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1、宋旭，男，博士，四川大学教授，博士生导师。从1999年起，开始研究长非编码RNA与蛋白质相互作用的机制及其生理病理意义。最早报道了长非 编码RNA 与蛋白质相互作用参与肿 瘤发 生发展 的机制，发现小鼠的VL 30 RNA与PSF蛋白相互作用，解除PSF蛋白对原癌基因转录的抑制作用，从而促 进黑色素瘤细胞转移。针对长非编码RNA功能研究的难点，建立了筛选与目 标蛋白质相互作用的长非编码RNA的技术平台(RNA-SELEX-seq)，为长非编 码RNA筛选及功能研究提供了重要技术手段。以第一作者和通讯作者身份在 PNAS上发表了5篇论文。长非编码RNA与蛋白质的相互作用兰 洋，宋 旭* (四川大
2、学生命科学学院功能基因组实验室，成都 610064)摘要：长非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)是一类长度大于200个核苷酸但缺乏蛋白质编码潜力的调控型RNA。lncRNA在真核生物基因组中广泛转录，并且能够在多种层次以灵活的方式对基因 表达进行调控。lncRNA能够与染色质修饰复合物及转录因子等蛋白质相互作用，这种相互作用提高 了基因表达调控的灵活性和复杂性。本文将介绍部分具有代表性的lncRNA-蛋白质相互作用及其在基 因表达调控中的作用。关键词：长非编码RNA；lncRNA-蛋白质相互作用；基因表达调控Interaction of long non-co
3、ding RNA and proteinLAN Yang, SONG Xu*(Center for Functional Genomics and Bioinformatics, College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu 610064, China)Abstract: Long non-coding RNAs (lncRNAs) are transcripts larger than 200 nt in length with limited pro-tein-coding potential. Eukaryotic genom
4、es are pervasively transcribed into tens of thousands of lncRNAs. LncRNAs play widespread roles in gene regulation by diverse mechanisms. LncRNAs interact with protein partners such as chromatin-modification proteins and transcription factors. These lncRNA-protein interactions increased the flexibil
5、ity and complexity of gene regulation. Here we review representative lncRNA-protein interactions and their roles in the regulation of gene expression.Key words: long non-coding RNA; lncRNA-protein interaction; regulation of gene expression基因组中蕴藏着物种的全部遗传信息，储存 在DNA序列中的信息可以通过转录传递到mRNA中，再通过翻译合成蛋白质而发挥生物学
6、功能。 然而，在真核生物基因组中，随着物种复杂程度收稿日期：2014-07-15 基金项目：教育部博士点基金优先发展领域(20130181130010) *通信作者：E-mail: 474 生命的化学2014年34卷4期专题：RNA研究的提高，蛋白质编码基因的数量却没有明显增 加，而非蛋白质编码序列的比例却显著提高1，并 且这些非编码序列普遍转录2,3。例如：在人类基 因组中，74.7%的序列能够转录成RNA，但全部 mRNA的外显子序列却仅占2.94%，其余的序列信 息则以非编码RNA(noncoding RNA, ncRNA)的形 式输出4。ncRNA可分为组成型和调控型两类。 r R
7、NA 、t R NA 、sn R NA 和sn o R NA 等n c R NA 在 mRNA加工或翻译等基本过程中发挥作用，在各 类细胞中均稳定高水平表达，这类ncRNA为组成 型ncRNA。调控型ncRNA则在基因表达的调控过 程中发挥作用，具有较强的组织细胞特异性。根 据长度是否超过200个核苷酸，调控型ncRNA可以 分为小分子ncRNA(small noncoding RNA)和长非编 码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)。小分子 ncRNA又可以根据生成机制和作用方式不同分为 miRNA、siRNA、piRNA等5,6。其中对miRNA的 研究最为广泛和
8、透彻，目前已知的人类miRNA有 2578条7，它们主要通过与mRNA结合并抑制其翻 译从而调控基因的表达5。组成型ncRNA和调控型 ncRNA中的小分子ncRNA在非编码序列中的比例 很小，大部分非编码序列均转录成lncRNA。目前 已经鉴定到的人类lncRNA达3.7万条。大部分ln- c RNA 与m RNA 一样，也由RNA 聚合酶II 转录合 成，并经过转录后加工，包括5末端加帽、剪接 (包括可变剪接)和3末端多聚腺苷酸化8。但相对 于mRNA，lncRNA的长度较短，外显子数量少且 集中为2个，平均丰度约为mRNA的十分之一，并 且序列保守性也较低4,8-10。研究发现，lncR
9、NA能 够通过与染色质修饰复合物和转录因子等蛋白质 相互作用参与到基因表达调控的各个层面，进而 在多种重要的生物学过程中发挥调控作用，例 如，X- 染色体失活( Xi st 11 、Tsi x 12 ) 、基因印记 (H19 13 、Air 14 ) 和发育分化(HOTAIR 15 、TIN - CR16)等。尽管lncRNA在基因表达调控过程中的作用已 经毋庸置疑，但目前只有少数lncRNA的功能和作 用机制得到了研究。由于lncRNA发挥调控作用需 要蛋白质分子的配合，因此鉴定结合特定lncRNA 的蛋白质分子已经成为揭示lncRNA功能和作用机 制的主要途径。本文将按照基因表达调控的层次
10、介绍部分具有代表性的lncRNA-蛋白质相互作用及 其在基因表达调控中的作用。1 lncRNA与染色质修饰复合物lncRNA能够与染色质修饰复合物相互作用， 并且已经被认为是染色质表观遗传学调控的重要 组成成分17。在哺乳动物X染色体选择性失活过程 中起调控作用的lncRNA是最典型的例子18,19。在 这一过程中，lncRNA RepA首先结合并在原位募集 多梳抑制复合物2(polycombrepressive complex 2, PRC2)到选择性失活的X染色体。PRC2则通过对组 蛋白进行H3组蛋白27位赖氨酸3甲基化(H3K27me3) 修饰而抑制基因转录20。随后，lncRNA X
11、ist转录 并覆盖整条X染色体，它同样能够结合PRC2复合 物并将其带到X染色体的其他位置对组蛋白进行 H3K27me3修饰，这导致整条染色体的基因转录受 到抑制并最终凝集失活21。 lncRNA还能够同时结合多种复合物。在胚胎 发育过程中，Hox基因家族决定了生物体的体形发 育22。转录组学研究发现在Hox基因簇附近存在数 以百计的lncRNA，并且这些lncRNA的表达也具有 发育时空特异性15。其中，lncRNA HOTAIR位于 HOXC基因簇，并且在肢体后远端的细胞中表达。 HOTAIR能够通过反式作用抑制HOXD基因簇的转 录，下调HOTAIR能够激活HOXD基因簇的全部基 因15
12、。HOTAIR能够作为支架结构同时结合PRC2 和组蛋白赖氨酸特异性的去甲基化酶1(lysine-spe- cific demethylase1, LSD1)两种染色质修饰复合物， 这两种复合物分别介导组蛋白H3K27的甲基化和 H3K4的去甲基化修饰，协同发挥转录抑制作用23。 lncRNA也能够激活基因转录。HOTTIP位于 HOXA基因簇的5末端，特异性地在小鼠和鸡胚胎 的肢体后远端位置的细胞内表达24。通过siRNA降 低HOTTIP导致HOXA基因簇的基因下调，并且下 调作用的强度和HOTTIP与HOXA各基因间的距离 成正比。HOXA基因簇的表达受到MLL1复合物的 调控。通过筛选
13、体外表达的MLL1复合物亚基与 HOTTIP的结合能力发现，WDR5蛋白能够特异性 地结合HOTTIP。HOTTIP通过与WDR5结合募集 MLL1复合物并对组蛋白进行H3K4me3修饰，从而 维持染色质的开放状态和活跃转录24。HOXA基因兰 洋, 等. 长非编码RNA与蛋白质的相互作用 475 簇还存在另外一个lncRNA能够激活临近基因的表 达。Mistral位于Hoxa6和Hoxa7之间，在诱导小鼠 胚胎干细胞分化的过程中被激活25。Mistral同样募 集MLL1复合物从而激活Hoxa6和Hoxa7，但这种 募集是通过与Mll1蛋白(而不是Wdr5蛋白)直接结 合而实现的25。 除了
14、对组蛋白修饰进行调控外，lncRNA还能 够调控DNA的甲基化26。DNA调控序列中的CpG 岛甲基化能够导致基因表达沉默，该区域最终异 染色质化。哺乳动物的基因组中有多簇串联排列 的rRNA基因(rDNA)，但其中只有一部分的rRNA 基因能够转录，其他rRNA基因的转录受到启动子 区的CpG岛甲基化的抑制。rRNA基因的启动子区 能够转录出lncRNA，称为pRNA(promoter-associat- ed RNA)。pRNA与启动子DNA形成DNA:RNA三 聚体，这种结构能够被DNA甲基化转移酶3b(DNA methyltransferase 3b, DNMT3b)特异性地识别，导
15、致启动子区DNA甲基化，转录沉默26。综上所述，lncRNA能够募集或者指导染色质 修饰复合物在基因组中的位置，为染色质修饰提 供基因特异性。此外，由于RNA与蛋白质结合的 序列较短，因此理论上单个lncRNA能够结合多种 蛋白质配体。lncRNA可以作为分子支架协调不同 染色质修饰复合物之间的作用。并且，lncRNA的 序列多样性丰富，其能够结合的蛋白质种类必然 也十分广泛。在小鼠胚胎干细胞中，Guttman等27对226条lncRNA进行了系统的研究。通过对28种染 色质相关的复合物进行RNA免疫共沉淀(RNA Im- munoprecipitation, RIP)分析，结果发现其中12种
16、复 合物能够与上述lncRNA结合。大约30%(74/226)的 lncRNA至少与其中1种复合物结合，并且1条ln- cRNA 结合多种复合物是一种普遍的现象。针对 PRC2复合物的RIP测序(RIP-seq)则发现，人类中约 有20%，小鼠中约有10%的lncRNA都能够与PRC2 结合28。然而，尽管lncRNA能够与染色质相关蛋 白质结合是不争的事实，但是否所有的结合都具 有特异性及生理意义还存在很大的争议29。相互 作用的特异性需要通过多重实验验证及功能相关 性的联合证明。此外，目前的研究还受到蛋白质 数量的限制，蛋白质芯片和RNA高通量测序的进 步有可能发展出“相互作用组学”研究方法，加快lncRNA功
