人类基因组测序完成后的分析结果表明,编码蛋白质(protein-coding)的DNA只占人类基因组全部DNA的极少一部分,而绝大部分是不编码蛋白质的DNA,这部分DNA曾经一度被人们认为是“垃圾DNA”。近年来研究表明,很多所谓的垃圾DNA也有转录产物(RNA),很多这种RNA并不仅仅是所谓的“转录噪声(transcriptional noise)”,重要的是很多这些RNA虽然不直接参与基因编码和蛋白质合成,但是在基因转录后调控、剪切和修饰具有十分重要的功能,在很多生命活动中均起着举足轻重的作用,和疾病的发生、发展、诊断和治疗有密切的关系,迅速成为当今分子生物学最热门的前沿研究领域之一。
近年来关于非编码RNA的研究取得了不少成果,但大部分研究都集中在小RNA,关于小RNA的研究结果也屡屡被评选为世界科技获世界医学突破性进展。然而,对于长非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)的研究相对来说还很少,属于目前研究最不清楚的转录产物之一。lncRNA是一类转录本长度超过200个核苷酸的RNA分子的总称。lncRNA的表达水平相对于编码蛋白的基因一般比较低,说明lncRNA可能主要起调控作用。根据lncRNA在基因组上的位置,一个lncRNA可以归于以下五类中的一种或五种:(1)sense(2)antisense(3)bidirectional(4)intronic(5)intergenic,如下图所示:
Pervasive Transcription from the Dlx5/6 Locus
在基因组上,一般lncRNA附近会有编码蛋白基因,即使是intergenic(基因间)lncRNA,也大概有一半左右位于编码蛋白基因10kb范围内。
最初,人们普遍认为lncRNA仅仅是基因的“转录噪声(transcriptional noise)”,然后近年来越来越多有功能的非编码RNA被发现,当然,也有一些非编码RNA确实是转录噪声。判断一个lncRNA是否是转录噪声,一个简单的方法就是调查该lncRNA的表达谱,如果一个lncRNA没有功能,是转录噪声,那么该lncRNA的表达没有组织差异,在同一种组织的不同发育阶段也没有差异。另一个办法是调查该lncRNA序列的变异情况,如果一个lncRNA没有功能,则其核苷酸替换将没有自然选择的压力,将表现为“中性”。
目前已知的lncRNA起源主要有五种,如下图所示:
Possible Origins of lncRNAs
和蛋白质一样,lncRNA表达广泛,在很多组织中都有表达,但目前的研究表明,大多数lncRNA在大脑中都有表达。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。目前已经报道的lncRNA功能也多种多样,但主要体现在调控功能上,lncRNA可以通过各种方式来调控基因表达和表观遗传,lncRNA可以直接结合DNA,可以结合基因的promoter区域影响其转录,还可以结合蛋白质,比如转录因子,从而影响基因转录,另外,lncRNA自身还可以嵌入基因的promoter区域影响基因转录。总之,lncRNA影响转录调控的方式十分多样化和复杂,常见方式如下图示:
Mechanisms of lncRNA Function in Transcriptional Regulation
虽然研究甚少,但是人们逐渐认识到lncRNA具有重要的功能,因此,和lncRNA有关的异常和疾病关系密切,将成为理解疾病、寻找疾病分子标记物、药物靶点的新的研究方向。
我们有理由相信,随着对lncRNA研究的深入,更多关于lncRNA的秘密将被揭开。总结起来,当前lncRNA的研究重点主要有:
1、lncRNA的分类。目前定义lncRNA仅仅是靠非编码RNA的长度(>200bp),这种定义显然十分粗糙。目前研究表明lncRNA功能繁多,多种多样,因此,准确的对lncRNA进行分类对于理解lncRNA具有重要意义。
2、lncRNA的识别和鉴定。人类基因组有多少lncRNA?他们都在什么位置?序列为什么?这些问题的解答是我们深入研究lncRNA的基础。
3、lncRNA和其他生物元素的相互作用的系统生物学研究。任何事物都不是孤立的,lncRNA也一样,其发挥作用,一定会和其他生物元素相互作用,比如蛋白质,比如DNA,比如microRNA。这些分子之间如何协调作用也将是研究的重点。
4、lncRNA在重大疾病发生发展中的作用,lncRNA作为疾病分子标记物和药物靶点的潜力研究。
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