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2.2 lncRNA的作用机制

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摘要 : 随着lncRNA功能逐步显现,其与靶点的作用机制成为进一步的热点。早期认为原位调控是lncRNA 作用的唯一机制,它通过招募形成染色质修饰复合物而沉默邻近基因转录,例如IGF2R 反义RNA(antisense of IGF2R RNA,AIR)、XIST 等。而Hox 基因反义基因间RNA(Hox antisense intergenicRNA,HOTAIR)的发现提示lncRNA可能存在远程调控。 同源异型基因(homeotic genes,HOX)在细胞增殖与定向分化中起关键作用,人类Hox 基因簇约含100个ncRNA 基因,其中HOTAIR 定位于HOXC 基因座12q13.13。HOTAIR的5端可招募结合多梳蛋白抑制复合物2(polycomb repressivecomplex 2,PRC2),借助PRC2上三个H3K27甲基化酶EZH2、SUZ12和EED,使另一基因座HOXD上长约40 kb的序列转录沉默,从而在乳腺上皮细胞内使细胞内转录倾向于胚胎成纤维细胞样表型。超过20%的lncRNA 能够通过结合PRC2或其他类似复合物发挥作用,提示lncRNA的远程调控机制在
随着lncRNA功能逐步显现,其与靶点的作用机制成为进一步的热点。早期认为原位调控是lncRNA 作用的唯一机制,它通过招募形成染色质修饰复合物而沉默邻近基因转录,例如IGF2R 反义rna(antisense of IGF2R RNA,AIR)、XIST 等。而Hox 基因反义基因间RNA(Hox antisense intergenicRNA,HOTAIR)的发现提示lncRNA可能存在远程调控。 同源异型基因(homeotic genes,HOX)在细胞增殖与定向分化中起关键作用,人类Hox 基因簇约含100个ncRNA 基因,其中HOTAIR 定位于HOXC 基因座12q13.13。HOTAIR的5'端可招募结合多梳蛋白抑制复合物2(polycomb repressivecomplex 2,PRC2),借助PRC2上三个H3K27甲基化酶EZH2、SUZ12和EED,使另一基因座HOXD上长约40 kb的序列转录沉默,从而在乳腺上皮细胞内使细胞内转录倾向于胚胎成纤维细胞样表型。超过20%的lncRNA 能够通过结合PRC2或其他类似复合物发挥作用,提示lncRNA的远程调控机制在生物体内广泛存在。 长链非编码rna的作用机制非常复杂,至今尚未完全清楚。根据目前的研究,lncRNA的作用机制如要有以下几种。 (1)编码蛋白的基因上游启动子区(橙色)转录,干扰下游基因(蓝色)的表达; (2)抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰,影响下游基因(蓝色)的表达; (3)与编码蛋白基因的转录本形成互补双链(紫色),干扰mRNA的剪切,形成不同的剪切形式; (4)与编码蛋白基因的转录本形成互补双链(紫色),在Dicer酶的作用下产生内源性sirna; (5)与特定蛋白质结合,lncRNA转录本(绿色)可调节相应蛋白的活性; (6)作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体; (7)结合到特定蛋白质上,改变该蛋白质的细胞定位; (8)作为小分子RNA(如miRNA、piRNA)的前体分子。 2.2 lncRNA的作用机制 图1 LncRNA作用机制 目前,发现的参与哺乳动物基因活动的lncRNA已有上千个,其调控基因表达的机制存在共性。一般来说,lncRNA主要从表观遗传学、转录调控及转录后调控等3个层面实现对基因表达的调控。 2.2 lncRNA的作用机制 图2 LncRNA在3个层面上实现对基因表达的调控 1 表观遗传调控 哺乳动物lncRNA介导的表观遗传改变的研究,最早源于基因组印记(genomic printing)和X染色体失活(X chromosome inactive)两个方面,分别与H19和X ist RNA密切相关。近十年研究证实,lncRNA与表观遗传调控密切相关,并且发现了许多新的与基因调控有关的lncRNA。 2 转录调控 2.2 lncRNA的作用机制 图3 lncRNAs转录调控作用机制 LncRNA能够通过多种机制在转录水平进行调控,表现在如下几个方面。 LncRNA的转录可以干扰邻近基因的表达。例如,酵母的SER3基因受到上游一段lncRNA——SRG1的干扰。近端启动子转录的lncRNA可将RNA结合蛋白定位至基因启动子区域从而调控基因表达。如,人类细胞中的细胞周期蛋白D1(CCND1)的表达,DNA损伤信号诱导该基因启动子上游一段lncRNA的表达,它可调节RNA结合蛋白——TLS的活性,接着TLS抑制CREB结合蛋白——组蛋白乙酰基转移酶和p300的活动,进而使CCND1基因的表达沉默。 LncRNA可作为共因子调节转录因子的活性。例如,小鼠的一段lncRNA——Evf2转录自一段超保守的远端增强子,它可与转录因子DLX2形成转录复合体,并结合至一个增强子上,从而诱导邻近蛋白编码基因DLX6的表达。通过与影响启动子选择的抑制性复合物相互作用,封锁启动子区域来调控RNA聚合酶(RNAP)II的活动从而干扰基因表达。这可能是存在于真核细胞染色体上的上千种三倍体复合物结构控制启动子作用的普遍机制。 再如,小鼠17号染色体的Igf2r区是第一个被证实的可转录为 lncRNA的位点,父系染色体上一未拼接的 lncRNA——A irn从母源性Igf2r上的ICR区域开始转录,方向与Igf2r相反。这一反义链转录的RNA规模较大,跨越整个Igf2r启动子。并越过基因间区抵达邻近基因。属于一种转录干扰机制。 3 转录后调控 2.2 lncRNA的作用机制 图4 lncRNAs转录后调控作用机制 LncRNA在转录后水平可与mNRA形成双链RNA复合物,以掩盖mRNA的主要顺式作用元件,从而调控基因表达。例如,lncRNA-Zeb2(即Sip1)能够和HOX位点转录的mRNA的一个内含子的5’端剪切位点形成双链,从而防止该内含子被剪切。该区域含有对于Zeb2蛋白表达所必须的核糖体结合位点,Zeb2通过这种方式能够提高Zeb2蛋白的表达量。这一例子说明lncRNA可以指导mRNA亚型的选择性剪接。 另外,lncRNA的复性(退火)具有靶向作用,使蛋白受体复合物能够识别正义链mRNA转录本。这一租用类似于RNA诱导的沉默复合物(RISC)通过siRNA靶向作用于mRNA。来自于互补转录本甚至是lncRNA的双链RNA,结合延长的内部发夹结构,能够被加工成内源性siRNA以使基因表达沉默。

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