研究發現，在哺乳動物基因組中，只有不到 2%的轉錄產物具有蛋白編碼功能，其余 98% 均為非編碼 RNA （ noncoding RNA,ncRNA）[1,2]. 根據核苷酸序列的長度，ncRNA 可分為短鏈 ncRNA （ short/small ncRNA） 和長鏈 LncRNA（ long ncRNA） ,二者之間并沒有特別嚴格的界限，僅以 ncRNA 核苷酸序列的長度來區分，一般將長度大于 200 核苷酸 ncRNA定義為 LncRNA[3.7]. 根據核苷酸序列長度定義LncRNA 雖已得到了普遍的公認，但缺乏嚴謹性[8],已有報道證實，有些 LncRNA 的長度就小于 200 個核苷 酸[9]. LncRNA 分布廣泛，在動物[10,11]、植物[12]、酵母[13]甚至病毒[4]中均發現有 LncRNA 存在，其功能幾乎涉及到生物體生理及病理的全部生物學過程，既能調節細胞的增殖、分化及代謝等生理過程，也參與調節機體的各種病理過程，如癌癥、糖尿病、免疫病、阿爾茨海默病等[14,15,32 ,41]. 本文對近年來有關 LncRNA 的結構、功能及其作用機制的研究進展進行綜述。
1 LncRNA 的分子結構
盡管在過去 20 多年里，也有關于 LncRNA 的一些報道，但高通量測序技術的發展才使得從基因水平研究 LncRNA 成為可能[15]. 為了更深入地展開LncRNA 相關研究，了解其功能及作用機制，科學家們根據 LncRNA 在基因組中所處的位置及背景，將LncRNA 分為基因間 LncRNA （ intergenic LncRNA）和內含子 LncRNA （ intronic LncRNA） 以及正義LncRNA （ sense LncRNA） 和反義 LncRNA（ antisenseLncRNA） 等 4 種類型[4],也有人將 LncRNA 分為 5類，即正義、反義、雙向、基因內 LncRNA 及基因間LncRNA 等 5 種類型[2,8].結構是功能的基礎，任何物質的功能發揮都離不開其特有的分子結構，研究一個物質的結構是了解其功能及其作用機制必要前提。 因此，LncRNA 分子的結構解析對 LncRNA 的功能及作用機制研究同樣具有非常重要的作用。 但由于 LncRNA 處于生物體這個復雜的整體中，其自身會受到生物體的調控而發生相應的變化，加之數量龐大、分子量大、體外穩定性較差、難以結晶等特點，使得其結構研究困難重重，目前僅有少量研究報道其結構。
1. 1 LncRNA 的一級結構
LncRNA 的一級結構即為 LncRNA 的核苷酸排列順序。 LncRNA 調節基因功能的途徑多種多樣，其中最為重要的一種方式便是通過堿基互補配對方式與靶基因結合來直接調節靶基因的轉錄翻譯或間接調節靶基因上游或下游基因的轉錄翻譯[16],堿基配對的基礎便是其一級結構。 研究報道 LncRNA Gas5可直接與糖皮質激素上的 DNA 結合域 （ DNA.binding domain） 結合，進而與含有糖皮質激素反應元件（ glucocorticoid response elements） 目的基因競爭并調節其表達[17],而與靶標堿基互補配對的基礎便是 LncRNA 的一級結構。 LncRNA 參與調節的靶標既可以是 miRNA 也可以是 mRNA,如 Linc.MD1通過堿基互補配對的方式與 miR.133 和 miR.135 結合，競爭性抑制二者與靶基因的結合，進而發揮調節肌肉分化的作用[18]; 而 LncRNA1/2.sbsRNAs （ half.STAU1.binding site RNAs） 則可與 mRNA 的 3'.UTR區的 Alu 元件不完全配對結合，而形成 RNA 結合蛋白 Stau1 的結合位點，促進 Stau1 與 mRNA 的結合，通過 SMD （ stau1.mediated mRNA decay） 途 徑 使mRNA 降解[19].
1. 2 LncRNA 的高級結構
LncRNA 二級結構及三級結構 （ 空間結構） 是LncRNA 發揮其功能的中樞[20]. 2012 年，Novikova等[20,21]報道了人類 SRA LncRNA （ steroid receptorRNA activator LncRNA） 二級結構信息 （ Fig. 1） . SRA能夠激活數種性激素受體，并與乳腺癌的發病密切相關。
目前，還沒有更多關于 LncRNA 空間結構（ 三級結構及四級結構） 的研究報道，現有的關于 LncRNA高級結構的認識僅來源于 NEAT1. NEAT1 的兩個亞基擁有相同的啟動子及相似表達量 （ 人 NEAT1 亞基為： NEAT_V1∶ 3. 7kB,NEAT_V2∶ 22. 7 kB ） ,二者均參與特異性核腔隙 （ specific nuclearcompartments） .paraspeckles 的形成[21]. LncRNA 結構相關研究是一個全新的未知領域，隨著研究的深入，越來越多 LncRNA 在生物體生理病理過程中發揮的功能及其作用機制被大家所認知。 這些作用機制可能依賴它的一級結構或/和二級結構或/和三級結構。 因 此，LncRNA 的結構解析是深入了解LncRNA 的功能及其作用機制的必經之路。
2 LncRNA 的生物學功能
2. 1 LncRNA 與癌癥
目前，關于 LncRNA 功能相關研究中，最為深入的便是其在癌癥中的作用。 大量的研究報 道，LncRNA 在腫瘤的發生發展過程中均具有極其重要的作用[22,23],它既可作為原癌基因促進腫瘤的生成，亦可作為抑癌基因來抑制腫瘤細胞的增殖、遷移等。 在許多癌癥的發生發展中均伴隨著 LncRNA 異常表達。 對膀胱癌患者組織進行芯片分析發現有 3324 個 LncRNA 發生了異常表達（ 與對照組相比，變化倍數大于或等于 2） ,其中有 110 個 LncRNA 變化非常明顯（ 與對照組相比，變化倍數大于或等于 8） ,進一步的實驗驗證還發現，LncRNA TNXA、CTA.134P22. 2、CTC.276P9. 1 及 KRT19P3 變化與芯片數據高度一致[24]. 在膀胱癌中差異表達的 LncRNA 還有 LncRNA H19,其在膀胱癌組織中高表達，且體內外的實驗也已證實上調 LncRNA H19 可加速膀胱癌細胞的轉移[25]. LncRNA H19 可與 EZH2 （ zestehomolog 2） 結合后激活 Wnt / β.catenin,并下調 E.cad（ E.cadherin） . 因此，LncRNA H19 可能是通過與EZH2 結合并且抑制 E.cad 的表達來促進膀胱癌的轉移[25]. 除了膀胱癌，LncRNA H19 在前列腺癌中也發揮調節功能，LncRNA H19.miR675 軸可能通過調節轉化生長因子 β 誘導蛋白（ transforming growthfactor beta induced protein,TGFBI） 抑制前列腺癌的轉移[26],其中，TGFBI 與癌癥轉移密切相關，而miR675 能夠與 TGFBI mRNA 的 3'UTR 直接結合而抑制其翻譯。 HOTAIRM1 是一個基因間 LincRNA（ long intergenic noncoding RNA,LincRNA） ,在成熟髓系細胞（ myeloid cells） 中特異性高表達。 巴雷特食管（ Barrett\ue679s esophagus,BE ） 是公認的食管腺癌（ esophageal adenocarcinoma,EAC） 的癌前病變，80%的食管腺癌產生于 BE. 研究報道，LncRNA AFAP1.AS1 在 BE 和 EAC 中高表達[27]. 當小干擾 RNA 將LncRNA AFAP1.AS1 沉默時，能夠抑制 EAC 的分化，促進其凋亡，并能夠抑制 EAC 細胞的侵襲及其轉移，并且這不影響 AFAP1 蛋白的表達[27].LncRNA 泌尿系統癌癥相關基因 1 （ urothelialcarcinorna associated 1,UCA1） 可通過調節 Wnt 等多種基因促進膀胱癌細胞 BLS.211 的增殖并增強其耐藥性[28]. 應激介導長鏈非編碼轉錄體 5 （ long stress.induced non.coding transcripts5,LSINCT5） 在乳腺癌及卵巢癌中高表達，LncRNA LSINCT5 敲除后，可明顯抑制癌細胞的增殖[29]. 另外一些 LncRNA,如生長休止基因轉錄體 5（ Gas5） 可通過調控目的基因使細胞凋亡發揮抑癌基因的功能。 在乳腺癌中，Gas5 表達水平與正常對照相比顯著下調[30]. 研究發現，在乳腺癌中顯著下調的 LncRNA 還有 ZFAS1 （ zincfinger antisense 1）.
2. 2 LncRNA 與神經退行性疾病及精神疾病
隨著研究的深入，人們逐漸認識到，哺乳動物腦中不僅存在大量 LncRNA 的表達，且許多神經系統疾病的發生發展也常常伴隨著 LncRNA 的異常表達[32]. 阿茨海默?。?Alzheimer\ue679s disease,AD） 是最為常見的神經系統疾病之一，目前研究普遍認為 AD是由于患者腦中 β.淀粉樣蛋白（ amyloid.β，Aβ） 大量表達，繼而形成老年斑（ senile plaque,SP） 而引起的病變，而 Aβ 則是淀粉樣前體蛋白 （ amyloidprecursor protein,APP） 經分泌酶剪切加工后形成的產物。 β 分泌酶 1（ BACE1） 是剪切 APP 的分泌酶之一，它是產生 β.淀粉樣蛋白的關鍵分子，在 β.淀粉樣蛋白的聚集過程中起到非常重要的作用。 有研究[33]
報道，BACE1 的反義轉錄本 LncRNA BACE1AS在 AD 的發生發展中也扮演著非常重要的角色。 在應激條件下，BACE1AS 可與 BACE1mRNA 形成復合體以增加后者的穩定性，防止后者降解，從而有利于β.淀粉樣蛋白的進一步聚集。 而進一步的實驗研究也得出相似的結論，BACE1AS 在 AD 患者及 BACE1轉基因小鼠中均高表達[33,34]. 另有研究發現，Aβ142（ amyloid beta protein 142） 可以抑制 SH.SY5Y細胞的分化，誘導 APP 相關因子的表達及 SP 的形成。 AD 模型組中，Aβ142 和 Aβ140 蛋白及 mRNA的表達均有所上調，同時伴隨著 Ki67 表達的下調。
研究還證實，外源性 Aβ142 不僅促進 BACE1 的表達，還能促進 LncRNA BACE1AS 的表達。 LncRNA 增加 BACE1mRNA 的穩定性。 下調 SH.SY5Y 細胞中LncRNA BACE1AS 的表達可以減弱 BACE1 剪切APP 的能力，減緩 SP AD SH.SY5Y 模型中老年斑的形成[34]. 另有研究報道，AD 發生和發展還與LncRNA BC200 的變異表達及異常定位有關[35].LncRNA 也參與調節精神相關疾病。 精神分裂癥、情感分裂性精神障礙、雙相性障礙、重度抑郁及自閉癥譜系障礙等相關精神疾病的發生發展與精神分裂癥斷裂基因 1 （ disorder in schizophrenia.1,DISC1） 表達異常有密切的關系[36]. 研究報道，LncRNA DISC2 可調節 DISC1,因此，LncRNA DISC2也有可能成為治療精神疾病的一個潛在的靶標。 另外還有研究報道，自閉癥譜系障礙和阿茨海默癥與RELN 及其反義轉綠本 LncRNA HAR1 密切相關[37].
2. 3 LncRNA 與糖尿病
糖尿病是一類由多種因素引起的代謝性疾病，其主要特點是慢性高血糖，伴隨胰島素分泌受損或胰島素作用缺陷引起的糖、脂肪及蛋白質代謝紊亂。
世界衛生組織將糖尿病分為 4 種類型： 1 型、2 型、妊娠期糖尿病及其它類型糖尿病。 不同類型糖尿病的發病機制不盡相同，但它們均表現為使胰島 β 細胞功能衰退，不能分泌足量胰島素進而導致高血糖癥。
隨著研究的深入，已有大量的研究證實，miRNA 在糖尿病的發生發展中扮演著極其重要的角色。 然而，關于 LncRNA 在糖尿病中的作用卻知之甚少，目前僅有少量研究報道了 LncRNA 在糖尿病的發生發展中的作用。 如胰島素樣生長因子 2 （ insulin likegrowth factor 2,IGF2） 反義轉錄本 IGF2AS 以及第 10號染色體丟失的磷酸酶基因誘導激酶 1[PTEN.induced putative kinase 1,PINK1]的反義轉錄本naPINK1. 高濃度的葡萄糖刺激可上調胰島 β 中IGF2AS 的表達，暗示 IGF2AS 的表達可能與血糖濃度相關[38]. PINK1 可以被 PTEN 激活，而 PTEN 是一個重要的胰島素信號通路抑制劑，有研究報道，naPINK1 可能與糖代謝密切相關[39,40]. LncRNA 相關研究仍處于起步階段，而關于 LncRNA 與糖尿病相關研究報道更少，要想使 LncRNA 服務于糖尿病臨床診斷及治療等，還需要做大量的研究工作。
3 LncRNA 的作用機制
LncRNA 可通過多種形式參與調節生物體的生理病理過程。 根據現有關于 LncRNA 的研究報道，其作用機制可從兩方面來歸納總結。
3. 1 LncRNA 參與調節的生物學過程
3. 1. 1 參與基因的表觀遺傳調控 表觀遺傳學是研究生物體或細胞表觀遺傳的一門學科分支，在基因的核苷酸序列不發生改變的情況下，基因表達了可遺傳的變化。 目前已知的表觀遺傳學現象有 DNA甲基化、基因沉默、核仁顯性、組蛋白修飾、基因組印跡、母體效應、休眠轉座子激活及 RNA 編輯等。 表觀遺傳學現象的發現使人們認識到，RNA 可以參與調控使相同的基因型產生不同的表現型，而 LncRNA作為一種新的表觀遺傳調控分子，受到了廣泛的關注，越來越多的證據顯示，LncRNA 在表觀遺傳學調控中扮演著非常重要的角色[42]. 胞嘧啶甲基化是較為普遍的 DNA 修飾方式，即生成 5.甲基胞嘧啶，它是一個動態可逆過程。 5.甲基胞嘧啶可以在 Tet 甲基胞嘧啶雙加氧酶的作用下轉化為 5.羥甲基胞嘧啶，而 5.羥甲基胞嘧啶在胸腺嘧啶.DNA.糖基化酶的作用下，通過堿基切除修復最終將該位點轉化為胞嘧啶，實現 DNA 甲基化與去甲基化之間的轉換[43].研究 報 道，LncRNA TARID （ TCF21 antisenseRNA inducing demethylation） 通過誘導 TCF21 啟動子的去甲基化激活 TCF21 的表達[43],TARID 能夠與 TCF21 的啟動子和 GADD 45A（ growth arrest andDNA.damage.inducible,alpha） 相互作用，GADD45A是 DNA 去甲基化的調節因子，可以招募胸腺嘧啶.DNA.糖基化酶 （ thymine.DNA.glycosylase）[43]. DNA甲基化也稱為 CpG 的甲基化。 已知 CpG 島（ CpG島： 基因組中富含 CpG 位點的區域） 與基因表達的啟動序列密切相關，當基因的 CpG 島甲基化時，其轉錄活性受到抑制[44]. LncRNAXist （ X chromosomeinactive specific transcript） 就是通過調節目的基因使其 CpG 島發生甲基化，抑制 X 染色體基因的表達來介導 X 染色體失活[45]; 基因組印記是指來自親本的等位基因傳遞給子代時發生了修飾，使帶有親本印記的等位基因表達與親本不同的性狀。 而 H19LncRNA 對維持人類 11 號染色體近端的 IGF2 受體.H19 基因組印跡具有非常重要的作用[46]. 另外，LncRNA AIR 和 LncRNA Kcnqlotl 參與調節基因組印跡，同時，二者也可以通過募集組蛋白修飾酶使組蛋白發生修飾而影響目的基因的表達[47.49]. 研究發現，當細胞損傷時，細胞周期蛋白 D1（ cyclin D1,CCND1） 基因啟動子區可轉錄出一種低拷貝的LncRNA,它可將 RNA 結合蛋白 TLS 招募至 CCND1的啟動子區并激活 TLS,使其與組蛋白去乙?；附Y合進而抑制酶的活性，下調 CCND1 的表達[50].
3. 1. 2 參與基因的轉錄及轉錄后調控
可變剪接（ alternative splicing） 或選擇性剪接是指基因或mRNA 前體轉錄時產生的外顯子可以以多種方式通過 RNA 剪切進行重新連接，以此產生不同 的mRNA,進翻譯成不同的蛋白質。 LncRNAMALAT1 參與了基因的可變剪接[22,51]. 研究報道，MALAT1 能夠與富含絲氨酸 / 精氨酸的剪接調節蛋白相互作用，進而影響剪接的模式[51],而這些剪接調節蛋白本身又被其自身的磷酸化水平所調節。 當MALAT1 與剪接調節蛋白相互作用時，一方面可以使得剪接調節蛋白在剪接斑點（ splicing speckles） 重新分布[52],同時也可以調節這些蛋白自身的磷酸化水平，最終調節基因的轉錄過程。 由此，MALAT1 是一個非常重要的可變剪接的調節因子，干 擾MALAT1 表達與活性可嚴重影響機體的可變剪接過程[22]. 轉錄后調控是指基因轉錄后的產物的一系列加工、修飾及其調節的過程。 基因的轉錄后調控主要包括 RNA 的剪切、加工、拼接、代謝、成熟及穩定性調節等，它在基因的表達中占有極其重要的作用。
LncRNA 可通過與 mRNA 形成雙鏈復合物等形式，進而從轉錄后水平調控基因的表達[16]; 從目前已知的關于 LncRNA 基因轉錄后調控的文獻報道來看，它能夠調控轉錄后的各個步驟，如，Zeb2 的反義LncRNA 能夠與其內含子 5'端剪切位點所在區域形成互補雙鏈，從而阻止該內含子剪切，保證 Zeb2 蛋白的正常表達[53]; LncRNA 也可以"困住"拼接相關的調節蛋白影響基因的拼接過程[16]; LncRNA 還可以通過調節 mRNA 的翻轉（ mRNA turnover） 對基因進行轉錄后的調控。
3. 1. 3 參與基因翻譯的調控 LncRNA 通過調節mRNA 的穩定性及翻譯來調控基因的活性。 β 淀粉樣前體蛋白裂解酶 1（ BACE1） 在 AD 的發生發展中扮演著非常重要的角色。 LncRNA BACE1AS 通過與BACE1 相互作用使其 mRNA 穩定性增加，其直接影響便是 BACE1 蛋白表達量的增加[54]. LncRNA 同樣可以降低 mRNA 的翻譯效率[22]. LncRNA pseudo.NOS 與神經元性一氧化氮合酶 （ neuronal nitricoxide synthase,nNOS） 結合后，通過影響核糖體與nNOS. pseudo.NOS 復合物的結合抑制 nNOS 的翻譯[55].
3. 2 LncRNA 在生物學過程中充當媒介
3. 2. 1 充當分子支架 LncRNA 分子充當分子支架，將兩個蛋白（ 蛋白和 RNA） 分子綁定在一起進而發揮特定的生物學功能[56.59],如 LncRNA ANRIL 和LncRNA HOTAIR.3. 2. 2 充當分子向導 LncRNA 可以使特定的核糖核蛋白復合體定位到染色體的特定部位，進而改變基因（ 鄰近基因、遠距離基因均可） 的表達，發揮分子向導的作用[56,57,59].3. 2. 3 充當分子誘餌 某些 LncRNA 可能充當分子誘餌的作用，它可以誘導某些蛋白、RNA 或miRNA 分子離開特定區域[56,57,59,60]. 有些誘餌分子還可以成為蛋白或 miRNA 的"分子海綿",如LncRNA H19 是 miRNA Let.7 的"分子海綿",其序列中包含許多 Let.7 結合位點[59,61].3. 2. 4 充當信號通路的調節劑 某些 LncRNA 能夠響應來自細胞內或細胞外的信號，充當特定信號通 路 的 調 節 劑[56,57,59],如 LncRNA LUNAR1、LncRNA UCA1[59,62,63].
4 問題與展望
LncRNA 是真核生物轉錄本中非常重要的一個組成部分，能夠調節大約 70% 以上的基因表達，它在機體的生理及病理過程中均有非常重要的作用。
目前，LncRNA 的研究還處于初級階段，其功能、結構及其調控機制還需要進一步的闡明。 生物體所有的生命活動都依賴于其體內 DNA、RNA 及蛋白三者之間錯綜復雜的交互調控網絡，因此，未來的研究必將趨向于從整體、系統的角度去研究生物體的生命過程。 小到研究特定類型的細胞在不同時間、空間內所有蛋白、DNA、RNA 的表達情況及其相互之間的關系，大到特定組織甚至是生物體本身在特定時間特定空間內蛋白、DNA、RNA 的三維表達及其調控網絡，這是清楚了解生物有機體生命形式的一個必經之路。 但是三者本身數目之巨加上本身的結構復雜多樣，這將是一個龐大而艱巨的任務，需要全人類共同的努力才有可能完成。
