Cell综述深度解读lncRNAs的奥秘！既保守又不保守！

2020年5月28日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，一项刊登在国际杂志Cell上题为“The Secret Life of lncRNAs： Conserved， yet Not Conserved”的综述报告中，来自日本RIKEN综合医学科学中心的科学家们论述了lncRNAs的奥秘。此前研究人员Guo等人发现了lncRNA进化的一个新的层面，在人类胚胎干细胞中处于保守位置的lncRNAs会被广泛剪接并输出到细胞质中，而在小鼠中其主要是未剪接且能保留细胞核，因此，独特的加工过程会导致在多能性维持中出现物种特异性的lncRNA功能。

图片来源：Harshita Sharma，et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012

大多数的非编码RNAs（lncRNAs）都会快速进化，正如最近研究人员对哺乳动物和非哺乳动物lncRNAs的比较研究中回顾的那样，尽管如此，成千上万的哺乳动物lncRNAs在序列或基因组位置及启动子水平上都处于保守状态，此外，其功能还会受到亚细胞定位的影响，因为lncRNAs能在细胞核和细胞质中形成复杂的调节网络，从而调节多种细胞过程，尽管如此，对lncRNA的处理和功能的种间比较分析在很大程度上并未得到探索，这篇综述文章中，研究人员就报告发现，一组在人类胚胎干细胞中表达保守的lncRNAs与小鼠胚胎干细胞中的lncRNAs在加工方式上或许并不相同，从而就导致了不同的亚细胞定位和功能，研究者识别出了122个序列保守和229个位置保守的lncRNAs，其在小鼠胚胎干细胞中（mESCs）相比人类胚胎干细胞（hESCs）更倾向于保守，相反，hESCs的lncRNAs会被更频繁地剪接，从而就会导致细胞质输出和定位的偏好，这在某种程度上是预期发生的，因为剪接和mRNA的输出之间存在一定的相关性。

多种lncRNAs往往会参与干细胞多能性的维持和细胞命运的决策，为了能够筛选功能，研究者敲除了mESCs和hESCs细胞质中最重要的lncRNA同源物，其中就包括FOXD3反义转录物1（FAST），让研究人员惊讶的是，尽管小鼠FAST（mFAST）的敲除并未对mESCs产生影响，但人类FAST（hFAST）的敲除则会特异性地改变多潜能标志物基因OCT4和NANOG，并能够改变WNT靶向基因的表达，这就揭示了其在hESCs中多潜能维持中扮演的关键角色。为了理解其中的调节性机制，研究人员分析了携带WNT信号通路蛋白的FAST同源物，结果发现，hFAST能通过5个RNA茎环结构与E3 泛素连接酶b-TrCP上的WD-40重复结合，hFAST与b-TrCP的结合就会阻断b-连环蛋白被蛋白酶体所降解，从而就会激活WNT信号，并且维持细胞的多能状态。特定的顺式和反式调节元件会影响lncRNA的加工和亚细胞定位，研究者表示，hFAST和mFAST的差异化处理和输出受到了剪接因子肽基脯氨酰异构酶E（PPIE）的调节，PPIE在mESCs中要比hESCs中表达地多，而且其会抑制mFAST的剪接及运输到细胞质中。

尽管hFAST和mFAST之间存在74%的基因组相似性，但mFAST的未剪接异构体（亚型）与未剪接的hFAST共享了超过16%的序列，即其第一个外显子和内含子会匹配hFAST的第二个外显子和内含子，这就提供了一个非常有趣的例子来揭示来自两个物种的lncRNA转录物如何在基因组序列上表现出明显差异。mFAST的剪接和未剪接亚型都无法在体外与b-TrCP相互作用，这就表明，RNA中的结构元件是特定相互作用的基础；值得注意的是，恒河猴和食蟹猴ESCs中hFAST同源物在加工、细胞质输出和功能上都表现出了一定的保守性。

图片来源：Harshita Sharma，et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012

FAST与FOXD3相对应，后者是多能性维持所需要的转录因子，有意思的是，诸如H1等一些未分化的hESCs细胞系并不会表达FOXD3，这就表明，FAST能作为一种与附近蛋白编码基因并不相关的非编码RNA。多个干细胞维持的lncRNAs包含嵌合的重复元件，其是关键的组分，能帮助定义lncRNA的定位和基因元件功能。那么这些lncRNAs是否都具有重复元件或短保守基序所提供的一些结构相似性或功能结构域吗？如果mFAST并不调节mESCs中的WNT信号，那么或许有其它来自非同源基因座的调节lncRNAs，其可能会携带与hFAST相类似的功能基序。

考虑到参与剪接和RNA输出的多个因素，研究人员就需要进行额外的RNA-RNA和RNA-蛋白质相互作用研究，同时结合RNA序列和结构数据来理解参与到机制发生过程中所有的元素，此外，相比其它细胞类型而言，ESCs也拥有非常特殊的转录组特征，因此，对跨越多个细胞类型、组织及在体内系统中的保守lncRNAs种间加工进行分析就显得非常重要了。

研究者表示，在保守的lncRNA加工和定位进化过程中，存在着尚未被发现的选择；这或许就扩展了当前研究人员理解lncRNAs功能性进化的机制，后期研究人员还将继续深入研究探索这种特殊的调节机制是否是lncRNA的一种共同特征，而并不局限于灵长类动物或某些细胞类型。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Harshita Sharma，Piero Carninci. The Secret Life of lncRNAs: Conserved, yet Not Conserved, Cell, 30 April 2020, Pages 512-514, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012