综述：短寿命与长寿命长链非编码RNA（lncRNAs）：RNA稳定性作为调控功能的决定因素

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Regulatory Mechanisms》：Short-lived versus long-lived lncRNAs: RNA stability as a determinant of regulatory function

　　

田英纪（Hidenori Tani）

横滨药科大学健康药学系，日本横滨市户冢区松野601，邮编245-0066

摘要

长链非编码RNA（lncRNAs）根据序列、基因组背景和亚细胞定位进行分类，然而RNA的稳定性仍然是功能分类中一个尚未充分研究的维度。通过BRIC-seq进行的全基因组分析发现了数百种半衰期低于4小时的lncRNAs，这些RNA被称为短寿命非编码转录本（SLiTs），而能够在有丝分裂后细胞中持续存在多年的长寿命RNA（LL-RNAs）则代表了另一个极端。我们认为稳定性是lncRNA功能的一个重要决定因素：短寿命的lncRNAs作为动态分子传感器，能够快速响应转录过程；而长寿命的lncRNAs可能作为结构支架，维持有丝分裂后细胞的染色质结构。本文综述了lncRNA的周转机制、稳定性在疾病中的功能后果，并提出RNA半衰期作为另一个潜在的维度——一个补充性的“第五代码”，与序列、结构、修饰和定位一起用于预测非编码RNA的功能。需要强调的是，这一提议目前主要基于半衰期与功能类别之间的相关性，而“第五代码”最好理解为上游调控输入的综合体现，而不是一个独立的决定因素。此外，本文明确区分了实验验证的结果和基于假设的解释。

引言

人类基因组编码了数万种长链非编码RNA（lncRNAs），这些转录本的长度超过200个核苷酸，不具备蛋白质编码能力[1]、[2]。曾经被忽视为转录噪声的lncRNAs，现在被认为是基因表达的关键调节因子，它们通过多种机制发挥作用，包括染色质重塑、转录干扰、转录后调控以及竞争性内源性RNA（ceRNA）活性[3]、[4]。根据GENCODE数据库的统计，目前已知的lncRNAs数量超过19,000个（最新注释见参考文献5，Frankish等人，2021年），而对其功能的精确注释仍然是非编码RNA生物学研究的核心挑战之一。

现有的lncRNA分类方案依赖于基因组背景（基因间、反义、内含子）、亚细胞定位（核内、细胞质）或作用机制（支架、引导、诱饵、信号传导）[6]、[7]。尽管这些分类方法很有用，但它们通常没有考虑一个基本的生物物理参数：RNA分子的内在半衰期。RNA的稳定性决定了基因表达的时间动态——它决定了转录激活后转录本积累的速度以及转录停止后其消失的速度。对于调控RNA而言，半衰期不仅是一个被动属性，还是功能的一个主动决定因素，决定了一个分子是作为快速响应传感器还是长期结构元件发挥作用。

两项里程碑式的发现定义了lncRNA稳定性的两个极端。首先，Tani等人[8]使用BRIC-seq（5'-溴尿苷免疫沉淀追踪-深度测序）技术对全基因组范围内的1,400多种非编码转录本的半衰期进行了测量，其中795种转录本的半衰期低于4小时，他们将其称为短寿命非编码转录本（SLiTs）。这一发现表明，大量的非编码转录本本质上是不稳定的——这与快速降解意味着功能无关的观点相矛盾。BRIC-seq的方法学基础在相关论文（参考文献[9]，Imamachi等人，2014年）中有详细说明。其次，Zocher等人在《科学》杂志上报道，在小鼠神经元中，某些特定的核RNA能够持续存在至少两年而不会被降解，从而定义了一类长寿命RNA（LL-RNAs）。这些LL-RNAs主要是非编码的，与染色质相关，并且对于维持有丝分裂后细胞的异染色质完整性至关重要。

在本文中，“支架”一词有两种不同的含义，我们在开头进行了定义，并在§6.1部分进一步澄清：（i）“染色质结构支架”——指在数小时到数年的时间尺度上持续存在的染色质状态组织，例如Xist（X染色体涂层）和LL-RNAs（异染色质维持）；（ii）“核糖核蛋白（RNP）/凝聚体支架”——指在几分钟到数小时的时间尺度上组织的核或细胞质中的核糖核蛋白复合物（如paraspeckles、stress granules、P-bodies），这些复合物可以由短寿命的lncRNAs（如NEAT1）调控。这里提出的稳定性-功能范式主要适用于染色质结构支架；而RNP/凝聚体形式则完全可能与快速周转相兼容，在某些情况下可能依赖于快速周转。

SLiTs和LL-RNAs的对比表明，lncRNA的稳定性可能不是随机分布的，而是受到选择压力的影响，这种压力使转录本的半衰期与其生物学功能相匹配。在本文中，我们提出RNA稳定性可以作为lncRNA功能分类的一个有用补充维度——一个尚未确定的“第五代码”，与序列、二级结构、化学修饰和亚细胞定位一起使用。我们使用“第五代码”这一术语作为一个综合性的启发式概念，并非主张其具有机械上的优先性。直接证明RNA稳定性是lncRNA功能因果决定因素的实验证据仍然有限；这一注意事项在§7.2部分有详细说明。对于生物化学家和分子生物学家来说，将RNA半衰期数据整合到lncRNA注释中可能有助于将转录组观察结果与机制理解联系起来。我们系统地评估了将lncRNA半衰期与调控机制联系起来的证据，探讨了决定和调节lncRNA稳定性的分子因素，并讨论了稳定性-功能范式对理解疾病和设计基于RNA的疗法的意义。

章节摘录

基于转录抑制剂的方法的局限性

历史上，RNA半衰期是通过使用放线菌素D或α-amanitin阻断转录并监测单个转录本随时间的消失来测量的[13]。这些方法提供了mRNA和rRNA稳定性的初步估计，但它们存在一个根本性局限：转录抑制剂会引发严重的细胞应激，激活凋亡途径并改变正在研究的RNA降解过程[14]。对于许多表达水平较低的lncRNAs来说，这些方法并不适用。

短寿命非编码转录本（SLiTs）

SLiTs被定义为半衰期低于4小时的非编码转录本，这一分类最初由BRIC-seq提出[8]。4小时的阈值是一个操作性的、基于数据集的划分标准，而非绝对的生物学界限；它是在最初的BRIC-seq研究中选定的，反映了非编码RNA半衰期分布的一个明显转折点，将快速降解的转录本群体与HeLa Tet-off细胞中的稳定多数群体区分开来。

lncRNA稳定性的分子决定因素

本节讨论的分子决定因素——顺式元件、RNA结合蛋白（RBP）、化学修饰、染色质关联和细胞环境因素——共同决定了lncRNA的稳定性。我们将在§7.2部分再次探讨稳定性是否最好理解为lncRNA的一个独立属性，还是这些上游输入的综合体现。

短寿命lncRNA的显著特征是它们具有快速的时间动态性。一个半衰期为两小时的转录本在转录激活后大约七小时内可以达到其新的稳态水平的90%，而在转录停止后的同一时间段内其水平会降至初始水平的10%。这一数学特性使得所谓的“脉冲-重置”范式成为可能：短暂的SLiT表达爆发可以执行离散的调控作用。

结构支架和染色质维持

在继续讨论之前，我们首先对lncRNA文献中提到的两种“支架”形式进行以下操作性区分，以避免稳定性类别和功能类别之间的概念重叠（这一点得到了审稿人的关注，并在§6.3和§7.3部分进一步讨论）：

• (i)
  染色质结构支架指的是在数小时到数年的时间尺度上持续存在的染色质状态组织，例如Xist（X染色体涂层）和LL-RNAs（异染色质维持）；

稳定性作为功能预测指标

上述证据支持一个工作原理：lncRNA的半衰期可以提供关于其可能功能类别的信息。短寿命lncRNAs往往作为动态调节因子（传感器、诱饵和短暂引导因子）发挥作用，而长寿命lncRNAs则通常作为染色质结构支架（图3）。这一原理并非绝对；也有例外情况（例如NEAT1作为SLiT范围内的RNP支架，见§6.3），同一个lncRNA可能具有不同的功能。

癌症

SLiTs在癌症中经常失调。HOTAIR的过表达通过PRC2介导的肿瘤抑制基因沉默促进多种癌症类型的转移[49]。GAS5在促进生长的条件下通常会迅速降解，但在许多肿瘤中却异常减少，从而解除其对糖皮质激素受体的抑制作用并促进细胞增殖[57]。TUG1和CDKN2B-AS1也参与了癌症进展，它们的表达水平变化与癌症进展相关。

结论与未来展望

本文认为RNA稳定性为lncRNA分类提供了一个有用但尚未得到充分重视的功能维度，它将动态调节分子（SLiTs）与染色质结构支架（LL-RNAs）区分开来，并揭示了两者之间的连续稳定性谱。证据支持几个关键结论，我们在文中区分了已通过实验验证的发现和仍需验证的提议。我们再次强调，“第五代码”这一概念

田英纪：负责撰写——审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。

资金支持

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的特定资助。

作者声明不存在利益冲突。

作者感谢Tani实验室的成员们提供的有益讨论，并感谢东京大学在BRIC-seq和全基因组RNA稳定性分析方面的开创性工作，这些工作为本文奠定了概念基础。作者还感谢BBAGRM-D-26-00090项目的两位匿名审稿人提出的实质性且建设性的批评意见，这些意见显著改进了本文的质量。