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ceRNA:從全新的視角研究轉(zhuǎn)錄組(調(diào)控相關(guān)——lncRNA(學(xué)習(xí)總結(jié)))

佚名 2024-06-02 11:53:47

ceRNA:從全新的視角研究轉(zhuǎn)錄組

2016年09月15日訊 當(dāng)我們談到基因表達(dá)

,自然離不開microRNA(miRNA)
。這一類小小的非編碼RNA通過與mRNA目標(biāo)結(jié)合
,抑制其翻譯成蛋白質(zhì),從而在胚胎發(fā)育
、細(xì)胞分化以及器官形成等過程中發(fā)揮重要作用
。然而,事情并非如此簡單
。單個mRNA可能受到多個miRNA的調(diào)控
,而單個miRNA能夠調(diào)控多個mRNA
。mRNA與miRNA之間的串?dāng)_(crosstalk)是如此復(fù)雜
,又如此迷人,引無數(shù)學(xué)者競折腰

miRNA爭奪戰(zhàn)

2011年,哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的著名癌癥遺傳學(xué)家Pier Paolo Pandolfi教授在《Cell》雜志上提出假說

,認(rèn)為不同類型的RNA分子會爭相與miRNA結(jié)合,從而減少miRNA對其mRNA目標(biāo)的抑制作用1

換句話說,當(dāng)沒有競爭性的轉(zhuǎn)錄本存在時(shí)

,miRNA可能抑制翻譯或增強(qiáng)mRNA的降解。當(dāng)競爭性內(nèi)源RNA(ceRNA)上調(diào)時(shí)
,ceRNA爭先恐后地與共同的miRNA結(jié)合,導(dǎo)致mRNA翻譯的增加2

這些競爭性內(nèi)源RNA可能包括各種類型的RNA轉(zhuǎn)錄本,比如環(huán)狀RNA(circRNA)

、長鏈非編碼RNA(lncRNA)、假基因以及蛋白編碼mRNA
。它們通過miRNA應(yīng)答元件(MRE)介導(dǎo)的“語言”來競爭miRNA。根據(jù)假說
,享有共同MRE的編碼和非編碼RNA轉(zhuǎn)錄本能夠彼此積極地溝通,調(diào)節(jié)各自的表達(dá)水平

自首次提出以來

,Pier Paolo Pandolfi的假說就引起了科學(xué)界的轟動
。當(dāng)然,一些研究也對這一理論提出了質(zhì)疑
。在一篇近期發(fā)表于《Nature Review Genetics》的文章中
,澳大利亞Garvan醫(yī)學(xué)研究所的研究人員全面評估了支持和反對ceRNA假說的各項(xiàng)證據(jù)
,以評估內(nèi)源性miRNA海綿的影響3

分子機(jī)制

mRNA

、假基因
、lncRNA和circRNA都可以充當(dāng)ceRNA
,阻止miRNA與蛋白編碼mRNA的相互作用。因此
,這些ceRNA也能在ceRNA網(wǎng)絡(luò)中彼此調(diào)節(jié)
。這種串?dāng)_的強(qiáng)度是由多個條件決定的
,包括miRNA和目標(biāo)的相對水平、miRNA結(jié)合位點(diǎn)的數(shù)量
,以及miRNA與目標(biāo)或ceRNA結(jié)合的強(qiáng)度。

mRNA作為ceRNA

。在目前驗(yàn)證過的ceRNA中,大多數(shù)是mRNA
,它們能夠競爭miRNA的結(jié)合,從而調(diào)控基因表達(dá)
。對于磷酸酶和張力蛋白同源基因(PTEN),一個推定的ceRNA是鋅指E盒結(jié)合同源框2(ZEB2)mRNA
。研究證明,ZEB2 mRNA能夠隔離共享的miRNA而調(diào)控PTEN的表達(dá)
。在人類黑色素瘤中
,ZEB2表達(dá)的減弱導(dǎo)致抑癌基因PTEN被抑制
。總之
,蛋白編碼轉(zhuǎn)錄本和編碼基因的3’ UTR可能作為miRNA的內(nèi)源性誘餌,從而調(diào)控miRNA的目標(biāo)
,發(fā)揮重要的生物活性。

lncRNA作為ceRNA

。隨著lncRNA的數(shù)量不斷增加,越來越多的研究也開始關(guān)注lncRNA在表觀遺傳機(jī)制及其他生物學(xué)過程中的作用
。作為天然的miRNA誘餌,lncRNA有望在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控水平充當(dāng)ceRNA
。比如,肌肉特異的lncRNA LINCMD1通過與miR-133和miR-135結(jié)合
,調(diào)節(jié)了肌肉分化。這些miRNA通常負(fù)向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子MAML1和MEF2C的表達(dá)
。因此,LINCMD1作為miRNA誘餌
,激活了MAML1和MEF2C。

假基因作為ceRNA

。在轉(zhuǎn)錄組中,假基因也占了相當(dāng)大的比例
。測序顯示,假基因內(nèi)的核苷酸序列得到了很好的保留
,這表明可能存在選擇壓力來維持這些遺傳元件。假基因沒有內(nèi)含子,但與其祖先基因共享了5’和3’ UTR
。過表達(dá)和RNAi實(shí)驗(yàn)證實(shí),假基因PTENP1在轉(zhuǎn)錄后通過共享的miRNA調(diào)節(jié)了PTEN的表達(dá)
。不過,目前只有極少數(shù)假基因經(jīng)過了功能驗(yàn)證
,還需要更多的證據(jù)來支持

circRNA作為ceRNA。到目前為止

,研究最多的circRNA是性別決定Y(SRY)基因產(chǎn)生的,但這些環(huán)狀RNA的生物學(xué)功能還不清楚
。最近,SRY被確定為miR-138的海綿
,具有ceRNA活性,表明這些環(huán)狀RNA可能在RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用
。circRNA已在多種類型的組織中被鑒定出,它們耐受RNase R的處理
,且半衰期比線性RNA轉(zhuǎn)錄本更長。因此,具有ceRNA活性的circRNA可能是串?dāng)_中的有效調(diào)節(jié)劑

ceRNA與癌癥

其他研究已經(jīng)證明,ceRNA通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵癌基因或抑癌基因的表達(dá)

,在癌癥發(fā)病中扮演重要的角色。

廣東醫(yī)學(xué)院的研究人員2015年在《Oncology Letters》上回顧了近期的研究

,表明ceRNA在癌癥發(fā)展中起作用4。例如
,編碼RNA和非編碼RNA(如lncRNA和假基因轉(zhuǎn)錄本)都可以充當(dāng)ceRNA,誘導(dǎo)細(xì)胞增殖失控。

CDC42是一個參與細(xì)胞周期的基因

,它抑制增殖、集落形成和腫瘤生長
。有人推測
,CD44 mRNA和CDC42 mRNA競相與miRNA結(jié)合
。在上皮性卵巢癌中
,CD44的表達(dá)上調(diào)讓CDC42 mRNA從抑制中釋放出來
,從而導(dǎo)致結(jié)果向好的方向發(fā)展
。與此相反
,在Burkitt淋巴瘤、神經(jīng)母細(xì)胞瘤和前列腺癌中
,CD44表達(dá)的下降伴隨著致癌轉(zhuǎn)化

同樣地

,HMGA2已被證明通過兩種機(jī)制促進(jìn)肺癌形成:作為蛋白編碼基因和非編碼RNA
。HMGA2在轉(zhuǎn)移性肺腺癌中高表達(dá)
,它促進(jìn)了癌癥發(fā)生和轉(zhuǎn)移
。另外
,HMGA2通過與TGF-β共受體TGFβR3爭奪let-7,也促進(jìn)了肺癌形成
。let-7激活了參與肺癌發(fā)展的TGF-β信號通路。

此外

,ceRNA也在細(xì)胞生長和增殖中發(fā)揮作用。例如
,假基因PTENP1與PTEN競爭miRNA的結(jié)合,調(diào)節(jié)了特定miRNA目標(biāo)的去阻遏
。PTENP1的缺失使得PTEN-miRNA結(jié)合增加
,降低了PTEN的翻譯,從而導(dǎo)致腫瘤抑制功能減弱
。PTENP1基因組拷貝數(shù)丟失的存在也支持了PTENP1是腫瘤抑制基因的假說。

調(diào)控相關(guān)——lncRNA(學(xué)習(xí)總結(jié))

lncRNA現(xiàn)在這么紅并非沒有道理

,它憑著自身強(qiáng)大而獨(dú)特的調(diào)節(jié)功能而撐起了細(xì)胞生命領(lǐng)域里的半邊天,而近年來與其相關(guān)的下游機(jī)制研究也是層出不窮
。 lncRNA下游調(diào)節(jié)機(jī)制雖說是錯綜復(fù)雜,但通常離不了基因
、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后
、翻譯、翻譯后這五個層次


1. 就基因水平而言,lncRNA與DNA甲基化間有著千絲萬縷的關(guān)系
。 而這種模型常見于lncRNA和甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMT1、3等)結(jié)合
,并將該酶定位至基因的啟動子(CpG島)以及甲基化,進(jìn)而抑制基因轉(zhuǎn)錄


(ps.這一部分跟我之前看的m6A的書可以聯(lián)系上)

此外
,位于核內(nèi)的lncRNA還可直接結(jié)合DNA序列
,抑制轉(zhuǎn)錄過程
;又或者結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子
、RNA聚合酶復(fù)合物以及通過組蛋白修飾來影響轉(zhuǎn)錄過程。 (組蛋白修飾可以作為單獨(dú)一門學(xué)科來研究)

而且lncRNA不僅能在核內(nèi)大展拳腳
,因著自由穿梭核內(nèi)外的這份特性,它在胞漿內(nèi)也是鋒芒畢露
。且不說大家耳熟能詳?shù)腸eRNA
,lncRNA還可通過mRNA的可變剪切
、定位以及穩(wěn)定性,來影響細(xì)胞內(nèi)生理功能的行使


2.另外, lncRNA也會促進(jìn)pri-miRNA剪切
,甚至有時(shí)其自身就親自客串為miRNA的前體
,在被剪切為miRNA后
,來抑制靶基因mRNA的表達(dá)水平。常言道
,技多不壓身,一路開掛的lncRNA也順道插手了蛋白翻譯過程
,要么結(jié)合mRNA 5’UTR,促進(jìn)翻譯;要么結(jié)合特定蛋白
,靶向mRNA,抑制翻譯
;要么仰仗著sORF翻譯多肽來自產(chǎn)自銷


lncRNA如此全能,也讓蛋白質(zhì)心癢不已
。兩者一拍即合,蛋白質(zhì)的磷酸化修飾
、定位等都在lncRNA的影響下有條不紊的進(jìn)行著


盡管以上種種就是lncRNA發(fā)揮功能的十八般武藝,但仍要謹(jǐn)記貪多嚼不爛
,小伙伴們只需依據(jù)lncRNA的亞細(xì)胞定位(與調(diào)節(jié)功能有關(guān))擇其一認(rèn)真練之,就必然會有所收獲


1.定位核內(nèi),先考慮附近100萬bp內(nèi)的基因表達(dá)是否有影響
,有則為cis-順式作用;反之
,為trans-反式調(diào)控基因
,就可依據(jù)RNA pulldown篩選與lncRNA結(jié)合的蛋白


2.定位胞漿內(nèi)
,若結(jié)合RNA
,首選ceRNA
;若結(jié)合蛋白,則可考慮mRNA可變剪切
、穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)基因翻譯以及蛋白修飾等機(jī)制


3.而就lncRNA分子機(jī)制研究的總體而言
,始終是有兩個主要策略貫徹其中。

1.? 以非編碼RNA為對象入手
,這是非編碼RNA研究的常規(guī)套路。 從不同刺激或處理的轉(zhuǎn)錄組或表達(dá)組入手
,先通過差異倍數(shù)和顯著性,及非編碼RNA的基因組定位信息等篩選功能性候選RNA分子
;再通過正反功能以及細(xì)胞-動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次驗(yàn)證。

該策略穩(wěn)定可靠
,風(fēng)險(xiǎn)性較小,而難點(diǎn)在于后期分子機(jī)制的研究上
,若只涉及明星通路及相關(guān)蛋白,則是探討了lncRNA的間接分子機(jī)制
;但要想將文章拔高檔次,還需以RNA-pulldown
,RIP,ChIRP等實(shí)驗(yàn)技術(shù)確定lncRNA相互作用分子以及作用結(jié)合位點(diǎn)
,來挖掘lncRNA的直接分子機(jī)制


2.? 從某一個分子作用模式入手
,恰恰反其道而行之。 先靶向一個重要的蛋白分子
,比如信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子、酶類或者轉(zhuǎn)錄因子等
;或者一個細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)
,如線粒體
、外泌體等,通過RIP-seq或者RNA-seq檢測其結(jié)合的或者包含的RNA
,按照富集的倍數(shù)和顯著性篩選候選RNA分子,后面通過siRNA或者高表達(dá)的方法篩選功能RNA


該策略從課題設(shè)計(jì)開始就有著明確指向的功能分子機(jī)制,在后續(xù)的分子機(jī)制研究中比較方便展開
;但難點(diǎn)是前期如何做好RIP-seq和細(xì)胞亞結(jié)構(gòu)的有效分離
,這是后續(xù)實(shí)驗(yàn)可靠性和可行性的重要保障


兩種策略在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上有部分重疊,但也有各自獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)需求或數(shù)據(jù)分析策略
。 不同策略適應(yīng)于不同的課題和實(shí)驗(yàn)室背景
,在選擇的時(shí)候可以根據(jù)課題特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室技術(shù)體系進(jìn)行取舍。當(dāng)然
,兩種策略也可以同時(shí)應(yīng)用,相得益彰
,相互作證
,起到更好驗(yàn)證效果


插入我十分珍藏的一張RNA之間的互作關(guān)系來收尾

再附贈多組學(xué)RNA研究的文章一篇:

https://doi.org/10.1155/2020/1618527

這篇帖子以解螺旋一篇文章作為框架,為表尊重
,附上鏈接? ? https://www.sohu.com/a/206407974_170798

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