近年來(lái)，非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）相關(guān)研究的熱度一直居高不下。非編碼RNA是指不能翻譯為蛋白的功能性RNA分子，其中常見(jiàn)的具有調(diào)控作用的非編碼RNA包括長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）、環(huán)形RNA（circular RNA，circRNA）等，這些RNA在細(xì)胞分化、生物發(fā)育及疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中都發(fā)揮重要的作用。
小編將在近期的微信中逐個(gè)對(duì)lncRNA、miRNA和circRNA做詳細(xì)介紹，和童鞋們共同探討ncRNA的研究思路。
今天我們先來(lái)梳理一下lncRNA的相關(guān)知識(shí)和研究思路，大家快點(diǎn)準(zhǔn)備好板凳，我們準(zhǔn)備開(kāi)講咯！
什么是lncRNA? lncRNA有幾種類型？
lncRNA是長(zhǎng)度大于200個(gè)核苷酸的非編碼RNA。lncRNA起初被認(rèn)為是基因組轉(zhuǎn)錄的“噪音”，是RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，不具有生物學(xué)功能。然而，此后越來(lái)越多的研究表明，lncRNA在眾多生命活動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，并開(kāi)始引起人們廣泛的關(guān)注。再加上二代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，大量 lncRNA 被發(fā)現(xiàn)，lncRNA迅速成為當(dāng)今生命科學(xué)最熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。
根據(jù)染色體上與編碼基因的相對(duì)位置將lncRNA分為以下幾種類型：
反義型（antisense lncRNAs）
內(nèi)含子型（intronic lncRNAs）
反向型（divergent lncRNAs）
基因間型（intergenic lncRNAs）
啟動(dòng)子上游型（promoter upstream lncRNAs）
啟動(dòng)子型（promoter-associated lncRNAs）
轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)型（transcription start site-associated lncRNAs）
lncRNA的功能有哪些？
表觀遺傳修飾
表觀遺傳學(xué)修飾是指在核內(nèi)DNA序列不變的情況下基因表達(dá)的可逆和可遺傳的變化， 這種修飾包括染色質(zhì)重塑、DNA甲基化和組蛋白修飾。
轉(zhuǎn)錄調(diào)控
人類基因組中的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子在轉(zhuǎn)錄中起著不可或缺的作用，包括控制基因表達(dá)的時(shí)間和程度，同時(shí)確定它們的活性。 因此，轉(zhuǎn)錄機(jī)制非常復(fù)雜。
轉(zhuǎn)錄后調(diào)控
真核生物基因活性不僅可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄方式進(jìn)行調(diào)控，也可以通過(guò)RNA加工進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，后一種調(diào)控機(jī)制是前體mRNA經(jīng)歷選擇性剪接并作為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA（ceRNA）。
其他機(jī)制
除了上述功能以外，lncRNA還可以與其他lncRNA關(guān)聯(lián)起作用，同時(shí)lncRNA中的功能基因多態(tài)性可能是與人類疾病有關(guān)的遺傳修飾。
lncRNA的作用模式有哪些？
lncRNA 的作用模式主要分為四大類: signal、decoy、guide、scaffold。
Signal archetype（信號(hào)原型）：作為轉(zhuǎn)錄活性的分子信號(hào)或指示劑；
Decoy archetype（誘餌原型）：與其他調(diào)控RNA或蛋白結(jié)合并隔離；
Guide archetype（指導(dǎo)原型）：指導(dǎo)核糖核蛋白復(fù)合物定位到特定目標(biāo)；
Scaffold archetype（支架原型）：作為相關(guān)分子元件（蛋白和/或RNA）組裝的平臺(tái)。
lncRNA常用數(shù)據(jù)庫(kù)有哪些？
lncRNA數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于lncRNA的研究也很關(guān)鍵，為了便于大家快速查詢lncRNA序列等相關(guān)信息，下面羅列一些常用的lncRNA數(shù)據(jù)庫(kù)，供大家參考：
ChIPBase：提供lncRNA的表達(dá)圖譜和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的全面鑒定和注釋。網(wǎng)站：http://deepbase.sysu.edu.cn/chipbase/
LNCipedia：對(duì)人類lncRNA的序列和結(jié)構(gòu)全面的注釋。網(wǎng)站：http://www.lncipedia.org
lncRNABase：提供miRNA調(diào)控lncRNA、假基因(pseudogene)和circRNA的互作信息和ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這些調(diào)控互作網(wǎng)絡(luò)信息是基于高通量的CLIP-Seq實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。網(wǎng)站：http://starbase.sysu.edu.cn/mirLncRNA.php
lncRNAdb：提供有生物學(xué)功能的lncRNA的全面注釋。這是lncRNA研究領(lǐng)域的大牛John mattick實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的網(wǎng)站。網(wǎng)站：http://www.lncrnadb.org/
LncRNADisease：提供了文獻(xiàn)報(bào)道的疾病相關(guān)的lncRNA的注釋。網(wǎng)站：http://cmbi.bjmu.edu.cn/lncrnadisease
NONCODE：提供對(duì)lncRNA的全面注釋，數(shù)據(jù)庫(kù)收錄多達(dá)16個(gè)物種信息，網(wǎng)站：http://www.noncode.org
等等。
檢測(cè)和驗(yàn)證lncRNA方法有哪些？
lncRNA的研究離不開(kāi)對(duì)lncRNA的檢測(cè)和驗(yàn)證，以下方法是使用較多的手段：
高通量測(cè)序、lncRNA微陣列分析：是檢測(cè)lncRNA最常用的兩種方法，它們都能同時(shí)檢測(cè)到大量lncRNA的表達(dá)。
qRT-PCR、Northern 印跡：可用于驗(yàn)證不同樣品之間的差異基因表達(dá)。
熒光原位雜交、RNAscope： 可用于檢測(cè)樣品中l(wèi)ncRNA的位置，后者顯示出更高的靈敏度和更高的特異性。
RACE ：有助于獲得全長(zhǎng)lncRNA用于進(jìn)一步研究。
RNA pulldown，RNA免疫沉淀（RIP）、CHIRP，發(fā)現(xiàn)與lncRNA相關(guān)的蛋白。
鑒于lncRNA研究有多種方法，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)情況選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法。
近幾年有關(guān)lncRNA研究的國(guó)自然立項(xiàng)數(shù)和經(jīng)費(fèi)逐年增長(zhǎng)，2016年261項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)為1.08億，2017年達(dá)到了345項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)達(dá)到1.38億，從國(guó)自然本身就可以看出lncRNA一直是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，同時(shí)針對(duì)lncRNA的研究也發(fā)表了大量的文獻(xiàn)。lncRNA研究中經(jīng)典的ABCD模式——A基因通過(guò)B基因/信號(hào)通路在C疾病中發(fā)揮D功能，供大家參考。
下圖是常用的lncRNA研究思路：
案例分享：
接下來(lái)我們以中國(guó)醫(yī)科大學(xué)薛一雪教授作為通訊作者發(fā)表在《Cancer Letters》（IF=6.375）的Long non-coding RNA H19 regulates glioma angiogenisis and the biological behavior of glioma-associated endothelial cells by inhibiting microRNA-29a為例，講解一下lncRNA研究中典型的ABCD模式。
首先我們看一下這篇文章的題目：lncRNA-H19（A基因）通過(guò)抑制microRNA-29a（B基因）在膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞（C疾病）中調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤血管新生和生物學(xué)行為（D功能），完美符合ABCD模式。接下來(lái)開(kāi)始分析這篇文章。
確定研究對(duì)象C疾病——膠質(zhì)瘤
神經(jīng)膠質(zhì)瘤是最常見(jiàn)的原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，并且具有侵襲血管形成的特征。通過(guò)放療和化療治療的病人，其存活期僅12-14個(gè)月，治療效果差的一個(gè)主要原因是腫瘤的血管新生比較突出，因此抗血管生成在神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療策略中將會(huì)越來(lái)越有前途。
確定研究A基因——lncRNA-H19
lncRNAs在神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要的作用。之前的研究揭示了lncRNA-H19能調(diào)節(jié)腫瘤的癌變、血管新生和轉(zhuǎn)移，且在很多人類癌癥中表達(dá)失調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)H19不僅在高級(jí)別膠質(zhì)瘤中高表達(dá)，而且對(duì)于維持膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞特性具有重要作用。
本文作者首先使用qRT-PCR方法檢測(cè)了H19在膠質(zhì)瘤微管和膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H19在膠質(zhì)瘤微管和膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)水平都是上調(diào)的，如圖1所示。
圖1
隨后作者在膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞中做了H19的過(guò)表達(dá)和敲減實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成對(duì)血管新生的潛在作用，其中增殖、遷移分別使用CCK-8、transwell進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過(guò)表達(dá)H19實(shí)驗(yàn)組的增殖、遷移和血管形成相比對(duì)照組都有一定提高，而敲減H19實(shí)驗(yàn)組的增殖、遷移和血管形成相比對(duì)照組都有所下降。說(shuō)明H19的表達(dá)水平能夠影響膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的表型。如圖2所示。
圖2
lncRNA-H19的分子機(jī)制——通過(guò)B基因發(fā)揮D功能
在了解了H19的功能后，作者隨后進(jìn)一步驗(yàn)證了H19的調(diào)節(jié)機(jī)制。之前的研究已明確lncRNA可以作為miRNA海綿來(lái)調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)及生物學(xué)功能，所以本篇文章也在驗(yàn)證H19是否通過(guò)這個(gè)機(jī)制來(lái)發(fā)揮作用的。作者用生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)了H19的潛在作用位點(diǎn)。先用雙熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)驗(yàn)證了H19和miR-29a的相互作用，再用過(guò)表達(dá)或敲低H19對(duì)miR-29a表達(dá)水平的影響進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)H19能降低miR-29a表達(dá)，敲低H19能提高miR-29a表達(dá)，說(shuō)明miR-29a是H19的一個(gè)作用位點(diǎn)。如圖3所示。
圖3
接下來(lái)作者驗(yàn)證了miR-29a對(duì)膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞表型的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)miR-29a會(huì)抑制膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成，而敲低miR-29a會(huì)抑制膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成。如圖4所示。
圖4
隨后作者通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證H19對(duì)膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成的影響是否與miR-29a有關(guān)。作者通過(guò)幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，H19（-） miR-29a（ ）組的細(xì)胞活力明顯降低，而H19（ ） miR-29a（-）組的細(xì)胞活力明顯提高。在H19（-） miR-29a（-）組中，miR-29a對(duì)細(xì)胞活力的的抑制作用彌補(bǔ)了H19敲低引起的抑制效果。同樣，各組對(duì)遷移和血管形成的影響基本和對(duì)增殖的影響效果一致。如圖5所示。
圖5
作者確定了miR-29a和H19的相互作用后，還進(jìn)一步研究了H19、miR-29a和其他基因是否在一個(gè)作用通路上。VASH2是已知的與腫瘤血管新生相關(guān)的重要基因，用Western blot實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了H19對(duì)VASH2表達(dá)效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于對(duì)照組，VASH2蛋白表達(dá)在H19過(guò)表達(dá)組中是上調(diào)的，而在H19干擾組中是下調(diào)的。如圖6所示。
圖6
隨后作者用雙熒光素酶報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證了VASH2是miR-29a的作用位點(diǎn)，同時(shí)為了確定VASH2是否受H19調(diào)節(jié)，作者檢測(cè)了miR-29a過(guò)表達(dá)和敲低后對(duì)VASH2表達(dá)的影響。結(jié)果顯示，miR-29a過(guò)表達(dá)后VASH2表達(dá)降低，miR-29a敲低后VASH2表達(dá)升高。如圖7所示。
圖7
之后作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步揭示了在膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞中miR-29a參與調(diào)節(jié)H19對(duì)VASH2的表達(dá)效果以及VASH2參與了miR-29a對(duì)增殖、遷移和血管形成的調(diào)節(jié)過(guò)程，得出通路H19-miR-29a-VASH2可以調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的表型。如圖8和圖9所示。
圖8
圖9
最后作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了血管新生與H19和miR-29a表達(dá)水平之間的影響，發(fā)現(xiàn)H19敲低和miR-29a過(guò)表達(dá)都可以降低血紅蛋白量，從而抑制血管新生。如圖10所示。
圖10
結(jié)論：
本文是第一次揭示了H19在腫瘤組織的微管和膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞中高表達(dá)。體外敲低H19可以上調(diào)miR-29a的表達(dá)，從而抑制膠質(zhì)瘤相關(guān)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成。基于這些發(fā)現(xiàn)，H19/miR-29a可以被認(rèn)為是未來(lái)神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療的潛在靶點(diǎn)。
本文小結(jié)：
lncRNA的表達(dá)或功能異常與人類疾病的發(fā)生密切相關(guān)，其中包括癌癥、退行性神經(jīng)疾病在內(nèi)的多種嚴(yán)重危害人類健康的重大疾病，具體表現(xiàn)為lncRNA在序列和空間結(jié)構(gòu)上的異常、表達(dá)水平的異常、與結(jié)合蛋白相互作用的異常等。因此，lncRNA研究對(duì)于生命科學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要，也將會(huì)作為遺傳學(xué)研究熱點(diǎn)持續(xù)下去。
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