只有ceRNA？一文说清楚lncRNA多种经典的调控机制 | lncRNA专题
本期专题将围绕lncRNA的调控机制展开，主要介绍lncRNA参与转录前调控、lincRNA参与转录调控 、lncRNA参与转录后调控这三个方面的内容。
快来和小编一起开启学习模式吧~
lncRNA的调控
1) 编码蛋白的基因上游启动子区（橙色）转录，干扰下游基因（蓝色）的表达；
2) 抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因（蓝色）的表达；
3) 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链（紫色），干扰mRNA的剪切，形成不同的剪切形式；
4) 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链（紫色），在Dicer酶的作用下产生内源性siRNA；
5) 与特定蛋白质结合，lncRNA转录本（绿色）可调节相应蛋白的活性；
6) 作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；
7) 结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；
8) 作为小分子RNA（如miRNA、piRNA）的前体分子。
2
调控机制
对转录事件发生之前的准备阶段进行调控，主要指对染色质开放或关闭状态的调控。染色质的状态由表观修饰因子（本质上是蛋白质）决定：富含H3K4me3、H3K36me3及组蛋白乙酰化等激活型组蛋白修饰的为开放状态；富含H3K9me3、H3K27me3、H4K20me3及DNA甲基化等抑制型组蛋白修饰的为关闭状态。lncRNA的其中一部分区域与DNA结合，然后其他部分折叠成高级结构，与表观因子结合，从而影响转录。
常见的转录后修饰是lncRNA通过调节DNA甲基化或羟甲基化，以及组蛋白乙酰化或甲基化作用，从而调控下游分子的转录。
2.1.1 lncRNA调控组蛋白修饰
组蛋白乙酰化
组蛋白乙酰化修饰是表观遗传学研究的重要组成部分之一，与基因活化密切相关。组蛋白乙酰化水平增高有利于降低组蛋白与DNA 之间的亲和作用，使染色质核小体结构松散，利于转录因子与DNA 结合继而促进相应基因的转录和表达，而乙酰化水平降低则发挥相反的作用。其中，组蛋白H3( histone 3，H3) 和组蛋白H4( histone 4，H4) 氨基末端的赖氨酸残基乙酰化修饰对转录尤为重要。组蛋白乙酰化修饰由组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶( histone deacetylase，HDAC) 共同调控。
组蛋白甲基化
参考文献：[组蛋白甲基化]Long Noncoding RNA TARID Directs Demethylation and Activation of the Tumor Suppressor TCF21 via GADD45A
在癌细胞中，TCF21和TARID的启动子通常都是超甲基化的，甲基化TCF21隐藏了RNAP II 和 H3K4me3的活力。lncRNA-TARID与GADD45A结合，募集TET、TDG、BER通过碱基剪切修复使得TCF21启动子区去甲基化。从而使TCF21得以表达。
2.1.2 lncRNA调控DNA甲基化修饰
DNA胞嘧啶甲基化是一种重要的维持基因组完整性和调控基因表达的表观遗传修饰相对于在哺乳动物中的DNA甲基化过程，植物中的DNA甲基化机制更加复杂。植物中DNA甲基化主要是通过RNA干扰导致基因转录沉默的过程完成该过程。在哺乳动物中研究人员发现lncRNA能够招募DNA甲基转移酶Dnmt1，Dnmt3a，Dnmt3b到其靶基因的启动子上，从而在该lncRNA对应的靶基因上完成甲基化功能。
研究人员在小鼠的骨骼肌干细胞向成肌细胞分化过程中发现一类lncRNA能够招募甲基转移酶Dnmt1，Dnmt3a和Dnmt3b到其靶基因上，导致靶基因的甲基化从而调控其靶基因的表达。LncRNA-Dum是小鼠骨骼肌成肌细胞中发育和多能性相关蛋白2（Dppa2）基因上游的转录产物，可由MyoD诱导转录。研究发现lncRNA-Dum能够启动成肌细胞分化，Dum可以顺式调控它的临近的基因Dppa2的沉默。基于此基础上，研究人员提出了小鼠中lncRNA介导的DNA甲基化模型:在小鼠成肌细胞分化时会产生一类蛋白MyoD可以诱导Dppa2基因上游转录产生lncRNA-Dum，Dum结合到其下游靶基因Dppa2上，随后Dum招募DNA甲基转移酶Dnmt1，Dnmt3a，Dnmt3b到Dppa2基因的启动子上，并激活Dnmt1，Dnmt3a，Dnmt3b的活性，在Dppa2基因启动子上的CpG位点添加甲基，从而导致基因Dppa2基因的沉默。
2.2 lincRNA参与转录调控转录调控是指对转录过程的调控。这里讨论的是RNA pol II参与的II类启动子的转录。转录过程分为起始(Initiation)、延伸(Elongation)和终止(Termination) 3个过程。
转录起始过程是RNA pol II在核心转录因子(TBP、TFIIB、TFIIE、TFIIF等)帮助下与核心启动子结合，DNA局部解旋，合成9nt的RNA，由于RNA pol II的C末端结构域(C terminal domain，CTD)磷酸化水平很低，因此转录暂停。
转录延伸过程是结合于增强子序列的转录因子(Transcription factors，TFs)使RNA pol II的CTD高度磷酸化，转录过程迅速延伸(磷酸化水平决定延伸速度)。
转录终止过程是poly A信号位点AATAAA(或ATTAAA)被转录为AAUAAA(或AUUAAA)的RNA序列后，延伸复合体里面的转录终止因子CSTF (切割刺激因子，Cleavage stimulation factor)和CPSF (切割及多聚腺苷酸化特异因子，Cleavage and polyadenylation specificity factor)迅速与AAUAAA(或AUUAAA)结合，并在其之后11-50nt处切断RNA，然后催化末端加上一串的A (大家可以观察一下mRNA序列，一般在AATAAA(或ATTAAA)之后11-50nt后出现一连串的A)。RNA被切断后转录活性下降，再加上polyA信号位点AATAAA(或ATTAAA)之后的序列富含T或GT，很容易导致延伸复合体解散。
2.2.1 lncRNA的增强子活性
LncRNA具有促进增强子环化和激活基因表达的功能。在没有成环的情况下（左上）增强子处于非活性状态。模型一：链接因子、转录因子、桥接因子等与增强子和转录起始序列成环形。lncRNA诱导靶基因的转录与表达。模型二：lncRNA诱导链接因子、转录因子、桥接因子结合到靶基因周围，诱导靶基因的转录与表达。
2.2.2 lncRNA调控绝缘子功能
Lefevre等的研究表明，LINoCR (脂多糖诱导的lncRNA，lipopolysaccharide inducible non-coding RNA)在脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)诱导鸡溶菌酶(Lysozyme，LYZ)表达的过程中，起到关键作用。正常情况下，LYZ上游绝缘子结合CTCF（CCCTC结合因子），进而募集粘性蛋白，抑制增强子的功能，LYZ处于沉默状态；加入LPS诱导后，LINoCR转录，导致绝缘子不再与CTCF结合，解除了绝缘子对增强子的抑制作用，激活LYZ的表达。
2.2.3lncRNA的转录干扰功能
LncRNA可调控邻近基因的转录。LncRNA的自身转录会干扰其邻近编码蛋白的基因的转录。上游lncRNA转录时，会穿越邻近靶基因的启动子区，干扰了转录因子与靶基因的启动子结合，从而抑制靶基因的转录，如在酵母中，SER3基因转录会受到上游lncRNA基因SRG1的转录的影响。
2.2.4 lncRNA控制转录因子
LncRNA能够与转录因子相互作用调控基因转录。LncRNA可招募转录调节因子至靶基因的启动子区，调节靶基因转录。例如，细胞周期蛋白D1基因(cyclinD1，CCND1)的5'端调控序列在辐射等DNA损伤信号下转录生成一种lncRNA。这个lncRNA可募集RNA结合蛋白-脂肪肉瘤易位(translocatedinliposarcoma,TLS)到CCND1启动子区，然后与环磷酸腺苷应答元件结合蛋白的结合蛋白(cAMPresponseelementbindingprotein-bindingprotein,CBP)和组蛋白乙酰转移酶P300结合，并抑制这两个蛋白的活性，进而抑制CCND1基因的表达[转录因子1]；
lncRNA还能调节转录因子的活性，例如胚腹前脑-2(embryonicventralforebrain-1,Evf-2)这个由位于远端缺失同源异形盒-5/6(distal-lesshomeobox-5/6，Dlx-5/6)基因间的一个超保守增强子转录出的3.8kb的lncRNA。Evf2能够与转录因子Dlx2形成转录复合体从而增强Dlx-5/6的表达[转录因子2]
2.3.1lncRNA参与可变剪切调控
lncRNA 不但在转录调控中发挥作用, 而且是mRNA 前体剪接的调控因子。果蝇中的热休克RNAω-n(Heat shock RNA ω-n，hsrω-n)和人类中的卫星Ⅲ(Satellite Ⅲ, sat Ⅲ )重复序列的转录物通过隔离剪接因子调控mRNA 前体的剪接。另一种被称为肺腺癌转移相关转录物1(Metastasis-associated in lungadenocarcinoma transcript 1， MALAT1)的lncRNA 已被发现在多种癌症中异常表达, 它由其初级转录物的3端加工而来, 主要位于剪接斑点(Splicing speckle)。它与丝氨酸/精氨酸(Serine/arginine， SR)剪接因子相互作用, 并调控剪接因子在剪接斑点中的分布和磷酸化水平, 从而改变mRNA 前体的选择性剪接模式(下图)。Bernard 等发现，MALAT1 在神经元中是高表达的, 它通过调控SR 剪接因子影响突触形成相关基因的表达。此外, MALAT1 还与剪接因子反式激活应答DNA 结合蛋白-43(Transactive response DNAbinding protein-43, TDP-43)相互作用, 影响mRNA前体的选择性剪接。
2.3.2 lncRNA介导RNA降解
lncRNA可介导mRNA的降解，mRNA的丰度直接影响蛋白质的产量，其中介导mRNA降解的重要途径为无义介导的mRNA降解(Nonsense-mediatedmRNAdecay,NMD)。例如，一种被称为半Stau1结合位点RNA(Half-Stau1-bindingsiteRNA,1/2-sbsRNA)的lncRNA可通过与靶mRNA的3'-UTR的Alu元件形成不完全互补配对，形成Stau1的结合位点，促进Stau1与mRNA结合，进而导致mRNA的降解。
2.3.3 lncRNA参与RNA稳定性调控
BACE1-AS是与BACE1（β-淀粉样蛋白前体裂解酶1，beta-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1）部分互补的lncRNA，阿尔茨海默病患者的BACE1-AS水平高于正常人。BACE1-AS能与BACE1形成RNA双螺旋结构，从而增加了BACE1的稳定性，促使APP（淀粉样蛋白前体，amyloid precursor protein）降解为Aβ 1-42（淀粉样蛋白β 1-42 ，amyloid-β 1-42)），Aβ 1-42则通过正反馈机制促进BACE1-AS转录，从而最终导致Aβ 1-42沉积，引起阿尔茨海默病。
lncRNA需了解的概念都在这了，包括命名、翻译潜能、实验方法等 | lncRNA专题
lncRNA LINREP通过m6A修饰招募PTBP1_HuR复合物促进胶质母细胞瘤的进展|m6A专题
还在玩ceRNA机制？反义lncRNA通过稳定动力蛋白复合物促癌 | lncRNA专题
还在玩ceRNA机制？细胞核内lncRNA与DNA互作影响转录因子及下游基因表达 | lncRNA专题
点击下方图片进入云平台资料汇总：
所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由