综述：酵母中非编码RNA的功能分析及转录谱分析

《Biochemical Journal》：Functional analysis and transcriptional profiling of non-coding RNAs in yeast

ncRNAs在酵母中的分类、功能机制及进化研究揭示了其通过转录调控、染色质重塑等途径参与基因表达、细胞周期和表型调控，并发现部分ncRNA具有翻译潜力。

　　非编码RNA（ncRNA）在酵母基因组中广泛存在，它们不仅是转录过程中的“噪音”，还参与了多种重要的调控机制。近年来，随着高通量测序技术和深度学习算法的广泛应用，ncRNA的研究取得了显著进展。酵母，特别是酿酒酵母（*Saccharomyces cerevisiae*），因其基因组紧凑、完全测序和详尽注释的特性，成为研究ncRNA的理想模型生物。ncRNA在酵母中的普遍转录现象已被广泛证实，这表明它们在细胞功能中扮演着至关重要的角色。

### 酵母中ncRNA的分类与功能

在酵母中，ncRNA可以分为短ncRNA（<200 nt）和长ncRNA（lncRNA；>200 nt）。短ncRNA包括tRNA、rRNA、小核RNA（snRNA）和小核仁RNA（snoRNA）等，这些短ncRNA通常具有明确的功能，如参与蛋白质合成、rRNA加工、mRNA剪接等。而lncRNA的功能仍然不够明确，但已有研究表明，它们在基因调控、RNA代谢、性别分化和端粒过长调控中发挥重要作用。lncRNA的表达具有一定的细胞特异性，例如在细胞周期、菌落亚群动态、致病性和调控网络中都有其独特的表现。这表明lncRNA在细胞调控中具有重要的潜力，其功能可能涉及更复杂的机制。

### lncRNA的发现与分类

lncRNA的发现主要依赖于多种技术手段，包括基于已知ncRNA序列的同源预测、基因敲除实验、RNA-Seq和深度学习模型等。例如，通过敲除参与ncRNA降解的基因，如*nucleolar exosome*相关基因*RRP6*，可以揭示那些原本快速降解的lncRNA，如CUTs（隐秘不稳定转录物）和MUTs（减数分裂非注释转录物）等。此外，研究还发现，某些lncRNA可能与特定的细胞过程有关，如端粒调控中的TERRA（端粒重复相关ncRNA）和细胞周期调控中的SUTs（稳定非注释转录物）。

### lncRNA的转录调控

在酵母中，lncRNA的转录过程受到严格的调控，包括启动和终止机制。转录启动通常发生在核小体脱除区域（NFRs），这些区域的特征是低核小体密度，为转录因子提供了更容易结合的环境。而转录终止则涉及不同的途径，如CPF-CF（cleavage and polyadenylation/polyadenylation factor）和NNS（Nrd1-Nab3-Sen1）复合体。这些终止机制不仅确保了lncRNA的正确加工，还影响其稳定性，从而决定了其是否会被进一步降解。例如，CPF-CF终止的lncRNA通常具有较短的半衰期，而NNS终止的lncRNA则可能在核内被更高效地降解。

### lncRNA的降解机制

为了维持细胞内的RNA稳态，酵母细胞通过多种降解机制来调控ncRNA的水平。其中，NMD（非移码降解）和核内核糖核酸酶复合体（如核糖核酸酶III、TRAMP复合体和核糖核酸酶复合体）是两个主要的ncRNA降解途径。NMD主要负责降解那些在翻译过程中出现错误的RNA，如未成熟mRNA或具有移码突变的RNA。而核内降解机制则负责处理那些未被正确终止或在核内积累的ncRNA。这种降解过程不仅有助于清除潜在有害的RNA，还能防止其干扰正常的基因表达和染色质结构。

### lncRNA的进化与保守性

尽管大多数lncRNA在初级序列上缺乏高度的保守性，但它们在功能模块和二级结构上可能具有一定的保守性。例如，TERRA在不同物种中均表现出相似的结构特征，这种保守性可能与其在端粒调控中的作用有关。此外，某些lncRNA的表达模式和基因组定位在不同物种间具有一定的相似性，这可能意味着它们在进化过程中保留了特定的调控功能。这种表达模式的保守性可能反映了其在细胞功能中的重要性，即使其初级序列发生变异。

### lncRNA的调控机制：cis与trans

在酵母中，lncRNA的调控机制主要分为*cis*调控和*trans*调控两种。*cis*调控指的是lncRNA在基因组中与目标基因紧密相关，通过影响其转录或染色质结构来调控基因表达。例如，某些lncRNA可以通过转录干扰（TI）或染色质重塑来抑制或激活目标基因的表达。而*trans*调控则涉及lncRNA在基因组中远距离调控目标基因，可能通过招募特定的调控因子或影响染色质结构。例如，某些lncRNA可能通过影响特定的转录因子或染色质修饰酶，如Set1p和Rpd3S复合体，来调控远距离基因的表达。

### lncRNA的功能研究：从转录到翻译

随着研究的深入，越来越多的证据表明，某些ncRNA可能不仅仅是转录产物，还可能被翻译成小肽。例如，一些非编码区域中的ORF（开放阅读框）可能被翻译成微蛋白（microprotein），这些微蛋白可能在细胞调控中发挥重要作用。这种现象挑战了传统上对ncRNA的分类，表明它们可能在基因调控和蛋白质合成中具有双重功能。此外，ncRNA的翻译过程可能受到NMD机制的调控，从而确保其翻译产物不会对细胞造成负面影响。

### ncRNA的转录组分析与功能研究

为了全面了解ncRNA的功能，研究者通过转录组分析和功能筛选来揭示它们在细胞中的作用。例如，通过构建ncRNA基因敲除库，并在多种条件下进行表型筛选，可以发现不同ncRNA在细胞生长、应激反应和基因调控网络中的具体功能。此外，通过比较不同酵母菌株的转录组，可以揭示ncRNA在不同细胞类型或环境条件下的表达模式，从而帮助理解其在细胞功能中的动态变化。

### 未来展望与研究方向

尽管已有大量关于ncRNA的研究，但其全面的功能和调控机制仍存在许多未解之谜。未来的研究应着重于揭示不同类别的ncRNA在细胞中的具体作用，以及它们与其他细胞成分（如蛋白质编码基因、其他ncRNA、转录因子等）之间的相互作用。此外，研究ncRNA的进化起源和保守性，有助于理解它们在不同物种中的功能差异和相似性。随着新技术的发展，如单细胞RNA-Seq和高通量筛选，ncRNA的研究将更加深入，从而揭示它们在基因调控和细胞功能中的更广泛作用。