码基因和长非编码RNA基因的双色共表达网络,对lncLSTR基因的功能进行了预测,结果表明该条长非编码RNA具有与脂类代谢相关功能。这引起了研究人员很大的兴趣,并以此为线索揭示了长非编码RNA基因在脂类代谢过程中的详细作用机制。负责全部生物信息分析工作的是由中科院计算技术研究所生物信息研究组的赵屹团队,该团队曾开发了本研究中所采用的芯片重注释及长非编码RNA功能预测系统(ncFANs)以及长非编码RNA鉴定方法(CNCI)。

在后期lncRNA功能实验研究中,研究人员发现,对于lncLSTR敲除的小鼠,血浆甘油三酯(Triglyceride,TG)水平明显下降,且apoC2的表达水平明显上升。同时,实验证据表明apoC2能够激活脂蛋白酯酶(Lipo-protein lipase,LPL),进而提高TG的清除效率。此外,研究人员还发现lncLSTR可与TDP-43形成复合物,调节Cyp8b1的表达,并导致体内胆汁酸分泌的改变。通过一系列的实验结果,研究人员得出结:敲除小鼠的lncLSTR可引起TDP-43与Cyp8b1启动子的结合增加,从而导致Cyp8b1基因表达减少,随之引起胆汁酸分泌的改变,进而激活FXR调节通路引起apoC2的表达增加,最终增加TG的清除。该工作实验学研究部分主要由NIH国立心、肺、血液病研究所曹海明等研究组完成。

11.Genome Biology:业内首度报道水稻lncRNA研究
doi:10.1186/s13059-014-0512-1


近日,中山大学生命科学学院和中山大学孙逸仙纪念医院携手,通过高通量测序和分析,在水稻中发现了大量有性生殖相关的lncRNA。该研究结果发表在2014年12月3日的Genome Biology上。 该研究是中山大学生命科学学院和中山大学孙逸仙纪念医院携手,借助安诺优达高通量测序平台,对水稻授粉和出芽之后的花粉、雌蕊、种子样本进行全转录组RNA分析(ssRNA-seq)。结合已有的水稻RNA的测序数据,中山大学的研究人员发现,水稻的lncRNA与拟南芥和动物细胞内的lncRNA有着显着区别,表现出极高的组织特异性和发育阶段特异性。另外,他们对一些有性生殖阶段的lncRNA进行功能分析,发现其中一些lncRNA为内源性竞争RNA,削弱细胞内miR160、miR164的功能。值得注意的是,XLOC_057324作为众多生殖相关lncRNA中的一种,和圆锥花序的发育和生殖能力紧密相关。通过数据的整理,他们还建立了水稻相关lncRNA的插入突变库。

12.Nat Commun:lncRNA调控免疫反应
doi:10.1038/ncomms4979


近日,Mark Lindsay教授领导的一个研究小组在确定调节免疫反应的基因中取得了突破性进展。

免疫反应辨识和捍卫机体免受危险微生物的侵害。在正常情况下,一旦威胁已经过去了,免疫反应会关闭。然而,这种情况并不总是发生,结果会导致诸如哮喘糖尿病和癌症以及自身免疫疾病,心血管疾病和呼吸系统等疾病。

出于这个原因,科学家们花了很多年试图理解控制免疫反应的机制。采用最新的DNA测序技术,来自Bath, Oxford, Imperial, Liverpool和Manchester大学的科研团队发现了一个基因家族即所谓的长链非编码RNA在控制免疫反应中起到一定作用。

13.Cell Res:陈玲玲等揭示一条lncRNA调控MYC转录的新机制
doi:10.1038/cr.2014.35

2014年3月25日,国际学术期刊《细胞研究》(Cell Research)在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所陈玲玲研究组的最新研究论文Human colorectal cancer-specific CCAT1-L lncRNA regulates long-range chromatin interactions at the MYC locus 。研究发现并揭示了一条结肠癌特异表达的长非编码RNA(CCAT1-L)通过参与染色质高级结构维持实现对MYC基因转录调控的分子机制。

该研究通过对结肠癌病人临床样品的全基因组测序,在“基因沙漠”区域(gene desert)——8q24区域、MYC基因上游约500 Kb处发现了一条丰度很高,且在结肠癌中特异表达的lncRNA,命名为CCAT1-L。研究发现CCAT1-L长度为5,200nt,含有polyA尾巴,定位在细胞核中其转录位点附近。敲除CCAT1-L可持续下调MYC基因的转录,而通过质粒过表达CCAT1-L并不能上调MYC的表达。

实验室已有研究(Yin et al., Molecular Cell, 2012; Zhang et al., Molecular Cell, 2013)证实质粒过表达的lncRNAs不能完全模拟其内源分子的定位和功能。为解决这一lncRNA研究中的难题,并深入探索CCAT1-L的功能,该研究利用基因组编辑技术——TALEN,在lncRANA的转录起始区域原位插入外源的启动子,实现了lncRNA的顺式过表达(in-cis activation)。顺式过表达的CCAT1-L不仅具备其内源分子的特性,并且使得MYC基因表达上调,并明显促进了肿瘤生长。这表明CCAT1-L可以调控其下游相距500 Kb的MYC基因的表达,并且在肿瘤发生中发挥作用。

进一步的研究发现CCAT1-L转录于一个结肠癌特异的超级增强子(super-enhancer),同时该超级增加子区域与MYC基因区域形成在空间上近距离的chromatin loop结构;该loop结构在敲除CCAT1-L后显著减弱。随后的实验发现CCAT1-L可特异结合染色质结构维持蛋白CTCF,而敲除CCAT1-L减弱了CTCF在该超级增强子和MYC区域的结合。这表明CCAT1-L与CTCF相互作用,起到维持该区域染色质高级结构并调控MYC基因表达的功能。

14.PNAS:首次证实胚胎干细胞中mRNA/lncRNA基因对异向转录
doi:10.1073/pnas.1221904110


在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院怀特海德研究所(Whitehead Institute)的研究人员证实产生信使RNA(messenger RNA, mRNA)的DNA转录也在它的相反方向上进行,从而产生相对应的长链非编码性RNA(long noncoding RNA, lncRNA).再者,当干细胞分化为其他细胞类型时,这些mRNA和lncRNA是通过协同性转录产生的.这一令人吃惊的发现可能重新定义我们对基因组成和调节的理解.相关研究结果于2013年2月4日在线发表在PNAS期刊上,论文标题为"Divergent transcription of long noncoding RNA/mRNA gene pairs in embryonic stem cells".

通过研究人胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞,研究人员吃惊地发现大多数lncRNA位于mRNA基因的附近,大约65%的lncRNA转录起始于与这些mRNA基因相关联的活跃启动子,而且这种转录沿着与启动子相反的方向朝上游开展.

当转录复合物附着到启动子上时,正如它沿着一个方向移动并转录mRNA一样,它也沿着相反方向移动并转录附近的lncRNA. 研究人员也注意到当胚胎干细胞开始分化为其他细胞类型时,mRNA/lncRNA基因对以相同的方式受到调节,即成对的mRNA和lncRNA一起上调转录或下调转录.这进一步证实mRNA转录和lncRNA转录之间的关系。(生物谷 Bioon.com)

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