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长链非编码RNA研究是如何发CNS的?

2021-06-22 15:57:33

非编码RNA(ncRNA)在许多生命活动过程中扮演着重要角色,该领域的研究也是近期最热的生物学课题之一,也曾被Science杂志评选为本世纪前10年的十大科学突破之一,层出不穷的研究结果不断地刷新着人们对非编码RNA的认识。


而在ncRNA的世界中,长非编码RNA(lncRNA)是一类长度长于200个核苷酸且没有蛋白质编码能力的RNA,其长度也是区分lncRNA和小调节RNA(如miRNA、siRNA和shRNA)的重要特征。曾有人将其描述为基因组中的“暗物质”,但是现阶段lncRNA对遗传物质的调控能力已经崭露头角,并以此强力“洗白”自己。


尽管目前对lncRNA的研究正在如火如荼的进展着,可就lncRNA发挥生物功能效应的具体机制至今还没有研究清楚。2013年Genetics发表的一篇综述也认为,所有的lncRNA都会涉及一系列生物体生长发育和疾病进展过程,但是关于它们背后的具体机制的相关知识仍然少的令人诧异。

 分类

根据染色体上与编码基因的相对位置将lncRNA分为反义型(antisense lncRNAs)、内含子型(intronic lncRNAs)、反向型(divergent lncRNAs)、基因间型(intergenic lncRNAs)、启动子上游型(promoter upstream lncRNAs)、启动子型(promoter-associated lncRNAs)、转录起始位点型(transcription start site-associated lncRNAs)。


那如何去开展LncRNA研究呢?

在转录组研究中,研究思路不外乎高通量测序,差异表达分析,选择感兴趣的基因进行功能研究。在上篇推文中,作者实验加生信分析,做到功能预测这一步,就发了4.5分SCI,那如何发高一点,再高一点的SCI呢

今天就一起来看看Science上的lncRNA研究是如何做的。



文章案例
The STAT3-binding long noncoding RNA lnc-DC controls human dendritic cell differentiation
研究领域:免疫                   相关基因: lnc-DC,STAT3  
杂志:Science                     IF: 34.661          
PMID: 24744378                样本:GSE54143 ,GSE54401

这篇文章主要探究lncRNA在树突细胞(dendritic cell,DC)分化及功能中的作用。作者发现了一个关键的lncRNA(lnc-DC),并用实验验证了其功能和作用机制,思路图如下:

图1  文章思路图
(mono指单核细胞monocytes,DC指树突细胞Dendritic cells;DC由mono分化而来的)

那为啥就能发Science呢?
立意新
作者研究的是lncRNA在DC细胞分化和功能中的作用,在当时14年很少有lncRNA在免疫方面的研究。且2011诺贝尔生理学/医学奖授予的就是树突细胞研究者。

树突细胞能递呈抗原,激发T细胞应答,可通过大量体外活化培养负载肿瘤抗原的树突细胞回输给病人,诱导机体产生强烈的抗肿瘤免疫反应,所以DC在肿瘤的免疫治疗中具有巨大的应用前景。

新发现
作者发现了lncRNA在细胞质中一种新的作用机制,其直接结合信号分子来调节翻译后修饰,在当时拓宽了对lncRNA作用机制的认识。

系统实验
最后还需要系统严谨的实验作为支撑。作者从最初lncRNA的筛选,验证,到目标lncRNA自身特性,表达和功能机制的研究,可以说在lncRNA的研究上已经很深入,也很系统。实验一环扣一环,正反证,反正证,真正是用实验结果堆出来的文章。

下面具体看下作者是如何一步步做lncRNA的研究的。

1  筛选lncRNA

作者首先用芯片HTA 2.0 transcriptome microarray assay检测了mono分化至DC过程中(7天)lncRNA的表达变化,在124个显著变化的lncRNA中(fold change>16,p<0.05),有24个被诱导。
图2  DC分化过程中lncRNA热图

为确保结果的准确性和可靠性,作者又用二代测序Illumina HiSeq 2000 检测了0点和第7天的lncRNA表达情况,99个lncRNA差异显著(fold>4,FDR<0.05)。
图3  二代测序lncRNA表达情况(红色为显著差异lncRNA)

对两个结果取交集,筛选了表达倍数高的lnc-DC作为下一步的研究对象。

2  验证lnc-DC

为确保结果的准确性,进一步用Northern blot对lncDC的表达进行了验证,确证lnc-DC在DC分化过程中的高表达。在验证这一步,还可以选择qPCR,两者各有优缺点,可以自行选择合适的方法。
图4 lnc-DC的Northern blot验证结果

3  Lnc-DC自身特性研究

可对目标lncRNA进行基因组定位,序列保守性,全长及结构等方面进行研究。

基因组定位
可用Genome browser对lnc-DC进行基因组定位,并查看其临近基因。调控邻近基因表达是lncRNA的一种作用机制。
Genome browser    http://genome.ucsc.edu/

序列保守性估计
可用PhastCons进行序列保守性估计。
PhastCons      http://genome.ucsc.edu/
图5  lnc-DC和邻近基因HEATR6序列的保守性估计

转录起始位点、结束位点及全长验证
可用RACE进行转录起始位点和结束位点及全长验证
图6 RACE进行转录起始位点和结束位点及全长验证结果

结构解析
可用RT-PCR进行5‘端和3’端结构探究,发现lnc-DC有poly A尾和5‘端帽子。
图7 RT-PCR验证lncDC结果

编码能力验证
将lnc-DC转入HEK293T细胞进行表达验证,其无编码能力,同时用生信方法对其序列进行编码能力预测,与实验结果一致。
Coding potential calculator http://cpc.cbi.pku.edu.cn/programs/run_cpc.jsp
图8 lnc-DC编码能力验证结果(左,片段构建;右,免疫印迹结果) 

4  表达研究

表达特异性
作者选取其他免疫细胞进行比对,分别通过实验及数据库中的数据分析,发现lnc-DC只在cDC(conventional DC)中特异性表达。
图9 lnc-DC在不同细胞中表达结果

表达机制研究
组蛋白修饰可调控基因表达,作者采用CHIP-seq和CHIP-qPCR进行组蛋白修饰研究,并通过DNAase I 的敏感性来衡量染色质的疏松状态。

在lnc-DC位点组蛋白H3K4me3和H3K27ac修饰,染色质较为疏松的状态及转录因子PU.1促进了lnc-DC在cDC中的特殊表达。
   图10 lnc-DC表达机制研究结果

5  Lnc-DC功能研究

功能探索
作者通过RNAi敲除过表达lnc-DC来研究其功能,敲除和过表达结果相反。敲除lnc-DC后,作者分别从基因、蛋白的表达及功能的影响来考察lnc-DC的功能。

最后表明lnc-DC促进了DC的分化,对DC抗原的递呈及增加T细胞增殖上具有重要作用,同时小鼠体内外实验也有相同结论。
图11 lnc-DC RNAi基因表达结果
图12 lnc-DC RNAi蛋白表达结果
图13 lnc-DC RNAi后DC抗原递呈能力(左)及激活T细胞增殖情况(右)

机理研究
在机理研究中,可用排除法,先考察是否和目前已经报道的作用机制一致。

LncRNA的作用机制中,其中有cis顺式调控和trans反式调控。Cis顺式调控影响邻近基因的表达,在之前的实验环节,发现lnc-DC敲除对邻近基因表达没有影响。

接下来作者用FISH对lnc-DC进行细胞定位,显示lnc-DC处于细胞质中。LncRNA在细胞质中有两种作用方式,可作为ceRNA与miRNA结合恢复mRNA的翻译,或与ALU元件作用促进STAU1介导的mRNA衰退。

RNA免疫沉淀 (RIP)表明lnc-DC不与AGO2作用,排除了lnc-DC和miRNA的作用机制。用生信分析表明lnc-DC没有与ALU的作用序列,所以lnc-DC有新的作用机制。

作者用pull-down(蛋白质体外结合实验)联合MS发现lnc-DC与STAT3(转录因子)相互作用,并用系列实验找出了lnc-DC和STAT3的作用位点及调节方式,详细过程请参见文献。

下图是作者推测的lnc-DC的作用机制模拟图。
图14 DC分化过程中lnc-DC的作用机制模型

在mono分化至DC的过程中,组蛋白H3K4me3和H3K27ac的增加伴随着染色质的疏松,促进转录因子PU.1的结合,增强了lnc-DC的表达。lnc-DC转录后即转运至细胞质,与STAT3结合,阻止了SHP1对STAT3的去磷酸化,增强了STAT3的信号通路,最终促进了DC细胞的分化。


另一篇文章(A Primate lncRNA Mediates Notch Signaling during Neuronal Development by Sequestering miRNA)阐述了一个lncRNA —— lncND在神经发育过程中通过吸附miR-143-3p进而调节Notch信号通路的作用机制,以及lncND对于放射状胶质细胞甚至大脑皮层膨胀的作用。这些都显示,lncRNA在神经发育过程中发挥着举重轻足的作用。




1

从ceRNA角度出发筛选功能lncRNA




01

筛选


作者认为一个lncRNA含有越多的miRNA结合序列位置,则越有可能作为miRNA海绵体而发挥作用,于是作者分析出了4个lncRNA基因座,他们含有10个甚至更多的单个miRNA结合位点(图A)。




▲ 然后作者分析了其中的一个转录本lncND。lncND 5’端1-1971碱基序列中包含的与miR-143-3p,miR-4330,miR-1912,miR-4286这4个miRNA结合的位点的个数以及位置(图B)





02

定位



其后,作者进一步发现在Human Body Map lincRNA catalog 里面把lncND注释到正义链上是不妥的,因为用针对正义链设计的荧光探针在神经前体细胞以及神经母瘤细胞SHSY-5Y细胞里面都没有检测到lncND的信号,而针对反义链设计的荧光探针则可以在这两种细胞里面检测到lncND的信号,所以,lncND应该注释到反义链而非正义链(图C)。




▲ 作者还进一步剖析了lncND序列在不同物种之间同源性的一个比较,同时根据lncND序列做了进化树分析(图DE)。





03

表达



作者探究了不同分化程度的神经细胞中lncND的表达情况。利用双smad蛋白抑制诱导人类胚胎干细胞H9分化成神经外胚层细胞,在进一步分化成神经元,发现lncND在神经外胚层细胞里面是表达水平较高,而在分化到神经元细胞的时候,lncND表达水平下调了(图A)。但是,当使用BMP4和FGF2将胎干细胞H9诱导分化成中胚层细胞时,lncND的表达水平没有发生明显变化(图B)。这些说明了lncND可能神经发育过程中有特别的作用。





2

信号通路调控机制验证





1预测并证实相互作用miRNA



作者预测到lncND含有的许多miRNA结合位点,以及这些miRNA在Notch 3’UTR上面的结合位点个数(图C)。虽然有4个miRNA在lncND上的结合位点都比较多,但是miR-143-3p与lncND结合的热力学稳定性更高,所以lncND通过miR-143-3p发挥作用的可能性是更大(图D)。





▲ 为了证实miR-143-3p与lncND的结合,作者用到了AGO2-IP实验,发现AGO2蛋白的抗体可以很好的富集lncND, 而后荧光素酶活性实验也说明lncND和miR-143-3p直接结合(图EFGH)。而且miR-143-3p与lncND的结合并不会降解lncND(图I)。




2证实lcnRNA对miRNA靶基因的调控



作者接下来开始分析miR-143-3p靶基因。为了证实miR-143-3p能靶向作用于Notch1和2的 3’UTR,作者又用到了荧光素酶活性实验,在过表达miR-143-3p与用LNA抑制miR-143-3p时荧光素酶活性的下调与上调,证实了miR-143-3p能与Notch1和2的 3’UTR结合(图ABC)。



▲ 然后进一步在基因和蛋白水平,证实miR-143-3p对于Notch1和2表达的调节作用(图DEFG)。 






▲ 作者接着把Notch1和2的3’UTR和荧光素酶基因融合在一起,用荧光素酶活性实验验证了在lncND过表的时候,荧光素酶活性是增高的,而lncND敲低的时候,荧光素酶活性则是降低的(图AB)。




而且在蛋白水平,lncND敲低的时候Notch1和2表达水平是下降的,而在lncND过表的时候,Notch1和2表达水平则是上升的,这些证实lncND的确可以作为ceRNA调节Notch1和2的表达(图CD)。




3

功能研究





1
根据表达谱测序分析lncRNA下游靶基因及功能



有文献报道说,Notch通路受到抑制的时候,可以促进神经祖细胞的分化。那作者就想,既然lncND可以调节Notch的表达,那么lncND在神经发育过程中是不是也扮演了一定的角色?

▲ 作者用转染了miR-143-3p类似物的SHSY-5Y细胞测序结果与转染了lncND-siRNA干扰片段的SHSY-5Y细胞测序数据作比对,发现lncND敲低之后,与Notch通路相关的一些蛋白表达水平降低了。而且两者的差异基因表达趋势很大重叠的部分(图C)。



▲ 而且用这些共同表达下调的基因以分子功能做GO分析,发现可信度最高的也是一些跟细胞周期过程相关的基因(图D)。






2
体外细胞功能及标志蛋白表达研究



作者进一步发现lncND和Notch敲低可以使得神经母瘤细胞SHSY-5Y更多的分化成神经细胞(图EF),因为神经母瘤细胞出现了很多TAU蛋白和MAP2蛋白,这些都是神经元细胞轴突和树突的较为特异的标志物。这些说明,lncND敲低之后,Notch蛋白表达量减少促进了神经细胞的分化。而且,两者的敲低也会导致细胞增殖能力的下降(图G)







3
体内表达及功能分析



作者检测了lncND各类神经细胞里面的表达位置。通过人类诱导性多能干细胞诱导生成大脑类器官,然后在这个组织上取到了61个细胞,进行单细胞RNA测序,发现表达了lncND的几个细胞的表达类型与其他53个细胞的表达类型不同(图A),这说明lncND在大脑类器官中可能表达在一个某个类型细胞中。




▲ 接着作者用原位杂交检测了17月大的人类大脑皮层中lncND的表达。发现在脑室区lncND的信号很强,而外脑室下区信号很相对来说较弱,但是外脑室下区表达了lncND的细胞,同时也是PAX6阳性的放射状胶质细胞。所以lncND主要表达在脑室区以及外脑室下区中的放射状胶质细胞中(图BC)。




4
体内功能验证



最后作者用小鼠体内实验,验证了高表达lncND可以增加神经胶质细胞数量(图ABC)以及用一个简图回顾了一下文章的主要内容(图D)。即神经分化过程中lncND的表达下调,游离miR-143-3p增多,Notch表达下降从而抑制神经前体细胞增殖并促进其分化。


 

 

LncRNA研究方法总结
LncRNA筛选
芯片
用于分子研究只能研究已知的基因,马上淘汰
测序
既可以测到已知的基因信息,也可以发掘未知的基因信息,灵敏且准确度高
LncRNA验证
 Northern blot/qPCR

目标lncRNA研究
 基因组定位
 Genome browser     http://genome.ucsc.edu/

序列保守性估计
PhastCons       http://genome.ucsc.edu/

转录起始位点,终止位点验证及全长克隆 
RACE

结构解析
PT-pcr

编码能力预测 
转基因-免疫印迹
 
LncRNA表达
表达特性   
Northern blot/qPCR       数据库数据

表达机理
组蛋白修饰——CHIP-seq/CHIP-qPCR
染色质状态——DNAase I
序列分析

LncRNA功能
敲除/过表达
RNA 免疫印迹(RIP)
Pull down实验
…… 





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