【盤點】非編碼RNA與人類疾病關聯性亮點研究

人類基因組計劃揭示人基因組中有30億個鹼基對，其中1.5%能夠編碼蛋白質，98.5%是非蛋白質編碼基因，這些基因序列一度被認為是垃圾基因。然而隨後的ENCODE計劃表明，大約75%的人類基因組能被轉錄成RNAs，當中74%是非蛋白編碼RNA（ncRNAs）。

隨著基因組學和生物信息學的發展，尤其是高通量測序技術的大量應用，科學家發現了越來越多的非蛋白編碼的轉錄單元（即非編碼RNA，ncRNAs），長非編碼RNA在許多重要的生物進程中都起著重要作用，在哺乳動物早期發育過程中lncRNA能調節多種細胞中的基因表達，癌細胞中lncRNAs的改變也被發現與腫瘤形成、發展和轉移密切相關，近期的研究還發現，非編碼RNA，尤其是microRNA參與了炎症反應的發展，它們對穩定和維持一些細胞類型的基因表型特徵十分重要。miRNAs和lncRNAs還直接調控DNA損傷反應過程的細胞進展，miRNAs參與了細胞對DNA損傷的幾乎所有方面，包括，DNA損傷感知，損傷信號轉導，受損DNA修復，激活細胞周期檢查點和誘導細胞凋亡。

生物谷小編盤點了一下2015年非編碼RNA與疾病的關聯性研究進展。

【1】肝癌發生發展過程中的長鏈非編碼RNA功能研究

在2014腫瘤轉化醫學研討會上，孫教授就「肝癌發生發展過程中的長鏈非編碼RNA功能研究」做了精彩演講。

孫樹漢教授現任第二軍醫大學醫學遺傳學教研室主任，「遺傳學」國家重點學科主任，全軍醫學分子遺傳學重點實驗室主任，第二軍醫大學遺傳研究所所長。孫教授的演講視頻已上傳至行雲學院供交流學習。

原發性肝細胞癌（以下簡稱肝癌，Hepatocellular carcinoma，HCC）是我國常見惡性腫瘤之一。進一步探索研究新基因的功能與肝癌發生、發展的關係，對揭示肝癌發生、發展的精確分子機制、設計合理的治療藥物及判斷預後， 進一步提高我國肝癌的治療水平具有重要意義。

【2】從心臟病到癌症——長非編碼RNA到底發揮了什麼作用？

直到近幾年才發現人類基因的70%是非編碼RNA，非編碼RNA不能翻譯為蛋白質，但仍在人體中發揮重要作用。Stefanie Dimmeler是首批發現一個microRNA亞群在血管再生中發揮重要作用的研究人員之一，她最近獲得了歐洲研究委員會（ERC）的ERC高級研究員資助，這使她能夠對另一群非編碼RNA進行相關研究。Stefanie Dimmeler相信這一群非編碼RNA在心臟病，中風和癌症發生中扮演了重要角色。

"如果你問我人類在進化發育過程中有什麼特別的，我會說特別之處就在於存在超過30，000個非編碼RNA，並且大部分的非編碼RNA只在人類和靈長類動物之間存在。" Stefanie Dimmeler說道。從她研究的心血管再生角度來講，心血管疾病如動脈硬化只在人類中以特定形式存在，有許多因子，如長非編碼RNA，能夠對這些疾病進行調控，它們可以通過影響血管內層的內皮細胞幫助器官和組織提供氧氣和營養。

【3】長非編碼RNA調控大腸癌代謝

長非編碼RNA（lncRNA)通常不像正常的RNA一樣編碼蛋白。然而，它們在調節細胞功能方面確實起到了一定的作用，這引起了癌症研究者們的興趣。

德州大學MD安德森癌症中心的科學家們發現，一種名為CCAT2的特殊lncRNA在體內和體外對癌症代謝均有調節作用。這些數據在費城4月20日舉行的2015AACR年會上有所報導。

"能量代謝的變化是癌症的一個標誌，因為惡性細胞可以調節它們的代謝通路來滿足它們的能量需求。"實驗療法的教授George Calin博士說。"在我們的研究中，我們發現，CCAT2以一種等位基因特異性方式調節癌症代謝，這種方式與一種已知的大腸癌相關風險因子相匹配。這項研究的新穎性在於，發現了癌症代謝及lncRNAs對其調節的複雜機制。

【4】中國科大發現新型非編碼RNA

最近，中國科學技術大學單革教授實驗室在國際知名雜誌《自然-結構和分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)發表研究性論文，報導了其實驗室發現的一類新型非編碼RNA以及此類非編碼RNA的功能和功能機理。

非編碼RNA是一大類不編碼蛋白質而在細胞中起著調控作用的RNA分子。單革教授實驗室發現了一類新型的環狀非編碼RNA，在這類環狀RNA中，內含子沒有被除去、而是被保留在環形RNA當中，因此這類RNA被作者命名為外顯子-內含子環形RNA（EIciRNA）。該文研究了外顯子-內含子環形RNA的功能，發現此類非編碼RNA可以調控其自身所在的基因的表達。進一步的研究表明，外顯子-內含子環形RNA是通過招募U1小RNA蛋白複合物（U1 snRNP）來促進基因轉錄的起始。

【5】JCI：促發兒童骨腫瘤的非編碼RNA

尤文氏肉瘤是骨或其周圍軟組織癌症，主要影響兒童和年輕成人。尤文氏肉瘤的特點是易位事件的發生，即RNA結合蛋白——EWS與轉錄因子如FLI1的融合。

以前的研究工作表明，該融合蛋白EWS-FLI1通過改變基因表達，促進癌症，但融合蛋白作用的靶基因是未知的。

發表在Journal of Clinical Investigation雜誌上的最新研究表明，一種長鏈非編碼RNA即尤因肉瘤相關轉錄物1（EWSAT1）是融合蛋白的一個重要作用靶標。

史丹福大學Alejandro Sweet-Cordero為首的科研團隊，確定了尤文氏肉瘤兒童癌細胞EWSAT1的表達增加。此外，他們發現，這種非編碼RNA對於癌細胞的生長是重要的，並與EWS-FLI1下遊的幾種基因相關聯。

【6】用CRISPR揭示非編碼RNA的秘密

目前許多非編碼RNA的具體功能和作用機制還鮮為人知。美國麻省理工的副教授盧冠達(Timothy Lu)在七月十六日的Molecular Cell雜誌上發表文章，闡述了一項最新技術在非編碼RNA研究領域的應用前景。盧冠達(Timothy Lu)博士是生物工程、電子工程及計算機科學系的副教授，這位青年科學家曾被麻省理工的百年期刊《技術評論》評為世界青年科技創新家。

這篇文章介紹了一個以CRISPR-Cas9為基礎的基因組靶向技術，CRISPR-Display (CRISP-Disp)。這一技術是John Rinn博士開發的，能將大片段的非編碼RNA送到指定基因組位點。Rinn博士曾被評為2009年美國國內撼動科學界的青年英才，是RNA領域的著名青年科學家。

文章指出，目前CRISP-Disp還需要進一步測試，明確它用於各種人工和天然非編碼RNA時的局限。這一技術將成為一個廣泛適用的研究工具，幫助人們將非編碼RNA帶到特定的基因組位點，在那裡實現各種各樣的功能。

【7】科學家解析癌症與非編碼RNA

來自上海交通大學附屬瑞金醫院的研究人員在新研究中證實，一種叫做ZFAS1的長鏈非編碼RNA(lncRNA)編碼基因發生擴增促進了肝細胞癌（HCC）轉移。這一研究發現發表在6月11日的《癌症研究》（Cancer Research）雜誌上。

在這篇新文章中研究人員報告稱利用公開的晶片數據在體內外實驗中全面評估了促成HCC的lncRNAs。他們發現了一種lncRNA的編碼基因ZFAS1在HCC中頻繁擴增，其與肝內和肝外轉移及肝癌預後不良有關聯。通過結合miR-150破壞它的腫瘤抑制功能，ZFAS1在肝癌進展中發揮癌基因作用。研究人員證實，miR-150可通過抑制ZEB1和基質金屬蛋白酶MMP14與MMP16來阻遏肝癌細胞侵襲。與之相反，ZFAS1則可抑制miR-150的這些效應，促進ZEB1、MMP14和MMP16表達。

這些研究結果確立了ZFAS1在肝癌轉移進程中的作用，表明它可以作為一個新的候選預後生物標記物以及臨床治療肝癌的一個潛在靶點。

【8】非編碼RNA不編碼嗎？

來自德克薩斯大學西南醫學中心的Eric Olson和同事們在分析梳理肌肉特異性的長鏈非編碼RNAs(lncRNAs)以了解它們的功能時，發現了一種在骨骼肌中特異性表達的lncRNA。儘管這一RNA以往被歸類為是非編碼RNA，它的序列中包含的一小段卻看上去好像一個編碼區域。這一研究發現發布在《細胞》（Cell）雜誌上。

lncRNAs是一類轉錄本長度超過200nt的RNA分子，缺少特異完整的開放閱讀框，無蛋白質編碼功能的RNA，在總非編碼RNA(ncRNA)中佔有相當大的比例。lncRNA起初被認為是基因組轉錄的「噪音」，不具有生物學功能。然而，近年來的研究表明，實際上lncRNA以RNA的形式在多種層面上（表觀遺傳調控、轉錄調控以及轉錄後調控等）調控了基因的表達水平。但直到現在人們還普遍認為lncRNA不會編碼任何蛋白質。

研究人員證實在體內這一lncRNA編碼了一個包含46個胺基酸的微肽，他們將之命名為myoregulin。Myoregulin形成了在結構上與表達於心肌和慢收縮骨骼肌中的另外兩種小蛋白：phospholamban (PLN)和sarcolipin (SLN)相似的一種跨膜α-螺旋。

【9】科學家解析癌症中的非編碼RNA

來自第二軍醫大學、復旦大學和中科院的研究人員利用Arraystar LncRNA晶片發現，一種叫做DANCR的長鏈非編碼RNA通過解除對CTNNB1的抑制增強了肝癌的乾性特徵。該研究成果刊登在國際權威雜誌Hepatology。

在這篇新文章中研究人員報告稱利用全基因組分析鑑別出了一種與腫瘤相關的lncRNA——DANCR。他們在來自中國和韓國的兩個肝癌組群（n = 135 和223）中分析了DANCR的表達水平和DANCR的預後意義。通過人為地調節DANCR（降低表達和過表達），探究了DANCR在腫瘤發生和定植中所起的作用，並採用荷瘤小鼠確定了治療效應。

研究人員發現，lncRNA-DANCR在幹細胞樣肝癌細胞中過表達，這可以作為肝癌患者的一個預後生物標記物。一些實驗表明，DANCR顯著增強了肝癌細胞的乾性特徵，促進了腫瘤形成以及肝內外腫瘤定植。與之相反，抑制DANCR可以削弱幹細胞特性，在體內幹擾DANCR的作用可導致腫瘤細胞活力降低、腫瘤縮小，並改善小鼠存活率。

此外，他們還發現DANCR的作用很大程度上依賴於與CTNNB1結合併對其進行調控。DANCR結合CTNNB1阻止了miR-214、miR-320a和miR-199a對CTNNB1的抑制效應。隨後他們在體內證實了這一觀察發現，揭示出了一個涉及lncRNAs、mRNAs和microRNAs的新腫瘤形成機制。

【10】調控癌症幹細胞的非編碼RNA

來自中科院生物物理研究所的研究人員在新研究中證實，一種叫做lncTCF7的長鏈非編碼RNA通過激活Wnt信號促進了人類肝癌幹細胞自我更新。這一重要的研究發現發表在4月2日的《細胞幹細胞》（Cell Stem Cell）雜誌上。

在這篇文章中研究人員報告稱利用轉錄組晶片進行分析，他們鑑別出了一種叫做lncTCF7的長鏈非編碼RNA在肝癌腫瘤和肝癌幹細胞中高水平表達。LncTCF7是肝癌幹細胞自我更新和腫瘤增殖的必要條件。機制研究證實，lncTCF7將SWI/SNF複合物招募至TCF7啟動子處調控了它的表達，導致了Wnt信號激活。這些數據表明，lncTCF7介導Wnt信號促進了肝癌幹細胞自我更新和腫瘤增殖。

新研究鑑別出了一條基於lncRNA、提高肝癌幹細胞致癌活性的Wnt信號調控迴路，突顯了lncRNAs在腫瘤生長和增殖中的重要作用。

【11】癌症中的非編碼RNA

非編碼RNA（尤其是microRNA）是眾多細胞過程的關鍵調控子，與發育和癌症進程密切相關。本期Science Signaling雜誌通過專題「Noncoding RNAs in cancer」，介紹了這類分子的生理和病理學功能。發現哺乳動物基因組中的非編碼RNA，不僅揭示了一類新的生物學調控分子，也促使人們反思細胞生物學中相關理論。非編碼RNA主要包括長非編碼RNA（lncRNA）和microRNAs（miRNA），它們可以調節轉錄因子的表達、指導染色質的重組和修飾、減少mRNA的翻譯對基因表達進行控制。非編碼RNA對維持細胞內穩態非常關鍵，在疾病特別是癌症中起到了重要的作用。

lncRNA與癌症與miRNA相比，人們對lncRNA的病理和生理功能還知之甚少。中山大學陳月琴教授通過一篇綜述文章，介紹了lncRNA在造血作用和血細胞信號傳導中的作用。文章指出，lncRNA有望成為診斷和預後指標（甚至治療靶標），幫助人們診治白血病和其他血液疾病。（原文：Potential Pathological and Functional Links Between Long Noncoding RNAs and Hematopoiesis）在面對電離輻射時，DNA損傷應答（DDR）是保護基因組完整性的關鍵機制。此外，癌細胞也利用DDR抵抗臨床上常用的放療和基因毒性治療。Rashi-Elkeles等人對乳腺癌細胞進行了深度測序，在基因組和轉錄水平上鑑定與電離輻射應答有關的分子。研究顯示，lncRNA可以調控DDR中的核心轉錄改變。這一發現可以幫助人們更好的理解DDR調控，進而利用這一過程治療相關疾病。

【12】Nature Methods特輯：非編碼RNA

2015開年第一期《Nature Methods》雜誌除了評出2014年度技術以外，還對一些熱門技術進行了一番展望。在新的一年裡，非編碼RNA（ncRNA）將依然是人們矚目的焦點，預計會有更多分析ncRNA功能的新方法湧現出來。

不編碼蛋白質的RNA被稱為非編碼RNA（ncRNA）。從上世紀六十年代的tRNA、八十年代的rRNA、到九十年代的microRNA，ncRNA不斷刷新著人們對RNA重要性的認識。隨著RNA測序及其衍生技術（比如CaptureSeq）的出現，人們發現了更多種類的ncRNA，比如長度超過200nt且不具有開放閱讀框的lncRNA，以及源自啟動子、增強子等調控區域的短轉錄本。

人們逐漸意識到，包括環狀RNA（cRNA）、競爭性內源RNA（ceRNA）在內的一些短RNA是其他ncRNA的調控者，比如microRNA。不過，大部分ncRNA的功能至今還未能明確。

為了闡明lncRNA的作用，近年來人們進行了大量的努力和嘗試。舉例來說，elife雜誌上發表的一項研究通過多重敲除小鼠模型，展示了lincRNA對生命和大腦發育的必要性，為日後的大規模lncRNA功能研究奠定了基礎。

【13】一個lncRNA可能是成功受孕的關鍵

最近，日本理化研究所（RIKEN）RNA生物學實驗室的Shinichi Nakagawa及其同事發現，一個特別的長非編碼RNA（lncRNA），在某些情況下可能對於生育是至關重要的。相關研究結果最近發表在發育生物學國際著名期刊《Development》。

作為先前研究項目的一部分，Nakagawa及其研究小組製備了一種轉基因小鼠品系，它們在一個稱為Neat1的lncRNA其編碼基因上具有一個敲除突變。雖然大多數的lncRNA敲除沒有顯示明顯的效果，但研究人員在這些Neat1敲除雌性小鼠當中發現了很高的不孕率。所以他們打算進一步進行調查。

研究小組發現，大約一半的雌性基因敲除小鼠存在生育問題，要麼是不能懷孕，要麼是產出很小的幼崽。然而，出人意料的是，這種影響是隨機的。一些基因敲除小鼠似乎能正常懷孕，其他一些小鼠則總是不孕，而另外一些小鼠則只在有的時候可孕。Nakagawa說：「一隻特定的雌性小鼠可能正常懷孕一次，但是在下一次交配時，就不能懷孕。」

【14】lncRNA研究的利器

長非編碼RNA（lncRNA）是長達兩百個核苷酸以上的轉錄本，絕大多數位於細胞核內。雖然lncRNA沒有編碼任何蛋白質，但它們在不同組織和發育階段的表達依然具有特異性，這說明lncRNA具有重要的生物學意義。在測序技術的幫助下，人們已經發現了數千種lncRNA，但這些lncRNA的生物學功能依然還是個謎。

研究人員在這項研究中用ChIRP-MS分析了四種ncRNA，捕捉到了與它們發生互作的關鍵蛋白。Xist是X染色體失活（XCI）所必需的lncRNA。研究顯示，在X染色體失活的過程中，Xist lncRNA分兩步與多達81種蛋白結合，包括染色質修飾蛋白、細胞核基質蛋白、以及RNA重塑通路（RNA remodeling pathway）中的蛋白。舉例來說，蛋白HnrnpK參與了Xist介導的基因沉默和組蛋白修飾，蛋白Spen與基因沉默有關。這項研究為人們提供了一個研究非編碼RNA的有力工具，並由此展示了Xist lncRNA在X染色體失活中起到的具體作用。

【15】科學家揭示重要的lncRNA

Duke-NUS的研究團隊鑑定了調控棕色脂肪的關鍵lncRNA，為治療肥胖症提供了新的靶標。我們身體中存在著兩類顏色截然不同的脂肪細胞，白色脂肪和棕色脂肪。白色脂肪負責儲存多餘的熱能以備不時之需，棕色脂肪會燃燒脂肪將其轉變為熱量。人類的棕色脂肪曾被認為只存在於嬰兒時期，不過現在我們知道成年人也有棕色脂肪，它們可以加速代謝燃燒熱量。正因如此，棕色脂肪一直是肥胖研究的熱點。

【16】揭示lncRNA基因如何發揮沉默大威力

來自加州理工學院的研究人員發現了一類豐富的RNA基因——長鏈非編碼RNAs(lncRNAs)是如何調控一些關鍵基因的。通過研究一種叫做Xist的重要lncRNA，科學家們確定了這種RNA聚集一組蛋白質，最終阻止女性擁有一條額外的功能性X染色體的機制。在女性胚胎中多出一條功能性X染色體可以導致早期發育階段死亡。這是研究人員首次揭示出lncRNA基因的詳細作用機制。研究論文發表在4月27日的《自然》（Nature）雜誌上。

該研究的領導者、生物學助理教授Mitch Guttman說：「多年來，我們都只是將基因視作為是編碼蛋白質的DNA序列，而這些基因只佔大約1%的基因組。哺乳動物基因組還編碼了成千上萬的lncRNAs。諸如Xist一類的lncRNAs發揮著重要的結構作用，充當了支架——聚集並組織了參與基因表達和幹細胞分化等一些細胞和分子過程的關鍵蛋白。

【17】我國科學家揭示肝癌中的lncRNA

肝細胞癌（HCC）是原發性肝癌的主要類型， 也是惡性程度最高的腫瘤之一。作為全世界最常見的一種癌症類型，全球每年有超過50萬新患者，嚴重地危害著人們的身體健康。我國是肝癌高發國家，每年約有11萬人死於肝癌，其死亡率在我國十大惡性腫瘤的排名中已從第三位上升到第二位。儘管HCC的診斷和治療已經取得了一定的進展，但其預後情況仍然很差。

上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院的研究者對HCC進行了深入研究。他們在HCC中鑑定了一種長非編碼RNA（lncRNA），上調它會促進腫瘤轉移，導致預後情況差。這項研究發表在六月十五日的Oncogene雜誌上。

近年來人們發現，lncRNA在癌症中起到了至關重要的調控作用。研究人員用晶片檢測了在HCC和非腫瘤組織之間存在差異性表達的lncRNA，ZEB1-AS1就是其中之一。隨後研究人員在體外和體內實驗中分析了ZEB1-AS1對腫瘤發展的影響。（生物谷Bioon.com）

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相關會議：2015（第三屆）非編碼RNA學術研討會

會議官網：http://www.bioon.com/z/2015ncRNA/