长链非编码RNAs (lncRNAs)的功能研究由于缺乏评估其进化的方法而受到阻碍。

2024年1月8日，清华大学张强峰、北京大学汪阳明及席建忠共同通讯在Nature Genetics在线发表题为“Computational prediction and experimental validation identify functionally conserved lncRNAs from zebrafish to human”的研究论文，该研究提出了lncRNA Homology Explorer (lncHOME)，这是一个计算管道，可以识别一类独特的长链非编码RNAs (lncRNAs)，它们具有保守的基因组位置和RNA结合蛋白(RBP)结合位点(coppars -lncRNAs)的模式。

值得注意的是，数百个人类coPARSE-lncRNAs可以在进化上追溯到斑马鱼。通过CRISPR-Cas12a敲除和拯救实验，发现敲除许多人类coPARSE-lncRNAs会导致细胞增殖缺陷，这些缺陷随后被预测的斑马鱼同源物拯救。敲低斑马鱼胚胎中的coPARSE-lncRNAs会导致严重的发育迟缓，而这些发育迟缓是由人类同源物拯救的。此外，还验证了人类、小鼠和斑马鱼的coPARSE-lncRNAs同源物倾向于结合相似的RBP，其保守功能依赖于特定的RBP结合位点。总的来说，该研究报道了一种研究lncRNAs功能保护的综合方法，并展示了许多lncRNAs在调节脊椎动物生理方面的作用。

在过去的几十年里，分子生物学和基因组学的一个重大进展是长链非编码RNAs(lncRNAs)的发现和鉴定，这些转录本大于200个核苷酸(nt)，没有蛋白质编码潜力。lncRNAs可以作为许多生理过程和疾病的调节因子。一个著名的例子是Xist，它在哺乳动物雌性中重塑染色质结构以确保X染色体失活并实现剂量补偿。另一个例子是JPX，它控制ccctc结合因子的全基因组结合，调节小鼠基因组的三维结构。此外，Bvht已被证明对心血管谱系承诺至关重要，Pnky调节神经干细胞的分化。

lncRNAs的失调与多种病理过程有关。HOTAIR和MALAT1已被报道在多种人类癌症中调控肿瘤发生。Mhrt在包括肥厚和心力衰竭在内的心肌病发病机制中起作用。高度保守的lncRNA NORAD通过隔离PUMILIO蛋白来维持基因组的稳定性。尽管有这些值得注意的例子，大多数lncRNAs的功能仍然未知，并且假设许多lncRNAs可能没有功能，因为它们的最小序列保守性。

比较序列分析可以为剖析lncRNA的进化和功能提供有用的信息。通过序列分析，一项研究发现thorlnnc是脊椎动物中高度保守的lncRNA。进一步分析显示其在人类和斑马鱼中保守的致癌功能。另一项研究报道，斑马鱼缺乏lncRNAsCyrano和Megamind的缺陷可以通过与人类或小鼠的同源基因互补来修复。这些例子证明了通过序列分析寻找功能保守的lncRNAs的可行性。

脊椎动物中coPARSE-lncRNAs及其同源物的鉴定（图源自Nature Genetics ）

然而，绝大多数lncRNAs显示出很少的序列相似性。例如，在上述研究中，斑马鱼中只有5.1%的lncRNAs在序列水平上具有哺乳动物同源物。偶然的是，缺乏明显序列保守的lncRNAs可能仍然具有保守的功能。例如，人JPX可以挽救JPX敲除(KO)小鼠胚胎干细胞的细胞活力缺陷，尽管这两个同源基因在序列和结构上存在很大差异。因此，很明显lncRNA进化和蛋白质编码基因进化具有本质上不同的约束，迫切需要一种识别远缘物种lncRNA同源物的创新策略。

该研究开发了一种计算方法来鉴定具有保守基因组位置和跨物种 RBP结合位点模式的lncRNAs (coPARSE-lncRNAs)。共鉴定了570个与斑马鱼同源的人类coPARSE-lncRNAs，其中只有17个在两个物种之间具有可检测的序列相似性。此外，四种人类coPARSE-lncRNAs的缺失可以通过预测的斑马鱼同源物在表型上得到挽救，反之亦然。重要的是，包含某些RBP结合位点突变的野生型同源lncRNA片段而不是变体挽救了另一物种中coPARSE-lncRNAs的敲低/KO，支持coPARSE-lncRNA通过与特定RBP的相互作用在功能上相关。总之，该研究极大地扩展了脊椎动物中已知的保守lncRNA的数量，揭示了lncRNA功能的进化和机制，并提供了一个强大的工具和分析框架，以支持进一步研究功能性lncRNA的保护。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-023-01620-7

转自：“iNature”微信公众号

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