Cell綜述深度解讀lncRNAs的奧秘!既保守又不保守!

2020年5月28日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登在國際雜誌Cell上題為「The Secret Life of lncRNAs： Conserved， yet Not Conserved」的綜述報告中，來自日本RIKEN綜合醫學科學中心的科學家們論述了lncRNAs的奧秘。此前研究人員Guo等人發現了lncRNA進化的一個新的層面，在人類胚胎幹細胞中處於保守位置的lncRNAs會被廣泛剪接並輸出到細胞質中，而在小鼠中其主要是未剪接且能保留細胞核，因此，獨特的加工過程會導致在多能性維持中出現物種特異性的lncRNA功能。

圖片來源：Harshita Sharma，et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012

大多數的非編碼RNAs（lncRNAs）都會快速進化，正如最近研究人員對哺乳動物和非哺乳動物lncRNAs的比較研究中回顧的那樣，儘管如此，成千上萬的哺乳動物lncRNAs在序列或基因組位置及啟動子水平上都處於保守狀態，此外，其功能還會受到亞細胞定位的影響，因為lncRNAs能在細胞核和細胞質中形成複雜的調節網絡，從而調節多種細胞過程，儘管如此，對lncRNA的處理和功能的種間比較分析在很大程度上並未得到探索，這篇綜述文章中，研究人員就報告發現，一組在人類胚胎幹細胞中表達保守的lncRNAs與小鼠胚胎幹細胞中的lncRNAs在加工方式上或許並不相同，從而就導致了不同的亞細胞定位和功能，研究者識別出了122個序列保守和229個位置保守的lncRNAs，其在小鼠胚胎幹細胞中（mESCs）相比人類胚胎幹細胞（hESCs）更傾向於保守，相反，hESCs的lncRNAs會被更頻繁地剪接，從而就會導致細胞質輸出和定位的偏好，這在某種程度上是預期發生的，因為剪接和mRNA的輸出之間存在一定的相關性。

多種lncRNAs往往會參與幹細胞多能性的維持和細胞命運的決策，為了能夠篩選功能，研究者敲除了mESCs和hESCs細胞質中最重要的lncRNA同源物，其中就包括FOXD3反義轉錄物1（FAST），讓研究人員驚訝的是，儘管小鼠FAST（mFAST）的敲除並未對mESCs產生影響，但人類FAST（hFAST）的敲除則會特異性地改變多潛能標誌物基因OCT4和NANOG，並能夠改變WNT靶向基因的表達，這就揭示了其在hESCs中多潛能維持中扮演的關鍵角色。為了理解其中的調節性機制，研究人員分析了攜帶WNT信號通路蛋白的FAST同源物，結果發現，hFAST能通過5個RNA莖環結構與E3 泛素連接酶b-TrCP上的WD-40重複結合，hFAST與b-TrCP的結合就會阻斷b-連環蛋白被蛋白酶體所降解，從而就會激活WNT信號，並且維持細胞的多能狀態。特定的順式和反式調節元件會影響lncRNA的加工和亞細胞定位，研究者表示，hFAST和mFAST的差異化處理和輸出受到了剪接因子肽基脯氨醯異構酶E（PPIE）的調節，PPIE在mESCs中要比hESCs中表達地多，而且其會抑制mFAST的剪接及運輸到細胞質中。

儘管hFAST和mFAST之間存在74%的基因組相似性，但mFAST的未剪接異構體（亞型）與未剪接的hFAST共享了超過16%的序列，即其第一個外顯子和內含子會匹配hFAST的第二個外顯子和內含子，這就提供了一個非常有趣的例子來揭示來自兩個物種的lncRNA轉錄物如何在基因組序列上表現出明顯差異。mFAST的剪接和未剪接亞型都無法在體外與b-TrCP相互作用，這就表明，RNA中的結構元件是特定相互作用的基礎；值得注意的是，恆河猴和食蟹猴ESCs中hFAST同源物在加工、細胞質輸出和功能上都表現出了一定的保守性。

圖片來源：Harshita Sharma，et al. Cell, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012

FAST與FOXD3相對應，後者是多能性維持所需要的轉錄因子，有意思的是，諸如H1等一些未分化的hESCs細胞系並不會表達FOXD3，這就表明，FAST能作為一種與附近蛋白編碼基因並不相關的非編碼RNA。多個幹細胞維持的lncRNAs包含嵌合的重複元件，其是關鍵的組分，能幫助定義lncRNA的定位和基因元件功能。那麼這些lncRNAs是否都具有重複元件或短保守基序所提供的一些結構相似性或功能結構域嗎？如果mFAST並不調節mESCs中的WNT信號，那麼或許有其它來自非同源基因座的調節lncRNAs，其可能會攜帶與hFAST相類似的功能基序。

考慮到參與剪接和RNA輸出的多個因素，研究人員就需要進行額外的RNA-RNA和RNA-蛋白質相互作用研究，同時結合RNA序列和結構數據來理解參與到機制發生過程中所有的元素，此外，相比其它細胞類型而言，ESCs也擁有非常特殊的轉錄組特徵，因此，對跨越多個細胞類型、組織及在體內系統中的保守lncRNAs種間加工進行分析就顯得非常重要了。

研究者表示，在保守的lncRNA加工和定位進化過程中，存在著尚未被發現的選擇；這或許就擴展了當前研究人員理解lncRNAs功能性進化的機制，後期研究人員還將繼續深入研究探索這種特殊的調節機制是否是lncRNA的一種共同特徵，而並不局限於靈長類動物或某些細胞類型。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

Harshita Sharma，Piero Carninci. The Secret Life of lncRNAs: Conserved, yet Not Conserved, Cell, 30 April 2020, Pages 512-514, doi:10.1016/j.cell.2020.04.012