前言：本站為你精心整理了天然反義轉錄物生物學功能及意義范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

隨著基因表達加帽分析技術(CAGE),基因表達序列分析技術(SAGE)以及cDNA的大規(guī)模平行測序等高通量技術方法的發(fā)展,證實NATs在原核和真核基因組中是普遍存在的。在植物和動物基因組中,7%~30%的基因中存在NATs[12](表1)。在人和小鼠轉錄基因組中高達72%的轉錄本有反義RNA[10,13]。而且,很多NAT的數(shù)據(jù)庫也已經(jīng)建立起來了[4]。NATs長度通常在100到幾千個堿基對。根據(jù)來源,NATs通?？梢苑譃閮深?順式NATs(cis-NATs)和反式NATs(trans-NATs)[14]。cis-NATs與trans-NATs的主要區(qū)別在于轉錄來源。cis-NATs轉錄自靶基因的基因座的反鏈DNA,而trans-NATs轉錄自不同的基因座。因此,cis-NAT與靶基因序列完全互補(二者基因重疊),而trans-NAT由于不完全互補可以作用于許多不同的正義轉錄物,形成復雜的調(diào)控網(wǎng)絡[15]。cis-NATs最早是在病毒中檢測到的[16],接著在原核生物[17]以及真核生物[18]中相繼發(fā)現(xiàn)。根據(jù)基因相對方位和重疊程度,cis-NATs分為頭對頭(5′到5′)、尾對尾(3′到3′)、完全重疊以及非重疊NATs[13,19](圖1)。絕大多數(shù)基因組層次上的研究表明:尾對尾是最普遍的方式[4]。根據(jù)互補區(qū)域的編碼潛能,NATs可以分為編碼—編碼、編碼—非編碼和非編碼—非編碼三類[11,14]。

NATs作用方式

NATs在生理以及病理過程中起重要作用,作用機理包括:基因組印記(genomicimprinting)、選擇性剪切、X染色體失活、mRNA穩(wěn)定性維持、翻譯調(diào)節(jié)、RNA輸出、DNA甲基化以及組蛋白修飾等[20]?；蚪M印記是一種是由親本來源不同而導致等位基因表達差異的一種表遺傳現(xiàn)象。這類印記基因約占基因組基因的1%,是哺乳動物和顯花植物的獨特現(xiàn)象。大部分印記基因都分布在印記基因簇內(nèi),其中包含大量的非編碼RNA基因[21]。NATs還參與發(fā)育過程調(diào)控,對各種應激的適應和對病毒感染的響應[22]。NATs通過直接的反義–正義RNA相互作用,或通過編碼與正義RNAs共表達的蛋白來調(diào)節(jié)正義轉錄物,從而調(diào)控正義RNAs的編碼潛能[23]。反義轉錄物對正義轉錄物的影響表現(xiàn)在以下兩個方面[24]:(1)不一致調(diào)節(jié)或反饋調(diào)節(jié),反義轉錄物通過負性調(diào)節(jié)方式沉默或抑制同源正義RNAs或蛋白質;(2)一致調(diào)節(jié)或正反饋調(diào)節(jié),正義和反義轉錄物共表達,反義轉錄物增加了正義RNAs水平或相應蛋白質水平[25]。

負反饋調(diào)節(jié)負反饋調(diào)節(jié)指反義轉錄物濃度下降導致正義轉錄濃度增加(圖2)。例如在某些情況下為了刺激新生血管形成[26],通過G蛋白偶聯(lián)受體CD97靶向其編碼的反義配基DDX39最終獲得增強的信號[4]。P15(CDKN2B)是一個腫瘤抑制因子,與正常淋巴細胞相比,白血病淋巴細胞含有較高濃度的p15反義轉錄物,但是p15本身濃度卻很低,提示在白血病中p15與其反義轉錄物水平呈負相關[25]。這些結果提示,NATs的上調(diào)也許與腫瘤抑制基因非正常沉默密切相關,NATs可能通過相似方式又影響了其他基因。

正反饋調(diào)節(jié)正反饋調(diào)節(jié)方式是指:①單獨靶向反義RNA導致正義mRNA下調(diào);或②反義RNA和正義RNA同時下調(diào),從而使常規(guī)的正義基因表達被附帶或協(xié)同下調(diào)(圖2)。轉錄因子Nkx2.2在神經(jīng)干細胞分化成寡樹突膠質細胞系中起重要定向作用。研究表明,Nkx2.2的NAT過表達促進Nkx2.2mRNA水平適度增加,并增強了神經(jīng)干細胞向寡樹突膠質細胞系的分化的潛能[27]。參與對低氧分壓的適應的缺氧誘導因子(HIF-1)是一個異二聚體轉錄因子,其亞基HIF-1a在非乳頭狀透明細胞腎腫瘤中高表達,同時HIF-1a的NAT表達也上調(diào)[28]。Wrap53是p53的反義轉錄RNA,它可以靶向5′非翻譯區(qū),從mRNA和蛋白水平上增加內(nèi)源性p53表達[29]。Liu等[30]發(fā)現(xiàn)了幾個在早期成骨細胞分化中的NATs,這些NATs增強了干擾素誘導跨膜蛋白5(IFITM5)的表達和成骨細胞分化。鑒于這些正反饋調(diào)節(jié),NATs被認為可能是一個潛在的治療多種疾病的藥物靶點。

NATs作用機制

NATs可能通過直接的與正義轉錄物相互作用,或通過對mRNA轉錄、突變、運輸和翻譯等靶點的影響來調(diào)節(jié)基因表達[20,27]。NATs的調(diào)節(jié)作用以雙鏈RNAs為基礎,其作用機制包括RNA編輯[31]、RNA干擾[32]、RNA封閉[33]和轉錄干擾[34]等。在某種生理刺激下,NAT的啟動子也有一些轉錄因子結合位點[35],一些NATs和他們相應的正義轉錄物有可能互相競爭結合相同的轉錄因子,提示NATs和他們的正義轉錄物能共表達或成反比表達[36]。此外,DNA甲基化和/或組蛋白修飾也參與了基因表達調(diào)節(jié)[37]。因此,NATs與DNA甲基化和組蛋白修飾之間可能存在直接的聯(lián)系。

RNA編輯靶向核編碼RNA和病毒RNA雙鏈區(qū)域的腺嘌呤脫氨酶(ADARs)是一類RNA編輯酶。這些酶在神經(jīng)系統(tǒng)中含量豐富,可通過改變mRNA中的密碼子,使基因組中編碼信息多樣化。ADARs在已知底物中的功能提示這些酶通過多種方式微調(diào)和優(yōu)化很多生物通路。

RNA干擾反義RNA能夠影響mRNA生物轉化的最早期過程,包括調(diào)控染色體結構,轉錄起始和剪切等。在血管平滑肌細胞中,RNA干擾介導的一氧化氮合酶反義mRNA(sONE)的下調(diào)增加了內(nèi)源性一氧化氮合酶(eNOS)的表達。內(nèi)皮細胞中,過表達的sONE削弱了eNOS表達。結果提示,sONE參與了轉錄后eNOS的調(diào)節(jié)[27]。

RNA封閉RNA封閉就是由于反義RNA與正義RNA配對形成雙鏈,封閉了正義轉錄物(pre-mRNA)的剪切位點,使pre-mRNA發(fā)生選擇性剪接改變,或抑制了反式作用因子與pre-mRNA結合,最終導致靶mRNA運輸、翻譯抑制或降解。

轉錄干擾轉錄干擾是由于NATs在轉錄時,正義—反義RNAs雙鏈(dsRNAs)上的兩個RNA聚合酶Ⅱ發(fā)生聚集碰撞而引起的。在簡單的真核生物中,例如釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae),在基因及其調(diào)控元件之間由于相互擠壓碰撞而產(chǎn)生的轉錄干擾是不可避免的[34]。

DNA甲基化DNA甲基化發(fā)生在CpG島,并且通過頭甲基化酶(DNMTs),例如DNMT3A和DNMT3B來甲基化[38]。Dnmt1以半甲基化DNA為底物來維持DNA甲基化。腫瘤的表觀遺傳標志物在總體基因組DNA中低甲基化,而在腫瘤抑癌基因中超甲基化[39]。但是,起始和協(xié)助DNA甲基化的機制還很不清楚。Imamura等[40]報道鞘氨醇激酶1(Sphk1)的NAT過表達誘導CpG島去甲基化,而在正義鏈3′非CpG位點重新甲基化。在遺傳性地中海貧血中血紅蛋白a2(HBA2)能指導CpG島甲基化[41]。NAT介導的CG去甲基化和非CG甲基化提示這可能是表觀遺傳的一個新機制[10]。

組蛋白修飾組蛋白修飾包括甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化、小泛素相關修飾和糖基化。不同修飾方式相結合導致基因活化或基因抑制[42-43]。組蛋白乙?；图谆苍S對DNA修復和基因轉錄有直接的影響。通常,組蛋白乙?；D移酶(HACs)和組蛋白去乙?；D移酶(HDACs)介導的組蛋白乙酰化是一個基因活化的標志[39,44]。組蛋白甲基化由組蛋白甲基化轉移酶和去甲基化轉移酶調(diào)節(jié)。組蛋白H3第4位賴氨酸(H3K4)的單、雙和三甲基化與轉錄活化密切相關,然而組蛋白H3第9位賴氨酸(H3K9)的雙和三甲基化與轉錄抑制密切相關[45]。而且,組蛋白H3第20位賴氨酸甲基化與轉錄也密切相關[46]。Xist基因與X染色體失活有著密切關系,在啟動子區(qū)域,Xist基因反義轉錄物Tsix通過募集組蛋白修飾蛋白復合物可以使Xist失活[47]。在H3K4細胞中P15的反義轉錄物通過增加H3K9的二甲基化和減少H3K4二甲基化來下調(diào)P15。在啟動子區(qū),正義和反義轉錄物之間的雙向結構的形成可能直接或間接的促進或抑制組蛋白–修飾蛋白復合物的結合。因此,NATs和組蛋白修飾之間的相互作用也為表觀遺傳學提供了新的機制。NATs和DNA甲基化,NATs和組蛋白修飾以及DNA甲基化與組蛋白修飾之間的密切關系均已被發(fā)現(xiàn)。在基因啟動子區(qū)CpG島的超甲基化引起了局部組蛋白的去乙?；?。H3K4的去甲基化與啟動子甲基化相關,然而低乙?；T導了DNA甲基化[48]。因此,在基因調(diào)節(jié)過程中,不同種類的表觀遺傳修飾緊密聯(lián)系而且協(xié)同作用。

NATs與疾病

NATs與腫瘤據(jù)報道在腫瘤中,大部分基因組發(fā)生了去甲基化,轉錄噪音增加可能引起反義轉錄物產(chǎn)生,反義轉錄物進而影響關鍵抑癌基因功能,最終導致腫瘤惡性轉化。Orfanelli等[49]在黑素瘤TRPM2位點發(fā)現(xiàn)一種新型的正義TRPM2-TE和反義轉錄物TRPM2-AS。在黑素瘤中TRPM2-TE和TRPM2-AS表達上調(diào),而且他們的活化與CpG島甲基化狀態(tài)有關。TRPM2-TE敲除和野生型TRPM2一樣增加了黑素瘤對凋亡和壞死的易感性。缺氧誘導因子1(HIF-1)的一個反義轉錄物aHIF已經(jīng)被證明在正常人組織中廣泛表達[50],在腎癌中由于vhl基因突變引起aHIF永久性的過表達[28]。此外,在乳腺癌中aHIF過表達,且aHIF表達水平與腫瘤預后呈負相關[28,51]。在永生化的淋巴細胞系中低氧可以誘導aHIF產(chǎn)生[28],表明HIF-1的反義轉錄物aHIF與HIF-1a共同參與了代謝調(diào)控通路。Survivin是一個新型的凋亡抑制劑,在腫瘤細胞中表達,而在正常成熟組織中不表達,被認為是一種很有潛力的抗腫瘤治療的靶點。在一種人來源的結腸癌細胞系中,誘導survivin的一個NATs效應細胞蛋白酶受體(EPR-1),導致survivin表達下調(diào),同時引起細胞增殖減慢,凋亡增加,對抗腫瘤制劑敏感性也增加。此外,EPR-1可使皮下腫瘤尺寸顯著減小,如果與抗腫瘤藥物聯(lián)合使用這種效應會增強。這些結果提示,通過誘導EPR-1cDNA來調(diào)節(jié)survivin也許是一種非常有潛力的治療結腸癌的方法[52]。Ca-paccioli等[53]發(fā)現(xiàn)了一個bcl-2/IgH的反義轉錄物下調(diào)了人濾泡淋巴瘤細胞系t(14;18)DOHH2中bcl-2基因表達。

NATs與人類其它疾病與目前廣泛應用的沉默基因或改造在mRNA剪接方式等方法相比,體內(nèi)特異性基因的上調(diào)是基因治療的可望而不可及的目標。Modarresi[54]及其同事成功上調(diào)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達。他們通過抑制BDNF的一個NAT來阻斷寡核苷酸向小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運輸,從而抑制了BDNF水平,這將是大量神經(jīng)退行性疾病治療的一個重要靶點,如果采用小分子或microRNA抑制劑,有可能導致不相干基因活化。亨丁頓舞蹈癥(Huntington’sdisease,HD)是一種漸進性的神經(jīng)退化疾病,是由亨丁頓(HTT)基因外顯子的一個CAG重復擴增而引起。Chung等[55]鑒定出HTT反義RNA(HTTAS),即一個在HD重復序列位點的NAT,HTTAS從4個選擇性位的起始轉錄,在HD大腦組織中發(fā)現(xiàn)2個HTTAS剪切異構體。幾乎所有的人類遺傳疾病均是由于個別幾個相關基因或調(diào)控序列的突變而引起的。Tufarelli等[56]研究發(fā)現(xiàn),在轉基因模型小鼠以及分化的干細胞中,RNA反義轉錄物介導相關CpG島的沉默和甲基化。這些發(fā)現(xiàn)提出了一個人類遺傳性疾病發(fā)生的新機制。

總結與展望

綜上所述,哺乳動物NATs的主要特點如下[24]:(1)NATs比以前假設的種類更多;(2)NATs代表一種基因調(diào)節(jié)現(xiàn)象;(3)NATs更普遍的是代表非編碼RNA;(4)NATs以順式(與相應正義轉錄物在相同位點)或反式(與相應正義轉錄物相隔一段距離)形式出現(xiàn);(5)只有很少數(shù)NATs功能被注釋;(6)有一些NAT參與生理或病理功能調(diào)節(jié);(7)NAT可能是一類潛在的新興藥物靶點,可以使正義基因和/或轉錄物上調(diào)或下調(diào)。NATs是一類調(diào)節(jié)RNAs,在mRNA和/或蛋白水平上,對正義轉錄物起重要調(diào)節(jié)作用[8]。通過正義—反義雙向結構的形成,NAT以正反饋或負反饋方式調(diào)節(jié)正義轉錄物。在正反饋調(diào)節(jié)中,通過上調(diào)腫瘤抑制基因NATs來再活化異常沉默的腫瘤抑制基因。相反,在正反饋調(diào)節(jié)中,過度表達的原癌基因可以被下調(diào)的NATs沉默。對不能耐受化療藥物毒性的患者來說,NATs可能是另一種新型的治療方法。而且,在腫瘤組織中NATs的表達水平與正常組中不同。因此,NATs可以作為監(jiān)測腫瘤發(fā)展的分子標志物。表觀遺傳的改變是可逆的,并且在疾病的發(fā)生和發(fā)展中逐漸引起了重視。表觀遺傳治療也被認為是最有前景的治療方法之一[57]。最近,兩類抑制DNA甲基化或組蛋白乙酰化的表觀遺傳藥物已經(jīng)被研制,包括DNMT抑制劑(例如,5-氮雜胞苷和地西他濱),HDACs抑制劑(曲古菌素A,異羥肟酸),部分藥物已經(jīng)應用與臨床[58-59]。但最近研究表明,一些患者不能耐受藥物毒性。因此,探尋其他有前景的藥物是必須的。調(diào)節(jié)RNAs在表觀遺傳過程中起重要作用,這為藥物設計策略提供了新的未來。很多調(diào)節(jié)RNAs對蛋白編碼基因敏感[60]。

自從最初直接將反義轉錄物作為新興藥物候選靶點迄今已20余年了,很多研究相繼采用小分子、反義寡核苷酸、核酶或寡核苷酸適配子等,重點瞄準mRNAs。在歐洲一些反義藥物已經(jīng)進入臨床試驗階段。福米韋生(Vitravene)是第一個被美國FDA批準的反義藥物,用于艾滋病人視網(wǎng)膜炎的治療[61]。G3139是Bcl-2的反義寡核苷酸,能從mRNA和蛋白水平上下調(diào)Bcl-2表達。G3139已經(jīng)應用于人類疾病臨床三期試驗[62]。NATs是細胞中內(nèi)源性的轉錄物,且廣泛存在,不僅以有效的和特異的方式調(diào)節(jié)其相應關正義轉錄物而且副作用小,在體內(nèi)幾乎沒有毒性。NATs可能是一種豐富的生物分子資源,可用于表觀遺傳學,在未來有潛在的診斷和治療價值[60]。

作者：騫愛榮李迪杰商澎單位：西北工業(yè)大學生命學院,西北工業(yè)大學特殊環(huán)境生物物理學研究所空間生物實驗模擬技術國防重點學科實驗室