编译：不二，编辑：夏甘草、江舜尧。
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导读
长非编码RNA（lncRNA）是一类广泛存在的基因。最近在哺乳动物大脑中的研究揭示了一些新的机制。lncRNA基因座通常位于发育转录因子附近。lncRNA产物可以作为转录因子调控远端基因，或者在其他情况下，lncRNA位点包含DNA调控元件作用于邻近基因。环状RNA是共价封闭的单链RNA，可以作为microRNA海绵或者其他机制来控制神经元功能。lncRNA还可以参与靶向的microRNA降解，影响microRNA库和翻译。因此，lncRNA在细胞核和细胞质中通过不同的机制控制神经元的命运和功能。原名：Diverse lncRNA mechanisms in brain development and disease期刊：Current Opinion in Genetics & DevelopmentDOI号：10.1016/j.gde.2020.05.006哺乳动物的神经系统是一个多样而复杂的器官，由神经元和神经胶质细胞组成，它们沿前后轴和背腹轴排列。在发育过程中，这些细胞由具有时空特征的祖细胞分化而来。随着神经元的成熟，它们与其他脑区形成突触连接，形成复杂的神经回路。虽然一些形态发生基因、转录因子（TF）和电生理活动在神经系统发育中的作用已经开始研究，但长非编码RNA（lncRNA）在这些过程中的作用才刚刚起始。lncRNA是长度大于200nt的非编码RNA，经历剪接、5’ 帽子和聚腺苷酸化，但是缺乏可检测到的保守编码蛋白序列或结构域。它们大多存在于基因间区域，但也可以在与蛋白质编码基因相关的反义、内含子区域或双向的方向转录。lncRNA通过多种可能的机制在控制基因调控方面具有广泛的作用，越来越多的证据表明lncRNA的失调可能导致人类疾病。在这里，研究人员描述了lncRNA在大脑发育和神经发育及神经精神疾病中的一些推测作用。研究人员强调了这些转录本的结构和作用机制的共同特征，并讨论了该领域最新的关键研究。最近的一些研究发现，与神经发育性TF基因相关的反义链（AS）或反向链（OS）表达的lncRNA对TF的表达具有功能性影响。据报道，这些lncRNA在顺式和反式中都起作用。Feng等人发现了Evf2，也称为Dlx6as，一种从Dlx5和Dlx6之间的基因间区域转录的保守lncRNA，它与DLX2结合并促进Dlx5和Dlx6的表达。DLX5和DLX6是GABAergic神经元发育所需的同源盒TF。两者同时缺失导致前脑无脑和GABAergic细胞向皮层的无序迁移。研究人员系统地鉴定了Evf2的5’ 区对于下游基因活化是充分和必要的。Bond等人进一步证明了Evf2的两部分作用机制。特别是，他们发现该转录本通过反式形式将DLX2和甲基CpG结合蛋白2（MECP2）招募到的Dlx5和Dlx6之间的区域来调控Dlx5，并且Evf2的转录本自身通过顺式作用抑制了Dlx6在细胞中的表达。研究人员还发现，Evf2突变小鼠出生后齿状回GABAergic神经元数量减少。值得注意的是，这些研究同时在反式结构和顺式结构中使用干扰技术。除了Dlx5-Dlx6位点之外，许多大脑TF基因位点似乎具有lncRNA调节功能。Ramos和Lim鉴定了Pnky，一种长非编码RNA，与Pou3f2共用一个启动子自皮层下区双向转录，通过影响祖细胞调节TUJI+神经元的数量。值得注意的是，发育皮层中Pnky条件性敲除会影响神经元和皮质层的产生，这些缺陷可以通过插入基因组中异源位置的Pnky转基因来修复。这些结果表明Pnky这种lncRNA通过反式作用（类似于TF）控制发育。相反，一些lncRNA基因座通过作用于同一染色体上相邻基因顺式结构的DNA元件发挥作用。Cho等人进行基因组CRISPR干扰筛选，并确定MYC基因下游55kb的lncRNA位点PVT1是MYC转录的关键调控因子。研究人员发现在神经前体细胞中，每一个细胞都有一个表观遗传选择，随机沉默其中一个或另一个拷贝的PVT1启动子；这种随机的单等位基因选择在随后的细胞分裂中被子细胞记住。此外，在同一染色体上沉默PVT1启动子，MYC表达增加，而另一染色体上MYC表达不增加。这一显著的效应是由于PVT1启动子和MYC启动子通过长距离DNA环竞争同一组DNA增强子元件，从而在同一条染色体上而不是跨染色体间竞争DNA元件。人类遗传学和细胞命运重编程也突出了lncRNA在大脑中的功能作用。Ang等人系统地研究了神经元重编程过程中表达变化的lncRNA。Lnc-Nr2f1是一种转录于大脑TF基因Nr2f1上游的lncRNA，Lnc-Nr2f1在小鼠胚胎成纤维细胞中的异位表达可以促进诱导的神经元成熟。Lnc-Nr2f1基因敲除改变了一组轴突和神经元细胞骨架基因的表达，这些基因在染色质上与Lnc-Nr2f1邻近，并在转基因中被Lnc-Nr2f1过表达所修复。全基因组单核苷酸多态性和拷贝数变异研究揭示了与神经系统疾病相关的变异，但这些研究往往侧重于蛋白质编码基因，而忽略了lncRNA位点。使用自闭症障碍谱系和神经发育迟缓患者的拷贝数变异发病率图，Ang等人发现了一个影响lnc-NR2F1的复发性局部基因组突变，以及一个以lnc-NR2F1易位为主要遗传突变的家族。随着复杂的RNA测序分析方法的发展，环状RNA（circRNA）已成为一种常见的lncRNA，在基因调控中发挥着多种作用。这些转录本可以通过“反剪接”产生，其中上游分支点抨击下游剪接供体位点（通常由反向重复或剪接位点两侧的RNA结合蛋白促成的排列），供体位点通过典型的机制继续剪接回上游位点。它们也可以通过套索中间产物产生，通常与外显子跳过剪接事件有关。circRNA在大脑中似乎特别丰富，可能是由于circRNA异常稳定以及神经元有丝分裂后的特性。circRNA也已成为阿尔茨海默症等脑部疾病的有力生物标志物。许多研究集中在哺乳动物大脑中的circRNA。CDR1as是一种脑组织富含的环状RNA，含有70多个miR-7结合位点，因此被认为是microRNA海绵。随后，Piwecka等人通过Cas9介导的CDR1as缺失突变鉴定兴奋性神经元的电生理缺陷和动物行为。在敲除小鼠中，与昼夜节律、TF和早期神经元基因相关的靶基因失调。研究人员还发现，在circRNA敲除过程中，两个与CDR1as紧密结合的microRNA的丰度发生了变化（一个增加一个减少）。这一结果表明，circRNA可能比microRNA的被动海绵更为复杂（图1）。Ryback-Wolf等人通过分析大量RNA序列数据集，系统地描述了circRNA的表达，发现circRNA在成熟神经元和突触小体中有丰富的表达。报告了大约6000个人类的高可信度的circRNA，以及表达水平和循环之间的总体负相关。使用核糖核酸酶外切酶处理和探针来验证这些转录物中大部分的循环，并发现它们的表达依赖于ADAR1。最近，Suenkel等人确认circSLC45A4是人类额叶皮层的主要环状RNA。在发育中的小鼠皮层中，这种环状RNA的缺失导致基底祖细胞的减少和明显的异位分化。
图1 上图：（a）神经元转录因子（红色）的lncRNA反义链或反向链（棕色）可通过招募转录因子（紫色圆圈）或表观遗传调控因子（粉红色圆圈）调控下游基因。转录因子或表观遗传调控因子的招募可以在顺式或反式作用中发生。（b） LncRNA可以与miRNA结合，导致靶向的microRNA降解，从而允许环状RNA积累。下图：circRNA可以竞争性地与microRNA结合，起到海绵的作用，防止其他RNA类型的降解。一个新出现的有趣机制是调控microRNA的降解和转换（图1）。靶向micro RNA降解（TDMD）最初是针对microRNA的一些mRNA靶点而发现的，它是基于microRNA的特异性错配：靶RNA双链导致microRNA发生尿苷化，然后降解。这种机制对lncRNA同样有效。Kleaveland等人发现大脑中的lncRNA Cyrano含有一个能够与miR-7延伸配对的碱基的位点。与Cdr1as相比，Cyrano中的Cdr1as含有许多与miR-7匹配的种子序列位点，而Cyrano中的Cdr1as则促进了miR-7的降解。在Cyrano基因敲除小鼠中，miR-7在脑中高度上调。这反过来又使circRNA Cdr1a得以积累。研究人员发现miR-7既能直接抑制Cdr1as，又能增强miR-671降解circRNA的能力。这些结果共同揭示了一个非编码RNA网络，并突出了不同lncRNA形式的多效性调节潜力。尽管在大脑发育和成熟过程中有大量关于lncRNA重要性的线索，研究人员对其作用范围的理解仍在不断加深。研究人员强调了局部AS和OS转录、反式调控活性、循环和microRNA转换调节，但其他lncRNA形式，如增强子RNA和其他功能机制也是可能的。为了更全面地了解这些不同的转录本如何影响发育和疾病，需要系统地在模型系统中对lncRNA进行分类和解释。全基因组测序已经揭示了人类疾病中越来越多的非编码调控区和非编码转录本。这些证据以及上述机制的其他例子和概括，可以推动这一领域的进一步基础研究。下一代基因组和表观基因组工程方法将有助于此类研究，同时将迅速改进以单细胞和单分子分辨率研究转录本、RNA亚型和表观转录组的技术。最后，最新的人脑发育三维器官培养模型可以帮助研究人员了解这些转录本在个体人类患者中的作用，并加深lncRNA研究转化为医学相关的理解。
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