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2017年不能错过的长非编码RNA研究推荐

来源:生物谷 2017-12-29 14:57

2017年即将过去,这一年的非编码RNA研究取得了很多重磅级成果。与早先的主要是在不同类型的疾病(癌症)中大规模鉴定非编码RNA,今年的研究是对非编码RNA机制的更深入探索,给我们展现了作用方式更丰富多彩的非编码RNA世界。

一 长非编码RNA(lncRNA)

长非编码RNA是一类长度在200nt以上的非编码RNA,主要从蛋白编码基因的反义链以及间隔区转录出来。大部分长非编码RNA拥有与mRNA相似的结构,包括5‘端帽子和3’端的polyA,并可能包含多个小的开放阅读框,甚至能与核糖体结合,然而,这类RNA却不翻译。那么它们是否具有生理功能呢?又是以怎样的方式发挥作用的呢?早前的研究主要集中在细胞核中的长非编码RNA对临近基因的调控上,那么细胞质中的长非编码RNA如何发挥功能呢?

1.SCIENCE:能控制代谢酶活性的lncRNA

10月,国际顶级期刊SCIENCE发表来自曹雪涛院士课题组的lncRNA研究——‘‘An interferon-independent lncRNA promotes viral replication by modulating cellular metabolism’,该研究发现,长非编码RNA lncRNA-ACOD1能响应病毒感染,迅速上调表达,并通过提高代谢酶GOT2酶活,从而提高病毒的感染能力。

在病毒在感染宿主后,宿主的代谢会发生变化,而其中的机制一直未被阐明,而长非编码RNA是否在其中发挥了作用,也是未知的。研究者在用不同类型的病毒处理细胞后,通过RNA-seq技术,发现长非编码RNA lncRNA-ACOD1显着上升,并在qPCR中验正了这一结果。并且,利用siRNA技术敲低lncRNA-ACOD1后,病毒感染细胞的能力显着下降,说明lncRNA-ACOD1不仅响应病毒的感染,并且在这一过程中发挥了功能。(下图)


那么,lncRNA-ACOD1促进病毒感染的具体机制是什么呢?研究者利用CHIRP技术,结合质谱分析,发现lncRNA-ACOD1可以与谷草转氨酶2 GOT2互作。并且,在敲低GOT2后,lncRNA-ACOD1不能促进病毒的感染,说明lncRNA-ACOD1通过GOT2来促进病毒的感染能力。(下图)


接下来,研究者非常细致的探索了lncRNA-ACOD1通过其5’端165-390的核酸序列与GOT2的54-68氨基酸结合,促进GOT2酶活来发挥功能。

2.NATURE子刊:能与磷脂结合的lncRNA

在“RNA世界”中,科学家假设生命的起源是RNA与磷脂互作,然而,RNA-磷脂在生理条件下是否结合,以及发挥了什么功能,都是未知的。

Nature 子刊,Nature Cell Biology发表美国安德森癌症研究中心林爱福教授的研究“The LINK-A lncRNA interacts with PtdIns(3,4,5)P3 to hyperactivate AKT and confer resistance to AKT inhibitors”,为我们打开了更丰富的RNA作用方式。

研究者从三阴乳腺癌病人的组织中,鉴定到9个能与脂质结合的长非编码RNA。其中,LINK-A的表达最高最特异,被选中作为研究的模型。研究者发现,LINK-A能与磷脂酰胆碱(PC)和PIP3结合,并且结合的区域分别在241-300nt以及1081-1140nt.很多有关长非编码RNA与其他分子的互作(包括蛋白)等,通常会做到长非编码RNA具体的结合位置,而该研究则非常惊艳地做到了确认LINK-A与PIP3结合的核苷酸。在突变该核苷酸后,LINK-A与PIP3的结合明显减弱。(下图)



那么,LINK-A与PIP3的结合又发挥了什么功能呢?

AKT是细胞生命活动非常重要的蛋白激酶,在肿瘤中存在异常的激活或者过表达,促进肿瘤的发生发展,是著名的癌基因。而Akt能与PIP3结合,LINK-A是否在其中发挥了功能呢?研究者发现,敲降LINK-A会破坏AKT在Thr308和Ser473处磷酸化,导致AKT激活受损。表明LINK-A的存在增强了AKT-PIP3的相互作用。AKT抑制剂被用于肿瘤治疗,那么高表达的LINK-A是否可以拮抗AKT抑制剂(包括哌立福辛和MK2206)的作用呢?研究表明确实如此。

该研究首次发现于脂质结合的RNA,并证明LINK-A在AKT激活中发挥重要作用,有望成为癌症治疗的新靶点。

3.NATURE子刊:能与RNA结合的lncRNA

天然反义转录本是一类从其他转录本的反义链转录,并与之有重合部分的RNA分子。反义链RNA可以是mRNA,也可以是非编码RNA,而非编码RNA的形式占到了大多数。我们常见到的非编码RNA的名字,在编码基因名后加“-AS1”的,都属于此类RNA,比如HOXA-AS1等。

5月,Nature 子刊,Nature Cell Biology发表孙树汉教授的研究“The MBNL3 splicing factor promotes hepatocellular carcinoma by increasing PXN expression through the alternative splicing of lncRNA-PXN-AS1,该研究发现lncRNA-PXN-AS1是PXN的天然反义转录本,它的不同可变剪接变体,通过结合PXN mRNA的不同部位,发挥了不同的功能。

研究者发现剪接因子MBNL3可以显着的促进肝癌的发生,通过RNA测序的方法,他们发现lncRNA-PXN-AS1在MBNL3的作用下发生了可变剪接。在MBNL3存在时,lncRNA-PXN-AS1的第4外显子会留在成熟的非编码RNA中,命名为lncRNA-PXN-AS1-L,而敲低MBNL3后,第4外显子会被剪掉,命名为lncRNA-PXN-AS1-S。并且,长非的不同变体,对PXN的作用相反。(下图)



同一非编码RNA的不同剪接体会对肿瘤的生长造成不同影响吗?具体的机制是什么?研究者发现在肝癌细胞中过表达lncRNA-PXN-AS1的不同变体后,对肿瘤生长的影响是相反的。而其具体机制就是影响了PXN mRNA的稳定性。lncRNA-PXN-AS1-L与PXN mRNA UTR结合,提高PXN mRNA的稳定性。而lncRNA-PXN-AS1-S则没有这样的作用。RXN是癌基因,能促进肿瘤细胞的生长。



4.CELL子刊:能编码的长非编码RNA

非编码RNA真的不能编码吗?特别是像长非编码RNA这样,与mRNA这么相似,真的不能翻译吗?这个问题一直困扰了很多做非编码RNA研究的人。近年来,越来越多的研究表明,长非编码RNA具有编码能力!

10月,CELL子刊,Molecular Cell发表Guang-RongYa等人的文章“A Peptide Encoded by a Putative lncRNA HOXB-AS3 Suppresses Colon Cancer Growth”,证明长期以来被证明是非编码RNA的HOXB-AS3具有编码能力,并且其编码的小肽的肿瘤的转移中发挥重要作用。

研究者发现HOXB-AS3在肿瘤中高表达,并且通过预测,发现它具有小的开放阅读框。在HOXB-AS3的ORF前插入FLAG标签后,发现可以翻译出蛋白,而突变掉起始密码子ATG后,则没有蛋白产生。



过表达HOXB-AS3可以显着的抑制肿瘤的生长,而突变ATG的长非不可以,说明该长非主要通过翻译的蛋白发挥功能,而不是RNA分子本身。(下图)



通过IP技术,研究者鉴定到该小肽可以与hnRNP A1结合,通过影响下游基因的可变剪接发挥抑制肿瘤细胞转移的功能。

二 环状RNA(circRNA)

环状RNA是一类特殊的RNA,呈封闭的环状结构,与线性的RNA不同,没有5’和3’末端,因此免受RNA外切酶的剪切,稳定性更强。环状RNA的研究较长非编码RNA要晚,许多研究还集中在对环状RNA的鉴定上,包括不同癌症体系中环状RNA的差异表达情况和功能预测。另外,关于这样一类特殊的非编码RNA,它们的形成机制也是研究的热点。目前已鉴定到的大部分环状RNA都来自蛋白编码基因的外显子,另有一部分来自内含子,一部分来自非编码基因。虽然来自非编码RNA的环状RNA比例不高,但是功能却不小,著名的癌基因PVT1和ANRIL都可以产生环状RNA,并且参与肿瘤的发生发展。

1. Nucleic Acids Research:最全肿瘤特异性circRNA数据库

正如前文所写,通过第二代测序技术,我们积累了非常多的环状RNA数据,特别是在不同肿瘤中环状RNA的表达情况,充分利用这些数据,将为我们下一步探索环状RNA的作用机制,打下良好的基础。

来自武汉大学的何春江教授在Nucleic Acids Research发表研究“ CSCD: a database for cancer-specific circular RNAs”。研究者收集了228个RNA测序数据,包括肿瘤以及正常组织的样品,一共鉴定了272152个癌症特异性表达的环状RNA。其中,有950962个只在正常组织中表达。研究者将数据整理成了友好的网站,感兴趣的读者可以登录CSCD, http://gb.whu.edu.cn/CSCD,搜索自己感兴趣的环状RNA。



2.Pre-mRNA加工影响环状RNA的形成

由于目前鉴定到的大部分环状RNA都来自蛋白编码基因的外显子,而有时线性转录本mRNA与环状RNA的表达趋势一致,有时相反,所以,关于环状RNA的形成与mRNA存在什么样的关系,一直是研究的重点。

来自宾夕法尼亚大学和上海生化所的研究者,在CELL子刊Molecular cell上共同发表研究“The Output of Protein-Coding Genes Shifts to Circular RNAs When the Pre-mRNA Processing Machinery Is Limiting”,揭示环状RNA与线性RNA的生成比例关系。

研究者利用RNAi技术在果蝇中敲低剪接体,发现环状RNA显着上升,而相应的线性转录本mRNA则降低,说明剪接体与环状RNA的形成有关。环状RNA似乎对剪接体异常的容忍度更高。在疾病条件下,剪接体也会发生变化,它们的改变是否与环状RNA的异常表达存在关系呢?还有待进一步的探索。



3. SCIENCE:与miRNA互作的环状RNA

来自德国的科学家Nikolaus Rajewsky在国际顶级期刊SCIENCE发表研究“Loss of a mammalian circular RNA locus causes miRNA deregulation and affects brain function”,该研究首次证明环状RNA在体内in vivo条件下具有功能,意义重大!

研究者通过对AGO2-HITS的数据分析,发现CDR1as可以特异性结合miR-7,并且结合的位点多达70多个。有趣的是,在利用CRISPR技术稳定敲除CDR1as后,研究者发现mir-7的表达量显着下调。(下图)



关于环状RNA与miRNA的互作,在许多体系中均有研究和报道,但是他们关注的重点主要是环状RNA通过吸附miRNA,解除miRNA对相应靶基因的抑制,而对于环状RNA吸附miRNA后,对miRNA本身有什么影响,是未知的。

研究者猜测,环状RNA通过吸附作用,使miRNA更加稳定,所以在敲除环状RNA CDR1as后,miRNA显着降低。接下来,研究者检测了mir-7的前体表达量,发现在敲除CDR1as后没有明显变化,说明CDR1as并不影响mir-7的转录,而只影响成熟体的稳定性。

敲除CDR1as,miR-7显着下调,而miR-7的靶基因则显着上升,并且这些基因与神经息息相关。最后,研究者发现在敲除CDR1as后,小鼠对噪声的反应变得迟钝,类似人类的精神分裂的表现,说明CDR1as对维持大脑的正常运行有重要作用。

总的来说,2017年,非编码RNA领域取得了很多重磅级的研究成果,科学家们渐渐揭开了非编码RNA与多种分子复杂的互作网络,为我们展示了更加丰富的RNA世界。此外,除了研究目前已鉴定到的非编码RNA的功能,研究表明snoRNA以及tRNA都可以经过融合或者剪切产生新形式的非编码RNA,发现和鉴定新的非编码RNA以及探索它们的作用方式将成为下一个研究热潮。(生物谷Bioon.com)
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