Gene regulation in the immune system by long noncoding rNAs

Gene regulation in the immune system by long noncoding rNAs

通过长链非编码RNA在免疫系统中进行基因调节

期刊：Nature Immunology；影响因子：21.809

发表单位：美国斯坦福大学     

    LncRNA可以与DNA，RNA，蛋白质相互作用，发挥其调控功能。本研究对这几种机制做一介绍。在我们研究lncRNA寻找机制时可以从多个角度分析，是哪种机制在发挥作用。一个细胞表型的变化涉及的多种分子，多个通路，lncRNA可能有多种机制共同作用调控该过程，当然，我们研究时只需找到一个lnc，阐明一个机制，其他机制也是存在的。

    长链非编码RNA（lncRNA）正在成为免疫系统中基因表达的关键调节因子。在本综述中，我们关注lncRNAs用于调节编码参与免疫应答的产物的基因的机制，包括与染色质，RNA和蛋白质的直接相互作用。此外，我们还探讨了lncRNA生物学的新领域，例如增强子RNA的功能，环状RNA和细胞过程中RNA的化学修饰。我们强调lncRNA在免疫系统和自身免疫疾病中的作用的知识和未来前景中的关键差距。

    过去十年中转录组测序的进展表明，超过70％的基因组被转录，绝大多数转录的DNA编码长链非编码RNA（lncRNAs）。由于这些发现，注释和功能分析的lncRNA目录迅速扩大，一些研究估计人类基因组中存在超过58,000个lncRNAs。绝大多数lncRNA尚未进行功能测试，许多可能只是转录'噪音'。尽管如此，许多lncRNA在基因转录和蛋白质调节中表现出不同的功能。

    非编码RNA基于200个核苷酸的序列长度截止值被分类为短非编码RNA或lncRNA。lncRNA进一步分类为长基因间非编码RNA（lincRNA），内含子lncRNA，反义lncRNA和增强子RNA（eRNA），基于它们相对于编码蛋白质编码mRNA和基因增强子调控元件的基因位点的位置。

    现在开始理解lncRNA的生物学功能，并且已经在几乎所有研究的生物系统中鉴定了lncRNA的关键作用。例如，已经阐明了以下lncRNAS的基本功能：对于Xist，沉默X染色体；对于H19，在基因组印记；对于lincRNA-RoR，在胚胎干细胞（ESC）的分化中；对于HOTAIR，在乳腺癌转移。令人惊讶的是，与其他类别的RNA分子不同，lncRNA似乎没有主要的分子原型。相反，像蛋白质支架一样，lncRNA通过模块化结构域起作用，通过核酸碱基配对与DNA或RNA相互作用，或通过高级RNA结构与蛋白质相互作用（图1）。在许多情况下，转录lncRNA本身的行为可以通过染色质可塑性的变化或靶基因启动子的转录因子捕获来发挥基因调节作用。

    迄今为止所描述的大多数lncRNA通过识别特定染色质特征或作为RNA-DNA异源双链体或RNA-DNA-DNA三链体，通过与靶DNA结合，调节顺式（邻近基因）或反式（远缘基因）中靶基因组基因座的转录而起作用。RNA可以通过Watson-Crick相互作用与双链DNA形成碱基对（双链体），或者通过插入具有序列特异性的双链体结构的主沟（三重体）与双链DNA相互作用。例如，lncRNA可以与启动子序列建立稳定的双链体，或者可以参与成纤维细胞中核糖体DNA启动子的三链体结构。lncRNA本身的转录可导致局部染色质变化，这种变化不是由非编码转录物介导的。在一项分析由12种lncRNA介导的局部基因调控机制的研究中，发现5种调节其邻近基因在顺式中的表达。然而，令人惊讶的是，这些顺式调节剂中没有一个需要lncRNA转录本身，而是依赖于与其转录相关的过程，包括lncRNA启动子的增强子活性，转录或剪接lncRNA。

    几类lncRNA通过RNA-RNA相互作用起作用。例如，EpsteinBarr病毒（EBV）非编码RNA EBER2与来自潜在EBV基因组的末端重复（TR）基因座的新生转录物杂交，从而将转录因子PAX5募集至TR。PAX5的募集调节TR附近基因的表达，从而控制EBV35的裂解复制。RNA结合是circRNA调节基因表达的主要机制。到目前为止，研究已经描述了通过circRNAs的RNA-RNA相互作用的两个功能结果：通过直接碱基配对降低伴侣RNA转录物的可用性，特别是与miRNA的关联；通过竞争转录机制减少了替代RNA转录本的转录。作为miRNA的“海绵”，circRNA可以从其功能基因靶标中有效“滴定”miRNA。例如，circRNA ciRS-7含有70个miR-7结合位点，并通过'滴定'miR-7拷贝调节脑中期发育。ciRS-7完全抵抗miR-7介导的靶向去稳定化，因此强烈抑制miR-7的活性并导致miR-7靶标的丰度增加。类似地，在睾丸中发现的circRNASry充当miR-138的海绵，证实了已发现的Sry的环化抑制miR-138靶标转化为蛋白质。总体而言，circRNA缺乏5'和3'末端导致比线性RNA更稳定，并且表明lncRNA可通过碱基配对相互作用和其二级结构的修饰在时间上影响基因表达。

    单个lncRNA可含有多个结合DNA，RNA或蛋白质的模块结构域。也就是说，lncRNA能够协调各种类型的大分子的活性。lncRNA功能的主要机制是DNA结合和蛋白质相互作用的模块化配对，以招募染色质修饰蛋白，通过组蛋白的化学修饰调节基因调控。例如，Xist通过放置抑制性组蛋白修饰来结合Polycombrepresive复合物以使无活性的X染色体沉默。类似地，lncRNA HOTTIP通过与衔接子WDR5结合来维持基因转录，所述衔接子WDR5是MLL组蛋白H3Lys4（H3K4）-甲基转移酶复合物的核心亚基。HOTTIP-WDR5复合物募集MLL因子以在HOXA基因座（其编码HOXA转录因子家族）上激活组蛋白标记。lncRNA也被证明与核糖核蛋白结合，可直接调节染色质可及性和转录以及细胞质蛋白，从而控制病原体应答受体下游的信号通路。

    还证明了eRNA和circRNA通过与蛋白质的相互作用来控制基因表达。已显示eRNA在启动子-近端元件处结合转录因子YY1以稳定靶基因组位点上的转录因子的占据。通过用RNase处理染色质可以减少在启动子位点的这种功能性蛋白质“捕获”，并且通过CRISPR-Cas9技术对与YY1结合位点相邻的eRNA的人工束缚导致YY1的占据增加。类似地，已经发现circRNA与RNA聚合酶II直接相互作用以增强有效的基因转录。RNA聚合酶II的交联和免疫沉淀，然后进行RNA测序，揭示了超过100个结合的circRNA。这些RNA中的大多数是外显子-内含子circRNA，其包含未被剪接的全长转录物。许多外显子-内含子circRNA与小核核糖核蛋白U1相互作用并增加其亲本剪接mRNA种类的转录。RNA结合蛋白MBL（'Muscleblind'）也直接结合新生RNA并增加circRNAs的表达。circRNA肌肉盲的产生与经典mRNA的产生竞争，这表明circRNA-蛋白质复合物可以调节其线性对应物的丰度。

    lncRNA的表达是高度细胞类型特异性的，并且这种细胞类型特异性似乎在进化过程中是保守的。一些研究表明，lncRNA的表达模式可以预测其组织特异性功能。例如，皮肤特异性lncRNA HOTAIR在后期和远端皮肤成纤维细胞中表达，并控制建立皮肤细胞位置同一性所需的HOX编码基因的表达。在皮肤中表达的另一种lncRNA是TINCR，其在角质形成细胞分化期间上调并且需要诱导编码与表皮中的屏障形成相关的产物的基因。分析胚胎干细胞中lncRNA的表达和功能已经鉴定出在ESCs52中特异性表达的226个lncRNA。通过短发夹RNA系统敲低每个lncRNA已经显示这些转录物中约90％对ESC中的基因表达具有显著影响。平均而言，175个蛋白质编码转录物的表达受每个lncRNA缺失的影响，这与ESC中充分研究的调节蛋白的敲低效果相似。值得注意的是，在ESC中特异性表达的lncRNA与染色质调节剂物理相互作用以维持多能性并抑制向末端细胞谱系的分化。对于所有类别的lncRNA，包括eRNA和circRNA，保留了lncRNA的特异性。例如，circRNA表达在细胞和发育水平受到调节。

    对于免疫细胞中表达的lncRNA，也已经证明了这些原理。超过40个小鼠T细胞群的基因表达分析已鉴定出1,500个lncRNA，其中约一半以T细胞亚群特异性方式表达。相反，只有6-8％的mRNA显示出这种特异性。在比较更多样化的人类淋巴细胞群时已经获得了类似的结果。在该数据集中，超过70％的表达的lncRNA对一个淋巴细胞亚群是特异性的。这些研究结果共同表明，lncRNAs对基因的调控可能对免疫反应的空间和时间方面至关重要。

    免疫系统非常通用，同时对致病性入侵者产生强烈反应，同时维持器官稳态和预防自身免疫。为了区分外源性威胁和内源性正常，免疫系统通过检测，扩增和反应细胞刺激的大分子来响应环境的变化。lncRNA现已被证明是该过程的积极参与者，参与免疫细胞发育的多个阶段和病原体反应通路。值得注意的是，单个lncRNA可以通过模块结构域起作用，并且通常通过与两者的相互作用将蛋白质活性与DNA或RNA靶标连接起来。此外，已经在人类自身免疫疾病的情况下证明了这些功能的失调。