Gene regulation in the immune system by long noncoding rNAs

通過長鏈非編碼RNA在免疫系統(tǒng)中進(jìn)行基因調(diào)節(jié)

期刊：Nature?Immunology；影響因子：21.809

發(fā)表單位：美國斯坦福大學(xué)     

    LncRNA可以與DNA，RNA，蛋白質(zhì)相互作用，發(fā)揮其調(diào)控功能。本研究對這幾種機制做一介紹。在我們研究lncRNA尋找機制時可以從多個角度分析，是哪種機制在發(fā)揮作用。一個細(xì)胞表型的變化涉及的多種分子，多個通路，lncRNA可能有多種機制共同作用調(diào)控該過程，當(dāng)然，我們研究時只需找到一個lnc，闡明一個機制，其他機制也是存在的。

    長鏈非編碼RNA（lncRNA）正在成為免疫系統(tǒng)中基因表達(dá)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。在本綜述中，我們關(guān)注lncRNAs用于調(diào)節(jié)編碼參與免疫應(yīng)答的產(chǎn)物的基因的機制，包括與染色質(zhì)，RNA和蛋白質(zhì)的直接相互作用。此外，我們還探討了lncRNA生物學(xué)的新領(lǐng)域，例如增強子RNA的功能，環(huán)狀RNA和細(xì)胞過程中RNA的化學(xué)修飾。我們強調(diào)lncRNA在免疫系統(tǒng)和自身免疫疾病中的作用的知識和未來前景中的關(guān)鍵差距。

    過去十年中轉(zhuǎn)錄組測序的進(jìn)展表明，超過70％的基因組被轉(zhuǎn)錄，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)錄的DNA編碼長鏈非編碼RNA（lncRNAs）。由于這些發(fā)現(xiàn)，注釋和功能分析的lncRNA目錄迅速擴大，一些研究估計人類基因組中存在超過58,000個lncRNAs。絕大多數(shù)lncRNA尚未進(jìn)行功能測試，許多可能只是轉(zhuǎn)錄'噪音'。盡管如此，許多l(xiāng)ncRNA在基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)中表現(xiàn)出不同的功能。

    非編碼RNA基于200個核苷酸的序列長度截止值被分類為短非編碼RNA或lncRNA。lncRNA進(jìn)一步分類為長基因間非編碼RNA（lincRNA），內(nèi)含子lncRNA，反義lncRNA和增強子RNA（eRNA），基于它們相對于編碼蛋白質(zhì)編碼mRNA和基因增強子調(diào)控元件的基因位點的位置。

    現(xiàn)在開始理解lncRNA的生物學(xué)功能，并且已經(jīng)在幾乎所有研究的生物系統(tǒng)中鑒定了lncRNA的關(guān)鍵作用。例如，已經(jīng)闡明了以下lncRNAS的基本功能：對于Xist，沉默X染色體；對于H19，在基因組印記；對于lincRNA-RoR，在胚胎干細(xì)胞（ESC）的分化中；對于HOTAIR，在乳腺癌轉(zhuǎn)移。令人驚訝的是，與其他類別的RNA分子不同，lncRNA似乎沒有主要的分子原型。相反，像蛋白質(zhì)支架一樣，lncRNA通過模塊化結(jié)構(gòu)域起作用，通過核酸堿基配對與DNA或RNA相互作用，或通過高級RNA結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)相互作用（圖1）。在許多情況下，轉(zhuǎn)錄lncRNA本身的行為可以通過染色質(zhì)可塑性的變化或靶基因啟動子的轉(zhuǎn)錄因子捕獲來發(fā)揮基因調(diào)節(jié)作用。

    迄今為止所描述的大多數(shù)lncRNA通過識別特定染色質(zhì)特征或作為RNA-DNA異源雙鏈體或RNA-DNA-DNA三鏈體，通過與靶DNA結(jié)合，調(diào)節(jié)順式（鄰近基因）或反式（遠(yuǎn)緣基因）中靶基因組基因座的轉(zhuǎn)錄而起作用。RNA可以通過Watson-Crick相互作用與雙鏈DNA形成堿基對（雙鏈體），或者通過插入具有序列特異性的雙鏈體結(jié)構(gòu)的主溝（三重體）與雙鏈DNA相互作用。例如，lncRNA可以與啟動子序列建立穩(wěn)定的雙鏈體，或者可以參與成纖維細(xì)胞中核糖體DNA啟動子的三鏈體結(jié)構(gòu)。lncRNA本身的轉(zhuǎn)錄可導(dǎo)致局部染色質(zhì)變化，這種變化不是由非編碼轉(zhuǎn)錄物介導(dǎo)的。在一項分析由12種lncRNA介導(dǎo)的局部基因調(diào)控機制的研究中，發(fā)現(xiàn)5種調(diào)節(jié)其鄰近基因在順式中的表達(dá)。然而，令人驚訝的是，這些順式調(diào)節(jié)劑中沒有一個需要lncRNA轉(zhuǎn)錄本身，而是依賴于與其轉(zhuǎn)錄相關(guān)的過程，包括lncRNA啟動子的增強子活性，轉(zhuǎn)錄或剪接lncRNA。

    幾類lncRNA通過RNA-RNA相互作用起作用。例如，EpsteinBarr病毒（EBV）非編碼RNA EBER2與來自潛在EBV基因組的末端重復(fù)（TR）基因座的新生轉(zhuǎn)錄物雜交，從而將轉(zhuǎn)錄因子PAX5募集至TR。PAX5的募集調(diào)節(jié)TR附近基因的表達(dá)，從而控制EBV35的裂解復(fù)制。RNA結(jié)合是circRNA調(diào)節(jié)基因表達(dá)的主要機制。到目前為止，研究已經(jīng)描述了通過circRNAs的RNA-RNA相互作用的兩個功能結(jié)果：通過直接堿基配對降低伴侶RNA轉(zhuǎn)錄物的可用性，特別是與miRNA的關(guān)聯(lián)；通過競爭轉(zhuǎn)錄機制減少了替代RNA轉(zhuǎn)錄本的轉(zhuǎn)錄。作為miRNA的“海綿”，circRNA可以從其功能基因靶標(biāo)中有效“滴定”miRNA。例如，circRNA ciRS-7含有70個miR-7結(jié)合位點，并通過'滴定'miR-7拷貝調(diào)節(jié)腦中期發(fā)育。ciRS-7完全抵抗miR-7介導(dǎo)的靶向去穩(wěn)定化，因此強烈抑制miR-7的活性并導(dǎo)致miR-7靶標(biāo)的豐度增加。類似地，在睪丸中發(fā)現(xiàn)的circRNASry充當(dāng)miR-138的海綿，證實了已發(fā)現(xiàn)的Sry的環(huán)化抑制miR-138靶標(biāo)轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)?？傮w而言，circRNA缺乏5'和3'末端導(dǎo)致比線性RNA更穩(wěn)定，并且表明lncRNA可通過堿基配對相互作用和其二級結(jié)構(gòu)的修飾在時間上影響基因表達(dá)。

    單個lncRNA可含有多個結(jié)合DNA，RNA或蛋白質(zhì)的模塊結(jié)構(gòu)域。也就是說，lncRNA能夠協(xié)調(diào)各種類型的大分子的活性。lncRNA功能的主要機制是DNA結(jié)合和蛋白質(zhì)相互作用的模塊化配對，以招募染色質(zhì)修飾蛋白，通過組蛋白的化學(xué)修飾調(diào)節(jié)基因調(diào)控。例如，Xist通過放置抑制性組蛋白修飾來結(jié)合Polycombrepresive復(fù)合物以使無活性的X染色體沉默。類似地，lncRNA HOTTIP通過與銜接子WDR5結(jié)合來維持基因轉(zhuǎn)錄，所述銜接子WDR5是MLL組蛋白H3Lys4（H3K4）-甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物的核心亞基。HOTTIP-WDR5復(fù)合物募集MLL因子以在HOXA基因座（其編碼HOXA轉(zhuǎn)錄因子家族）上激活組蛋白標(biāo)記。lncRNA也被證明與核糖核蛋白結(jié)合，可直接調(diào)節(jié)染色質(zhì)可及性和轉(zhuǎn)錄以及細(xì)胞質(zhì)蛋白，從而控制病原體應(yīng)答受體下游的信號通路。

    還證明了eRNA和circRNA通過與蛋白質(zhì)的相互作用來控制基因表達(dá)。已顯示eRNA在啟動子-近端元件處結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子YY1以穩(wěn)定靶基因組位點上的轉(zhuǎn)錄因子的占據(jù)。通過用RNase處理染色質(zhì)可以減少在啟動子位點的這種功能性蛋白質(zhì)“捕獲”，并且通過CRISPR-Cas9技術(shù)對與YY1結(jié)合位點相鄰的eRNA的人工束縛導(dǎo)致YY1的占據(jù)增加。類似地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)circRNA與RNA聚合酶II直接相互作用以增強有效的基因轉(zhuǎn)錄。RNA聚合酶II的交聯(lián)和免疫沉淀，然后進(jìn)行RNA測序，揭示了超過100個結(jié)合的circRNA。這些RNA中的大多數(shù)是外顯子-內(nèi)含子circRNA，其包含未被剪接的全長轉(zhuǎn)錄物。許多外顯子-內(nèi)含子circRNA與小核核糖核蛋白U1相互作用并增加其親本剪接mRNA種類的轉(zhuǎn)錄。RNA結(jié)合蛋白MBL（'Muscleblind'）也直接結(jié)合新生RNA并增加circRNAs的表達(dá)。circRNA肌肉盲的產(chǎn)生與經(jīng)典mRNA的產(chǎn)生競爭，這表明circRNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物可以調(diào)節(jié)其線性對應(yīng)物的豐度。

    lncRNA的表達(dá)是高度細(xì)胞類型特異性的，并且這種細(xì)胞類型特異性似乎在進(jìn)化過程中是保守的。一些研究表明，lncRNA的表達(dá)模式可以預(yù)測其組織特異性功能。例如，皮膚特異性lncRNA HOTAIR在后期和遠(yuǎn)端皮膚成纖維細(xì)胞中表達(dá)，并控制建立皮膚細(xì)胞位置同一性所需的HOX編碼基因的表達(dá)。在皮膚中表達(dá)的另一種lncRNA是TINCR，其在角質(zhì)形成細(xì)胞分化期間上調(diào)并且需要誘導(dǎo)編碼與表皮中的屏障形成相關(guān)的產(chǎn)物的基因。分析胚胎干細(xì)胞中l(wèi)ncRNA的表達(dá)和功能已經(jīng)鑒定出在ESCs52中特異性表達(dá)的226個lncRNA。通過短發(fā)夾RNA系統(tǒng)敲低每個lncRNA已經(jīng)顯示這些轉(zhuǎn)錄物中約90％對ESC中的基因表達(dá)具有顯著影響。平均而言，175個蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄物的表達(dá)受每個lncRNA缺失的影響，這與ESC中充分研究的調(diào)節(jié)蛋白的敲低效果相似。值得注意的是，在ESC中特異性表達(dá)的lncRNA與染色質(zhì)調(diào)節(jié)劑物理相互作用以維持多能性并抑制向末端細(xì)胞譜系的分化。對于所有類別的lncRNA，包括eRNA和circRNA，保留了lncRNA的特異性。例如，circRNA表達(dá)在細(xì)胞和發(fā)育水平受到調(diào)節(jié)。

    對于免疫細(xì)胞中表達(dá)的lncRNA，也已經(jīng)證明了這些原理。超過40個小鼠T細(xì)胞群的基因表達(dá)分析已鑒定出1,500個lncRNA，其中約一半以T細(xì)胞亞群特異性方式表達(dá)。相反，只有6-8％的mRNA顯示出這種特異性。在比較更多樣化的人類淋巴細(xì)胞群時已經(jīng)獲得了類似的結(jié)果。在該數(shù)據(jù)集中，超過70％的表達(dá)的lncRNA對一個淋巴細(xì)胞亞群是特異性的。這些研究結(jié)果共同表明，lncRNAs對基因的調(diào)控可能對免疫反應(yīng)的空間和時間方面至關(guān)重要。

    免疫系統(tǒng)非常通用，同時對致病性入侵者產(chǎn)生強烈反應(yīng)，同時維持器官穩(wěn)態(tài)和預(yù)防自身免疫。為了區(qū)分外源性威脅和內(nèi)源性正常，免疫系統(tǒng)通過檢測，擴增和反應(yīng)細(xì)胞刺激的大分子來響應(yīng)環(huán)境的變化。lncRNA現(xiàn)已被證明是該過程的積極參與者，參與免疫細(xì)胞發(fā)育的多個階段和病原體反應(yīng)通路。值得注意的是，單個lncRNA可以通過模塊結(jié)構(gòu)域起作用，并且通常通過與兩者的相互作用將蛋白質(zhì)活性與DNA或RNA靶標(biāo)連接起來。此外，已經(jīng)在人類自身免疫疾病的情況下證明了這些功能的失調(diào)。