美國白頭研究所科學家鑑定出保守的長鏈插入性非編碼RNA(long intervening noncoding RNA, lincRNA)在斑馬魚胚胎大腦發育中發揮著關鍵作用。他們也證實人lincRNA版本能夠替換斑馬魚lincRNA版本,這暗示這些非編碼RNA的功能在人身上也保持著。2011年12月23日,這些研究發現發表在《細胞》期刊上。
在此之前,人們對lincRNA的研究主要是在細胞系上而不是在有機體層次開展的,這就排除了lincRNA如何影響生長和發育方面的研究。
白頭研究所成員David Bartel,也是霍華德-休斯醫學研究所的研究人員和麻省理工學院生物學教授,他說,「這些研究表明斑馬魚---一種經常用於研究動物發育的遺傳學的模式動物---能夠作為一種研究工具系統性地揭示lincRNA的功能。這是另一起在斑馬魚中的研究結果可能也適用於人的事例。」
人細胞轉錄的RNA只有少量作為表達蛋白的模板。其他的RNA被稱作非編碼RNA(non-coding RNAs, ncRNAs),它們位於編碼蛋白的基因之間,長度不小於200個鹼基的ncRNAs稱作lincRNAs。
儘管它們在細胞中大量存在,lincRNA一直被認為是所有轉錄的RNA中的「暗物質」,因為人們對它們的功能或作用機制知之甚少,研究這類RNA的一個限制就是它們在不同物種之間存在較低的序列類似性。不像在物種之間經常保守的編碼蛋白的基因,lincRNA基因通常在物種之間存在極其很少的保守性DNA序列。這種保守性的缺乏使得在親緣關係較近的物種之間鑑定出相關的lincRNA存在困難,而在親緣關係較遠的物種之間則是不可能的。比如,Bartel實驗室科學家Igor Ulitsky和Alena Shkumatava在斑馬魚中鑑定出500多種lincRNAs,但是發現只有20種在人和小鼠中都存在同源物。
Ulitsky和Shkumatava在這項研究中測試了這29種lincRNA中兩種的功能,所採用的方法就是在斑馬魚胚胎中抑制這兩種lincRNA。抑制這兩種lincRNA對斑馬魚的大腦發育發揮著顯著性的作用。降低這兩種lincRNA之一的他們稱作cyrano的lincRNA導致斑馬魚擁有擴大的鼻子,小的頭和眼睛,短且捲曲的尾巴,而缺乏他們稱作megamind的lincRNA的斑馬魚有著異常形狀的頭和擴大的腦室。
為了測試cyrano和megamind這兩種lincRNA的人同源物是否為功能性同等的, Shkumatava注射人lincRNA版本到基因抑制的斑馬魚中。令人注目的是,人lincRNA挽救了斑馬魚,恢復了大腦發育和大腦大小,表明人lincRNA可能像它們的斑馬魚同源物一樣在胚胎發育中存在同樣作用。
美國國家衛生研究院國家綜合醫學科學研究所負責監管RNA加工和功能方面的資金的Michael Bender說,「這篇研究代表著一次主要的進展,因為它提供研究lincRNA---一類人們知之甚少但又大量存在的分子---的方法。研究發現人lincRNA在胚胎發育上的作用似乎非常類似於它們的斑馬魚同等物,這就意味著這種方法將在理解lincRNA在哺乳動物上發揮的作用提供非常有價值的啟示。」
白頭山研究成員Hazel Sive與Bartel及其他的實驗室成員合作,利用斑馬魚研究大腦發育和與自閉症相關聯的基因突變。Sive說,「斑馬魚是發現基因工作機制的一種極好的和易使用的系統。」
Ulitsky說,「我們人類與斑馬魚共享這小部分古老和奇特的基因,而且它們的功能在斑馬魚和人中得到保持。我們能夠在斑馬魚中破壞它們,然後用人基因去替換它們,至少在我們研究的lincRNA上,人基因發揮作用從而恢復斑馬魚正確發育。」Shkumatava說,「由於lincRNA在斑馬魚和人之間存在的這種功能保守性,我們正將斑馬魚作為一種新的脊椎動物研究工具,能夠用來揭示其他lincRNA的功能。」(生物谷:towersimper編譯)
Conserved Function of lincRNAs in Vertebrate Embryonic Development despite Rapid Sequence Evolution
Igor Ulitsky, Alena Shkumatava, Calvin H. Jan, Hazel Sive, David P. Bartel
Thousands of long intervening noncoding RNAs (lincRNAs) have been identified in mammals. To better understand the evolution and functions of these enigmatic RNAs, we used chromatin marks, poly(A)-site mapping and RNA-Seq data to identify more than 550 distinct lincRNAs in zebrafish. Although these shared many characteristics with mammalian lincRNAs, only 29 had detectable sequence similarity with putative mammalian orthologs, typically restricted to a single short region of high conservation. Other lincRNAs had conserved genomic locations without detectable sequence conservation. Antisense reagents targeting conserved regions of two zebrafish lincRNAs caused developmental defects. Reagents targeting splice sites caused the same defects and were rescued by adding either the mature lincRNA or its human or mouse ortholog. Our study provides a roadmap for identification and analysis of lincRNAs in model organisms and shows that lincRNAs play crucial biological roles during embryonic development with functionality conserved despite limited sequence conservation.