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如何揭开长非编码RNA的神秘面纱

2012.12.03

　　长非编码RNA(lncRNA)长达两百个核苷酸以上的转录本，但并不编码任何蛋白质。尽管如此，长非编码RNA在不同组织和发育阶段的表达依然具有特异性，说明lncRNA的调控具有重要的生物学意义。细胞中绝大多数lncRNA(也称lincRNA)位于细胞核，它们对应的DNA区域有的与蛋白编码基因重叠，有的位于基因间或者内含子中。

　　为何细胞不惜耗费能量对这些非编码RNA的表达和定位进行严格调控呢?这些RNA分子究竟有何功能?RNA测序技术的发展使人们得以初窥这一神秘的分子，现在lncRNA的许多相关信息都可以在新数据库中查到，例如Broad研究所、哈佛大学和麻省理工共同开发的Human Body Map lincRNAs catalog。不过现在人们了解到的lncRNA只是冰山一角，还有大量lncRNA的功能有待科学家们去探寻。

　　lncRNA研究工具

　　现在lncRNA研究面临的一个主要挑战是，研究工具还在不断开发和改进中，其中包括设计带有不同lncRNA检测探针的芯片。安捷伦公司的 SurePrint G3 Gene Expression v2 microarray就是其中之一，该芯片的探针设计不仅参照主要公共数据库中的mRNA，还参照了Broad研究所开发的lincRNA和 TUCP(transcripts of uncertain coding potential)数据库，可以同时检测编码RNA和非编码RNA。据安捷伦公司基因表达产品经理Corinna Nunn介绍，lncRNA的表达水平比编码RNA低，“因此芯片的动态范围宽很重要，这样才能够保证检测到表达水平较低的基因。”

　　Affymetrix 也推出了新版人类全转录本表达谱芯片GeneChip® Gene 2.0 ST Arrays，能够在一张芯片上同时检测mRNA和lincRNA。该芯片的设计结合了多个数据库资源，包括RefSeq、Ensemble、Broad 研究所的Human Body Map lincRNAs和TUCP catalog。 “我们的超高密度芯片具有独特的探针，能够检测每个转录本各外显子上的多个位点，确保最大程度的捕捉相关生物学信息，” Affymetrix公司的Tsetska Takova说。

　　Arraystar 公司自2009年就开始设计lncRNA芯片，近日该公司刚刚发布了可同时检测mRNA和lncRNA的的第三代lncRNA芯片Human LncRNA Microarray V3.0。Arraystar的技术支持专员Ed Davis介绍说，表达谱往往是研究lncRNA的第一步，不过开发lncRNA表达芯片仍然比较复杂，其中多个lncRNA数据库并存就是一个复杂因素。“为此，我们将公共数据库与重要lncRNA论文中的信息结合起来，建立了一个可靠的综合性lncRNA数据库，” Davis说。此外设计lncRNA探针也并不容易，因为lncRNA常常与附近的蛋白质编码基因重叠。Davis介绍道，“传统芯片探针是‘基因特异性的’，换句话说就是探针靶标转录本的3’端，因此无法区分转录起始位点或剪切方式可变所形成的多种转录本。但Arraystar的探针是‘转录本特异性的’，能够靶标外显子和剪接点，检测到单个基因的不同转录本。”

　　lncRNA的功能

　　阐明lncRNA的功能并不容易，Davis介绍道“与microRNA不同， lncRNA能通过多种机制起作用，而且很难依据其序列来推断其功能。” 据Affymetrix公司Takova称，实际上目前已知功能的lncRNA还不足1%。然而，越来越多的研究显示lncRNA在细胞正常分化和肿瘤发生中都具有重要作用。随着人们渐渐了解到正常和疾病状态下非编码RNA的差异，科学家们认为可以将非编码RNA作为生物指标进行疾病诊断和预测。

　　如何开展lncRNA功能研究呢?专家们介绍，除了表达谱研究以外，与特定lncRNA相关的蛋白编码基因也能够提供lncRNA功能的宝贵信息。 Illumina公司RNA和表观遗传学市场经理Chris Streck也认为比起只研究编码RNA，分析整个转录组无疑更有价值。他指出，在ENCODE(DNA元件百科全书)计划的推动下，研究人员现在更注重综合性研究，包括RNA、DNA及调控功能等多个方面，其中非编码RNA的作用日益凸显。(ENCODE项目的目标是在人类基因组中确定所有转录区域、转录因子关联、染色质结构和组蛋白修饰。)

　　BC Cancer Agency的博后Ewan Gibb(Wan Lam实验室)正在研究lncRNA在疾病中的作用。“尽管不少lncRNA都已经有基因组注释了，但大多数lncRNA的功能仍然缺乏证据，” Gibb说。“我很肯定有成千上万的lncRNA都是功能性的，但我们仍需注意，普遍性转录并不意味着具有普遍性的功能。从转录谱着手深入阐明 lncRNA的功能是至关重要的。”例如，罗马Sapienza大学的研究团队就阐述了一个lncRNA的功能，它作为内源性的竞争RNA控制着肌肉分化。Gibb指出，lncRNA研究的另一项挑战是找到lncRNA结构与其功能之间的关联。“有研究指出，lncRNA的结构以域为基础，这有点类似于蛋白质编码基因，”他说，“但这种组织形式如何形成，lncRNA的结构与其功能又有何关联，还有待进一步研究。”

　　在癌症等疾病中的作用

　　有一点很明确，lncRNA在疾病中有重要作用。lncRNA如何对疾病进程产生强烈影响呢?安捷伦公司资深科学家Anne Bergstrom Lucas介绍了Broad研究所的一项新研究，p53通常抑制着数百个基因，若下调p53相关lncRNA的水平，就会影响这些基因的表达。“指出 lncRNA具有肿瘤抑制或致癌的直接作用，将为开发癌症新疗法打下基础，”她说。此外，ENCODE项目的最新进展也显示，约有80%的非编码基因组在基因调控中起作用。

　　Gibb 正针对在人类癌症中表达异常的lncRNA进行功能研究。“一般来说，我们可以用计算机对深度测序所得数据进行分析，以此确定疾病中表达异常的 lncRNA。而要阐明这些lncRNA的功能则依赖于传统的生化方法，”Gibb说。“解析lncRNA在人类癌症中的功能，不仅能大大拓展癌症治疗的靶标，也将有助于人们开发新的癌症治疗方法。例如，可以通过反义RNA或靶标lncRNA-蛋白相互作用来进行基因调控。”

　　已有许多研究显示，lncRNA不仅是调控者，也可以作为疾病的生物指标，例如名为HOTAIR的lncRNA。HOTAIR在原发乳腺肿瘤和转移瘤中的表达都会增加，原发肿瘤中HOTAIR的表达水平可以用来有效预测癌转移和死亡。还有一种称为PCA3(prostate cancer antigen 3)的lncRNA在前列腺癌中高度过表达。这种lncRNA是在尿液中发现的，相当便于临床检测。最近FDA已经批准了一个可以用于临床的商业化检测试剂盒Progensa PCA3 test。此外，据Arraystar的Davis介绍，在肝细胞癌中lncRNA-HEIH也高度表达，可以用Arraystar的LncRNA芯片进行检测。

　　除了癌症以外，lncRNA调控在一些遗传疾病中有重要作用，例如lncRNA调控异常与短指/趾畸形和HELLP综合症有关。而且有研究显示，lncRNA能够稳定阿尔茨海默症关键酶的mRNA。lncRNA能为我们揭示编码基因以外的疾病调控机制么?“在我看来，最令人兴奋的进展是，有越来越多的证据显示lncRNA与主要人类疾病密切相关，而且lncRNA与蛋白编码RNA相比，能够更好的用于疾病诊断和预后，”Arraystar的 Davis说。希望有朝一日，非编码RNA能够成为帮助人们抵御疾病的有力武器。

基因组安捷伦蛋白质数据库
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