清華新聞網(wǎng)1月31日電 長(zhǎng)非編碼RNA（lncRNA）的發(fā)現(xiàn)和表征是過(guò)去幾十年分子生物學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。已有研究成果表明，lncRNA在發(fā)育、腫瘤等多種生理和疾病過(guò)程中發(fā)揮調(diào)控作用，但目前絕大多數(shù)lncRNA的功能仍然未知。通過(guò)鑒定不同物種間同源的lncRNA，可以篩選出在進(jìn)化過(guò)程中保守的lncRNA，這些lncRNA也更可能具備重要的功能。但是，由于lncRNA的序列保守性較低，傳統(tǒng)的序列比對(duì)方式只能鑒定出極少的不同物種間同源的lncRNA。例如，在斑馬魚(yú)和人類(lèi)上萬(wàn)的lncRNA基因中，通過(guò)序列比對(duì)只能找到幾十個(gè)序列保守的同源lncRNA。因此，不管是從lncRNA的理論還是技術(shù)方面考慮，目前都亟需一種新的方法來(lái)鑒定不同物種之間的同源lncRNA。
1月9日，清華大學(xué)張強(qiáng)鋒、北京大學(xué)汪陽(yáng)明、席建忠研究團(tuán)隊(duì)合作在《自然遺傳》（Nature Genetics）期刊上發(fā)表題為“計(jì)算預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鑒定人類(lèi)和斑馬魚(yú)之間功能保守的長(zhǎng)非編碼RNA”（Computational prediction and experimental validation identify functionally conservedlncRNAsfrom zebrafish to human）的研究論文。該工作開(kāi)發(fā)了一套新的計(jì)算流程，在包括人類(lèi)、小鼠、斑馬魚(yú)在內(nèi)的8種脊椎動(dòng)物中，鑒定保守的同源lncRNA，工作同時(shí)開(kāi)發(fā)了基于CRISPR的基因敲除和回補(bǔ)篩選系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所鑒定的同源lncRNA在不同物種中的保守功能，為該領(lǐng)域的研究提供了新的思路。
該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套鑒定不同物種之間同源lncRNA的計(jì)算方法（lncHOME）。lncHOME計(jì)算方法通過(guò)比較基因組和機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能方法，在8種脊椎動(dòng)物中鑒定出了一類(lèi)在不同物種中具有保守基因組位置及保守RNA結(jié)合蛋白（RBP）結(jié)合位點(diǎn)模式的lncRNA（圖1）。這些不同物種中潛在同源的lncRNA被命名為coPARSE-lncRNA（lncRNA withconserved genomic locations andpatterns ofRNA binding protein (RBP) bindingsites）。
圖1. 鑒定不同物種之間同源lncRNA方法（lncHOME）的計(jì)算流程
lncHOME計(jì)算方法鑒定了570個(gè)在斑馬魚(yú)中具有同源基因的人類(lèi)coPARSE-lncRNA，其中通過(guò)序列比對(duì)的方式僅僅只能鑒定出17個(gè)序列保守的同源lncRNA。相比于非同源的lncRNA，這些coPARSE-lncRNA基因富集了更多疾病相關(guān)突變，并且更傾向于在癌癥組織中異常表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明coPARSE-lncRNA可能具有重要的生理功能。
接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)深入探究了所鑒定的同源lncRNA的功能保守性。首先，通過(guò)建立CRISPR-Cas12a介導(dǎo)的大片段基因敲除篩選系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)鑒定出了75個(gè)能促進(jìn)癌癥細(xì)胞增殖的coPARSE-lncRNA，其中37個(gè)在HeLa細(xì)胞中起重要作用。接著，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于CRISPR-Cas12a的敲除和回補(bǔ)單步系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)回補(bǔ)預(yù)測(cè)的斑馬魚(yú)同源lncRNA片段，可以挽救其中4個(gè)人類(lèi)coPARSE-lncRNA的敲除所導(dǎo)致的HeLa細(xì)胞增殖的缺陷。更有意思的是，在斑馬魚(yú)胚胎中敲低這四個(gè)斑馬魚(yú)的coPARSE-lncRNA會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎發(fā)育延遲，而這些表型可以通過(guò)回補(bǔ)人類(lèi)的同源lncRNA進(jìn)行挽救。以上結(jié)果說(shuō)明這些同源lncRNA具有很強(qiáng)的功能保守性。
lncHOME算法得到的同源lncRNA具有保守的RBP結(jié)合位點(diǎn)模式。根據(jù)這一條件推測(cè)，coPARSE-lncRNA具有相似的RBP結(jié)合圖譜。針對(duì)其中兩條coPARSE-lncRNA，團(tuán)隊(duì)通過(guò)RNA沉降結(jié)合質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一假設(shè)。更重要的是，對(duì)于上面所描述的可以挽救細(xì)胞增殖或胚胎發(fā)育缺陷的同源lncRNA片段，如果突變其中某些RBP（例如NONO和IGF2BP2）的結(jié)合位點(diǎn)，所得到的新的片段無(wú)法起到挽救效果。這些突變實(shí)驗(yàn)證明了RBP結(jié)合位點(diǎn)對(duì)coPARSE-lncRNA的功能的重要性。
總而言之，團(tuán)隊(duì)的研究提供了一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的計(jì)算分析方法，鑒定得到了一系列在脊椎動(dòng)物中潛在同源的lncRNA，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了同源lncRNA的功能保守性。這些lncRNA在進(jìn)化過(guò)程中序列保守性逐漸消失，但是卻保留著保守的RBP結(jié)合模式（圖2）。該工作極大地?cái)U(kuò)展了當(dāng)前脊椎動(dòng)物中保守的lncRNA庫(kù)，為研究lncRNA的進(jìn)化、功能及作用機(jī)制提供了新視角和新資源。
圖2.coPARSE-lncRNA的進(jìn)化以及功能機(jī)制模型
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授張強(qiáng)鋒、北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院教授汪陽(yáng)明和席建忠為論文的共同通訊作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃文澤博士、熊團(tuán)林博士及北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院趙雨亭博士為論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所劉峰研究員、衡鑒博士，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院韓鴿博士、2019級(jí)博士生王鵬飛，北京大學(xué)趙志華博士、李娟博士、2021級(jí)博士生石銘和2023級(jí)博士生汪家震、吳怡霞為論文工作作出了重要貢獻(xiàn)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41588-023-01620-7
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
