Cell：影响大脑发育的lincRNAs

近期来自怀特黑德生物医学研究所的科学家们在斑马鱼中鉴别出了对大脑发育起关键性作用的保守的插入性长链非编码RNA（long intervening noncoding RNA，lincRNA)，并证实人类的这些RNAs分子具有与斑马鱼中的lincRNAs相似的功能。这一研究发现于12月23日发表在《细胞》（Cell）杂志上

　　

生物通报道  近期来自怀特黑德生物医学研究所（Whitehead Institute for Biomedical Research）的科学家们在斑马鱼中鉴别出了对大脑发育起关键性作用的保守的插入性长链非编码RNA（long intervening noncoding RNA，lincRNA)，并证实人类的这些RNAs分子具有与斑马鱼中的lincRNAs相似的功能。这一研究发现于12月23日发表在《细胞》（Cell）杂志上。

到目前为止，对lincRNAs的研究还主要是在细胞系而非生物体层次上展开，这阻碍了研究人员深入了解lincRNAs是如何影响生长和发育的。

“这些研究表明斑马鱼，一种常用于研究动物发育遗传学的模式动物，也可作为一种研究工具用于系统性地揭示lincRNAs的功能，”怀特黑德生物医学研究所成员、霍华德•休斯医学研究所研究人员及麻省理工学院生物学系教授David Bartel说：“这是另一个通过解析斑马鱼中的现象深入了解人类相关机制的范例，此前这种方法被应用在大量的蛋白质编码基因研究中。”

根据“DNA元件百科全书”计划（Encyclopedia of DNA Elements，简称ENCODE）协会2007年的研究结果，人类细胞中仅有少数转录生成的RNAs可作为蛋白质合成的模板。其余的RNA被称为非编码RNAs (ncRNAs)，它们位于编码蛋白的基因之间，其中长度超过200bp的ncRNAs称为lincRNAs。

尽管细胞中存在大量的lincRNAs，然而长期以来它们被人们视为是转录RNAs中的“暗物质”，对其功能及机制均知之甚少。研究这类RNAs存在的一个重要限制就是它们在物种间显示出较低的序列相似性。不同于蛋白质编码基因，通常表现出物种间的高度保守性，lincRNA基因通常在物种之间仅存在少量保守性的DNA序列。这种保守性的缺乏使得在近缘物种（closely related species）间鉴别相关的lincRNAs变得十分困难，更不用说是亲缘关系较远的物种了。例如，Bartel实验室的科学家Igor Ulitsky和Alena Shkumatava曾在斑马鱼中鉴定出超过500种lincRNAs，然而却仅在人类和小鼠中发现29种同源物。

在这篇Cell新文章中，Ulitsky 和 Shkumatava采用反义技术在斑马鱼胚胎中对29种当中的2种lincRNAs进行了功能检测。研究结果表明抑制这2种lincRNAs可显著影响斑马鱼的大脑发育。当其中一种称为cyrano的lincRNA表达下降时，可导致斑马鱼形成大鼻子、小头和小眼睛，以及短且卷曲的尾巴。当斑马鱼缺失掉一种称为megamind的lincRNA时，可导致其形成异常形状的头部和扩大的脑室。

为了测试人类细胞中cyrano 和 megamind lincRNAs同源物是否具有相同的功能。Shkumatava将人类同源lincRNAs注入到基因敲除的斑马鱼中。令人惊异的是，这些人类的lincRNAs挽救了斑马鱼，使其恢复了正常大脑发育及大脑尺寸，这表明人类lincRNAs有可能与它们的斑马鱼同源物一样在胚胎发育中发挥着相同的作用。

“这项研究具有重要的意义，因为它为我们提供了一种方法来研究这类大量存在而又了解甚少的lincRNAs分子，”美国国立卫生研究院下属国家综合医学科学研究院RNA加工与功能项目研究经费负责人Michael Bender说：“该研究发现人类lincRNAs似乎与它们的斑马鱼同源物在胚胎发育中显示相似的功能，这表明这种方法具有重要的价值用于推动研究人员深入了解lincRNAs在哺乳动物中的作用。”

目前怀特黑德生物医学研究所的成员Hazel Sive已与Bartel实验室展开协作共同利用斑马鱼研究大脑发育以及与自闭症相关的遗传缺陷。Sive说：“斑马鱼是一种极好且易于操作的系统，适用于研究基因的作用机制。”

“我们人类与斑马鱼共同享有这类古老而奇特的基因亚群，它们的功能在人类和斑马鱼中得以保存，”Ulitsky说：“我们能够通过利用人类同源物置换斑马鱼中遭受破坏的lincRNAs的方式来了解哪些人类lincRNAs具有调控发育的作用。”

“由于lincRNAs在斑马鱼和人类中具有功能保守性，我们可将斑马鱼作为一种新的脊椎动物研究工具，用于揭示其他的lincRNAs的功能，”Shkumatava说。

（生物通：何嫱）

延伸阅读：Nature：决定胚胎干细胞命运的lincRNA

生物通推荐原文摘要：

Conserved Function of lincRNAs in Vertebrate Embryonic Development despite Rapid Sequence Evolution

Thousands of long intervening noncoding RNAs (lincRNAs) have been identified in mammals. To better understand the evolution and functions of these enigmatic RNAs, we used chromatin marks, poly(A)-site mapping and RNA-Seq data to identify more than 550 distinct lincRNAs in zebrafish. Although these shared many characteristics with mammalian lincRNAs, only 29 had detectable sequence similarity with putative mammalian orthologs, typically restricted to a single short region of high conservation. Other lincRNAs had conserved genomic locations without detectable sequence conservation. Antisense reagents targeting conserved regions of two zebrafish lincRNAs caused developmental defects. Reagents targeting splice sites caused the same defects and were rescued by adding either the mature lincRNA or its human or mouse ortholog. Our study provides a roadmap for identification and analysis of lincRNAs in model organisms and shows that lincRNAs play crucial biological roles during embryonic development with functionality conserved despite limited sequence conservation.