美国白头研究所科学家鉴定出保守的长链插入性非编码RNA(long intervening noncoding RNA, lincRNA)在斑马鱼胚胎大脑发育中发挥着关键作用。他们也证实人lincRNA版本能够替换斑马鱼lincRNA版本,这暗示这些非编码RNA的功能在人身上也保持着。2011年12月23日,这些研究发现发表在《细胞》期刊上。
在此之前,人们对lincRNA的研究主要是在细胞系上而不是在有机体层次开展的,这就排除了lincRNA如何影响生长和发育方面的研究。
白头研究所成员David Bartel,也是霍华德-休斯医学研究所的研究人员和麻省理工学院生物学教授,他说,“这些研究表明斑马鱼---一种经常用于研究动物发育的遗传学的模式动物---能够作为一种研究工具系统性地揭示lincRNA的功能。这是另一起在斑马鱼中的研究结果可能也适用于人的事例。”
人细胞转录的RNA只有少量作为表达蛋白的模板。其他的RNA被称作非编码RNA(non-coding RNAs, ncRNAs),它们位于编码蛋白的基因之间,长度不小于200个碱基的ncRNAs称作lincRNAs。
尽管它们在细胞中大量存在,lincRNA一直被认为是所有转录的RNA中的“暗物质”,因为人们对它们的功能或作用机制知之甚少,研究这类RNA的一个限制就是它们在不同物种之间存在较低的序列类似性。不像在物种之间经常保守的编码蛋白的基因,lincRNA基因通常在物种之间存在极其很少的保守性DNA序列。这种保守性的缺乏使得在亲缘关系较近的物种之间鉴定出相关的lincRNA存在困难,而在亲缘关系较远的物种之间则是不可能的。比如,Bartel实验室科学家Igor Ulitsky和Alena Shkumatava在斑马鱼中鉴定出500多种lincRNAs,但是发现只有20种在人和小鼠中都存在同源物。
Ulitsky和Shkumatava在这项研究中测试了这29种lincRNA中两种的功能,所采用的方法就是在斑马鱼胚胎中抑制这两种lincRNA。抑制这两种lincRNA对斑马鱼的大脑发育发挥着显著性的作用。降低这两种lincRNA之一的他们称作cyrano的lincRNA导致斑马鱼拥有扩大的鼻子,小的头和眼睛,短且卷曲的尾巴,而缺乏他们称作megamind的lincRNA的斑马鱼有着异常形状的头和扩大的脑室。
为了测试cyrano和megamind这两种lincRNA的人同源物是否为功能性同等的, Shkumatava注射人lincRNA版本到基因抑制的斑马鱼中。令人注目的是,人lincRNA挽救了斑马鱼,恢复了大脑发育和大脑大小,表明人lincRNA可能像它们的斑马鱼同源物一样在胚胎发育中存在同样作用。
美国国家卫生研究院国家综合医学科学研究所负责监管RNA加工和功能方面的资金的Michael Bender说,“这篇研究代表着一次主要的进展,因为它提供研究lincRNA---一类人们知之甚少但又大量存在的分子---的方法。研究发现人lincRNA在胚胎发育上的作用似乎非常类似于它们的斑马鱼同等物,这就意味着这种方法将在理解lincRNA在哺乳动物上发挥的作用提供非常有价值的启示。”
白头山研究成员Hazel Sive与Bartel及其他的实验室成员合作,利用斑马鱼研究大脑发育和与自闭症相关联的基因突变。Sive说,“斑马鱼是发现基因工作机制的一种极好的和易使用的系统。”
Ulitsky说,“我们人类与斑马鱼共享这小部分古老和奇特的基因,而且它们的功能在斑马鱼和人中得到保持。我们能够在斑马鱼中破坏它们,然后用人基因去替换它们,至少在我们研究的lincRNA上,人基因发挥作用从而恢复斑马鱼正确发育。”Shkumatava说,“由于lincRNA在斑马鱼和人之间存在的这种功能保守性,我们正将斑马鱼作为一种新的脊椎动物研究工具,能够用来揭示其他lincRNA的功能。”(生物谷:towersimper编译)