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RNA的生物学论文

2015/06/02 阅读:

1ceRNA的分类及其生物学功能

1.1假基因转录物作为ceRNA假基因是一类具有与其功能基因序列相似,通常情况下不具有蛋白质翻译功能的基因,翻译过程因提前终止密码子、移码突变、插入或缺失而中断。假基因在基因组中一直被认为是垃圾基因,但随着研究的深入,发现假基因能通过多个机制促进或抑制其同源基因的表达,增强或抑制其生物功能,其中包括假基因的转录物能作为ceRNA吸附miRNA。假基因的转录物可以作为理想的ceRNA,是由于它们具有很多与其同源基因相同的MRE。例如,许多在PTEN3′UTR上的保守MRE,也出现在PTEN的假基因PTENP1的转录物中,并且过表达PTENP1的3′UTR,并以Dicer依赖的方式上调PTEN的表达水平,这暗示PTENP1转录物通过与PTENmRNA竞争共同的miRNA,从而调节PTEN的表达。假基因的转录物在ceRNA调控中作为miRNA分子海绵(Sponge),其作用可被功能化。由于假基因的同源基因可能是关键致病基因(如肿瘤抑制基因或癌基因),通过ceRNA调节,假基因也能在病理过程中发挥一定作用。如PTEN的假基因PTENP1,与PTEN一样具有抑制肿瘤的特性,并在一些人类肿瘤中选择性缺失。对其他假基因的研究发现,过表达KRAS的假基因KRAS1P的3′UTR,能增加KRAS转录物的表达,并加速细胞的增殖速度,影响肿瘤的发生。对干细胞多效转录因子OCT4的研究发现,其假基因OCT4-pg4在肝癌中被异常激活,且其表达水平与OCT4呈正相关。由于OCT4和OCT4-pg4都能被miR-145作用,因此OCT4-pg4作为天然的miR-145海绵保护OCT4免受miR-145的作用,使OCT4的蛋白表达水平升高,从而促进肝癌细胞的生长和肿瘤的发生。此外,整合子复合物亚基6(Integratorcomplexsubunit6,INTS6)相关假基因INTS6P1能与INTS6竞争结合miR-17-5p,发挥抑癌作用。以上研究表明,假基因在基因组中并非无关紧要,其通过ceRNA的作用方式调节其同源编码基因的表达,进而在癌症相关的病理过程中发挥着重要的作用。

1.2lncRNA作为ceRNAlncRNA是一类长度大于200nt、由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ转录、保守性较低的非编码RNA,并且其转录物可通过多种调节机制参与生物学过程。目前已发现超过10000种lncRNA可能具有潜在的ceRNA特性,许多研究已经证实lncRNA作为miRNA和mRNA的竞争平台,在病理和生理相关过程中发挥重要作用。研究发现,一些异常表达的疾病特异性的lncRNA通过ceRNA介导的相互作用在癌症的进程中产生深远影响。在对lncRNA-BGL3的研究中发现,其与PTEN竞争结合miR-17、miR-93、miR-20a、miR-20b、miR-106a和miR-106b,并影响PTEN的表达水平及其下游PI3K/AKT信号通路,进而影响Bcr-Abl的转化过程和肿瘤的生成。同样,lncRNA-HLUC在肝癌样本和细胞系中表达显著上调。对HLUC上调的多个机制研究中发现,其ceRNA特性是一个复杂的自动环路的一部分:HLUC作为分子海绵抑制miR-372的表达和活性,从而减少miR-372对cAMP依赖性蛋白激酶A催化亚基β(cAMP-dependentproteinkinaseAcatalyticsubunitβ,PRKACB)的抑制作用,而PRKACB能诱导cAMP反应结合蛋白(cAMPresponseelementbindingprotein,CREB)的磷酸化,在肝癌中提高CREB依赖的HULC表达上调。这些研究表明,lncRNA作为ceRNA在相关信号通路和环路中发挥作用,影响癌症的进程。除了在癌症进程中的作用,lncRNA亦可作为ceRNA在一些生理过程中发挥重要作用。如内源性lncRNALinc-MD1以ceRNA的方式调控肌肉分化的过程。Linc-MD1能分别结合miR-133和miR-135,从而与它们的靶基因——决定因子样蛋白-1(Mastermind-likeprotein1,MAML1)和肌细胞特异性增强因子2C(Myocyte-specificenhancerfactor2C,MEF2C)产生竞争性效应。在对另一个lncRNA——H19的研究中发现,其不仅作为let-7的分子海绵调节let-7的表达,而且使let-7的靶基因HGMA2和Dicer在蛋白水平表达上调。由于let-7的表达通常与细胞的分化状态相关[,在小鼠肌源性细胞C2H2中的研究中发现H19的缺失与过表达let-7产生的效果一致,均可显著增加肌球蛋白重链(Myosinheavychain,MHC)和肌细胞生成素(Myogenin,MyoG)的表达,从而加速肌肉分化。以上lncRNA作为ceRNA在肌肉分化中的作用说明lncRNA以ceRNA角色参与生长发育调节,也可能在其他生物学过程中发挥作用。

1.3CircRNA作为ceRNACircRNA是一类由特殊的选择性剪切产生的非编码RNA,与线性RNA不同的是:circRNA呈封闭环状结构,不受RNA外切酶的影响,表达更稳定。研究表明,某些特殊的circRNA分子富含miRNA结合位点,在细胞中起到miRNA海绵的作用,进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用,升高靶基因的表达水平,是一类高效率的ceRNA[34]。如小脑变性相关蛋白1反义链(Cerebellardegeneration-relatedprotein1antisense,CDR1as)包含63个保守的miR-7结合位点,该circRNA在细胞中和miRNA效应物密集地结合,能有效地解除miR-7对其靶基因的抑制作用,升高靶基因的表达水平。在斑马鱼(Daniorerio)模型中(本身不表达CDR1as),表达CDR1as与敲除miR-7有类似的效果,都能损伤斑马鱼中脑的发育。研究发现,miR-7作为关键调节因子广泛参与癌症途径,如抑制在乳腺癌、胶质瘤等癌症中表达显著上调的信号激酶P21激活激酶1(P21-activatedkinase1,Pak1)的表达;miR-7也能通过作用α-突触核蛋白(α-synuclein)编码的mRNA3′UTR,抑制其表达。这些研究暗示CDR1as因其ceRNA特性能有效地吸附miR-7,可能是神经元功能的调节因子,也可能是神经系统疾病和癌症治疗的潜在靶点。Capel等对另一个已知环状RNA性别决定区域Y(Sex-determiningregionY,Sry)的RNA研究发现,该RNA含有16个miR-138的结合位点,利用靶点分析实验和免疫共沉淀实验证实该环状RNA能作为miR-138的分子海绵,抑制miR-138的表达。同时,Granados-Riveron等进一步研究发现Sry的正义链转录物和其反义链转录物类似,也能发生环化并作为miR-138的分子海绵起作用。目前结合最新生物信息学工具和相关实验技术在基因组中发现成千上万种circRNA在特定组织或特定发育阶段稳定表达,这暗示circRNA在基因组中的含量很丰富,并非RNA选择性剪接产生的随机物,它在一定程度上可能参与基因的表达调控。如利用RNA转录组测序(RNAsequence,RNA-seq)数据分析果蝇circRNA的生物合成和功能,发现其circRNA上含有大量保守的miRNA结合位点。结果显示circRNA作为潜在的高效ceRNA分子,对其进一步的生物学功能研究具有重要意义。以上非编码RNA作为ceRNA及其生物学功能见表2。

2ceRNA的调节

目前,许多研究已表明ceRNA之间的相互作用,但对于哪些因素可能会影响某个RNA分子发挥其ceRNA功能仍不清楚。我们推测构成ceRNA调控网络的各个组分的数量级、RNA3′UTR的变化以及RNA结合蛋白(RNAbindingprotein,RBP)的作用都有可能对ceRNA构成的调控网络产生重要的影响。

2.1ceRNA、miRNA和MRE的数量ceRNA和miRNA的表达水平会影响ceRNA网络的交互作用。当总的转录物数量远远超过miRNA数量时,整体的ceRNA关系很弱,因为只有数量有限的miRNA起抑制作用。相反,当miRNA的数量远大于ceRNA分子数量时,交互作用不太可能发生,因为转录物都处于被抑制的状态。因此,交互调节可能发生在一个所有ceRNA和miRNA数量在近似数量级的网络中。Kumar等利用RNA-seq分析得到HMGA2和TGFBR3的转录物表达水平相似,并且共同结合的let-7家族成员的总表达水平与HMGA2和TGFBR3的表达水平在一个数量级,这进一步用实验证明最佳的ceRNA对话可能发生在miRNA与ceRNA转录物丰度一致的情况下。此外ceRNA间共同的MRE数量也会影响ceRNA调节。为了验证这一假设,Ala等[44]构建了一个实验模型:该模型由10个ceRNA和10个miRNA共同组成,但并不是所有的ceRNA都能被这10个miRNA作用。研究发现,当增加其中某一个特定ceRNA表达时,含有更多MRE的RNA表达会显著上升,而对于不含有共同MRE的其他RNA则几乎没有作用。由此说明单个RNA所含MRE的数量也可能决定其在ceRNA调控网络中的作用。

2.23′UTR的变化目前对于ceRNA的研究主要是基于miRNA作用于RNA的3′UTR而引发的分子间竞争所导致的相互调控。因此,RNA分子3′UTR的变化会影响ceRNA调控。研究发现,RNA剪接和聚腺苷酸化这两个过程会影响RNA的3′UTR。RNA的剪接会影响分子的稳定性也会减少或增加3′UTR上miRNA的结合位点,聚腺苷酸化常使编码基因转录出更短的3′UTR。对于3′UTR变短的转录物,一方面,直接靶向它的miRNA会减少;另一方面,它作为ceRNA调节其他转录物的能力也将减弱。Mayr等在研究中发现,3′UTR变短的转录物上一些miRNA的结合位点消失。miRNA既可以使mRNA降解,也可以抑制mRNA的翻译。在不同组织和基因间的实验发现,3′UTR变短的转录物的稳定性更强,并且编码更多的蛋白质。因此,无论是3′UTR上序列的变化还是长度的变化,都可能影响ceRNA发挥其功能。

2.3RBP与miRNA间的相互影响RBP在许多转录后过程中起着重要作用,包括影响RNA剪接、稳定性、转运和翻译。RNA间除了相互竞争共同的miRNA,也可能竞争共同的RBP。这两个调节过程可能不是分开的,它们之间也存在着内在的联系[17]。RBP不仅与miRNA通过竞争或合作结合特异性位点影响它们靶向的mRNA表达,还可能由于RBP的结合导致RNA二级结构的改变,从而改变了miRNA的结合位点。由于RBPHuR发现得较早,在这方面的研究较多。研究发现RBPHuR和miRNA之间的竞争通常能增强基因的表达,如HuR分别与miR-122、miR-548c、miR-494、miR-16和miR-331-3p竞争结合阳离子氨基酸转运蛋白1、拓扑异构酶Ⅱα(TopoisomeraseIIalpha,TOP2A)、核仁素(Nucleolin,NCL)、环氧合酶-2(Cyclooxygenase-2,COX2)和ERBB2的mRNA,抑制相应miRNA作用于这些mRNA,从而促进mRNA合成;而HuR和miRNA间的结合通常降低它们靶向mRNA的表达,如HuR能作用C-MYCmRNA3′UTR,上调其表达,但当HuR与let-7的RNA诱导的沉默复合体(RNA-inducedsilencingcomplex,RISC)作用时,会抑制C-MYC的表达[56]。上述研究说明,RBP可能通过与miRNA相互影响,进而在ceRNA网络产生影响。

3结语

目前ceRNA的研究仍然处于起步阶段,每种ceRNA的类型如假基因转录物、lncRNA、circRNA等的研究例子都较少。一方面需要发现更多类型的ceRNA,另一方面需要探索ceRNA交叉对话是否是一个普遍的、大型的RNA转录调控网络[17]。ceRNA的预测是限制其研究的主要影响因素,改进预测策略将有助于发现更多的ceRNA。与紫外交联免疫沉淀高通量测序(High-throughputsequencingofRNAisolatedbycrosslinkingimmunoprecipitation,HITS-CLIP)和光激活性增强的核糖核苷交和免疫共沉淀(Photoactivatable-ribonucleoside-enhancedcrosslinkingandimmunoprecipitation,PAR-CLIP)等一些新的技术结合将优化在全基因组范围内预测ceRNA。另外,如果ceRNA的预测不局限在典型的转录物3′UTR的MRE,也能提高ceRNA的预测范围。最近研究表明,miRNA的调节作用并不限制在转录物的3′UTR,也可能在转录物的编码区或5′UTR。此外,目前对ceRNA的研究都在两个RNA之间,而越来越多的研究表明ceRNA交叉对话是一个大型的调控网络。除了直接通过共有的miRNA引起的相互作用,非直接的相互作用对ceRNA调控也可能产生深远的影响。未来对ceRNA的研究应该不局限于发现二元ceRNA交互作用,也应该分析潜在的交织的miRNA与ceRNA网络。虽然目前对ceRNA网络的研究还不够成熟,但RNA-miRNA-RNA作为一个新的、在转录后水平以竞争性内源的调节方式调控基因的机制,可应用于生物学过程的系统研究,为疾病的研究和治疗提供新方法。

作者:李静秋杨杰周平乐燕萍龚朝辉单位:宁波大学医学院生物化学与分子生物学研究所浙江省病理生理学技术研究重点实验室

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