一个ceRNA假设：隐藏RNA语言的罗塞塔石？

总结

非编码革命

低等生物，如秀丽隐杆线虫与人类有相当数量的蛋白质编码基因(巴尔的摩，2001). 然而，人类基因组比秀丽线虫这表明，基因组的非编码部分在决定高等真核生物更大的复杂性方面至关重要(科斯塔，2008年;Mattick，2009年). 事实上，哺乳动物转录组中有很大一部分与蛋白质编码基因的注释外显子不对应(Kapranov等人，2007年)这意味着哺乳动物基因组中“携带信息”的部分要比之前预期的大得多。值得注意的是，对癌症基因组和转录组的系统分析已经确定了非编码基因的深刻变化(Beroukhim等人，2010年;Futreal等人，2004年;Stratton等人，2009年). 重排，如缺失、扩增、反转和染色体易位，可以改变非编码基因，就像改变编码基因一样。

虽然最近的研究已经开始将长非编码RNA（lncRNAs）的子集与特定的调控机制联系起来，但对全基因组范围内的非编码转录物知之甚少(长野和弗雷泽，2011年). 此外，对编码基因的潜在非编码功能知之甚少。最近的理论和实验研究表明，在特定情况下(Seitz，2009年;波利塞诺2010)，RNA通过竞争有限的microRNA库来影响彼此的水平。在这里，我们描述了一个统一的假设，将这种新的、潜在的可预测功能归因于编码和非编码转录组。我们概述了这一“竞争性内源性RNA”（ceRNA）假说，包括其逻辑，然后讨论了其最近的实验证据以及改变其体内平衡的后果。总的来说，我们假设所有类型的RNA转录物都通过一种由微RNA结合位点（MRE或“微RNA反应元件”）介导的新“语言”进行交流，并且实验技术的最新进展最终使我们能够听到和翻译这种语言。

这个ceRNA主角

ceRNA假说

RNA转录物通过ceRNA语言进行通信

微RNA是基因表达的负调控因子，降低目标RNA的稳定性或限制其翻译(Fabian等人，2010年). 因此，微小RNA通常被视为主动调控元件，而靶mRNA被视为抑制的被动靶点(图1A，左侧).

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图1

颠覆microRNA-mRNA相互作用的传统逻辑

mRNAs如何影响microRNAs的特征不如microRNAs如何影响mRNA的特征。答：信使核糖核酸和微小核糖核酸之间的关系可能是相互的(Seitz 2009年)导致一个mRNA的水平影响另一个mRNA.因此，RNA分子可以通过microRNA和microRNA识别序列（MRE）相互通信。共享MRE的数量越多，“沟通”水平就越高，从而共同监管。C、。RNA分子的3’UTR含有MRE，可以发挥作用顺式调节RNA分子本身，但也可能在trans中调节microRNA的水平，从而调节其他RNA的水平。

相比之下，Seitz在2009年假设通过计算确定的microRNA结合位点可以滴定microRNA，从而调节microRNA的可用性(Seitz，2009年). 我们最近通过实验证明，假基因由于其高序列同源性，可以起到合法的作用真诚地因此，microRNA竞争对手通过一系列保守的MRE与他们祖先的蛋白质编码基因积极竞争同一个microRNA库(Poliseno，2010年). 人们观察到，竞争microRNA的结果是microRNA检测减少，从而削弱了microRNA活性(Cazalla等人，2010年;Lee等人，2010年;Wang等人，2010年).

因此，我们假设除了传统的microRNA→ RNA功能，一种反向RNA→ 存在microRNA逻辑(图1A，对)其中，真正的编码和非编码RNA靶点可以通过其竞争microRNA结合的能力进行相互对话。根据这一假设，MRE可以被视为“RNA语言”的字母，通过这种语言，转录本可以积极地相互交流，以调节各自的表达水平(图1B). 我们假设，共享多个MRE的RNA将有效地进行串扰。重要的是，我们预测这种“RNA语言”可以通过识别相互对话的ceRNA以及ceRNA网络来实现整个mRNA维度的功能化。

除了为所有非编码RNA赋予一种新的全局功能外，ceRNA假说还挑战了蛋白质编码基因必须翻译成蛋白质才能发挥功能的概念。我们认为，mRNA也可能通过调节其他mRNA的能力而具有额外和可预测的功能。此外，mRNA的非编码功能可能与编码功能一致，但这两种功能也可能不一致，甚至在效果上相反，从而在生理和病理条件下创建内置的调节回路、功能复杂性和多样性。

此外，ceRNA假说可以解释3'UTRs的调节功能(Rastinejad和Blau，1993年;Rastinejad等人，1993年). 除了担任顺式改变自身转录物稳定性的调节因素，3'UTR也可能作用于反式通过microRNA结合调节基因表达(图1C). 鉴于最近发现3'UTR与相关的蛋白编码序列（通常与其相连）分开表达，这一点尤其重要(Mercer等人，2010年). 此外，我们建议所有类型的RNA都可以相互竞争小RNA，产生大规模的反式-整个转录组中的监管串扰。

支持ceRNA假说的实验证据

最近，我们的工作通过实验证明，非编码假基因确实可以与其祖先基因结合并竞争同一组microRNA(Poliseno等人，2010年). 具体来说，我们发现肿瘤抑制基因中有许多MREPTEN公司在其相关假基因中保守PTENP1公司和过度表达PTENP1公司3’UTR增加了PTEN公司和生长抑制DICER公司-依赖方式。有趣的是，在PTENP1公司散发性结肠癌的基因座表明PTENP1公司可以被认为是一种肿瘤抑制基因(Poliseno等人，2010年).

我们和其他实验室已将此分析扩展到其他基因伪基因合作伙伴（例如。KRAS公司及其假基因KRAS1P公司)和蛋白质编码mRNA[例如。PTEN公司3英尺UTR(Poliseno等人，2010年)，versican 3'UTR(Lee等人，2010年;Lee等人，2009年)，CD44 3'UTR(Jeyapalan等人，2010年)]. 总的来说，这些发现表明来自假基因和编码基因的3'UTR可能通过其作为microRNA内源性诱饵的能力而具有强大的生物活性。

大约在识别这些内源性诱饵的三年前，许多研究发现外源性表达的“microRNA海绵”能够特异有效地抑制microRNA功能(Ebert等人，2007年;Brown等人，2007年;Gentner等人，2009年). 微RNA海绵是一种人工转录物，包含单个MRE的多个副本。它们通常被克隆到病毒载体中，以便能够高水平表达(Ebert和Sharp，2010年). 海绵结构的应用是令人兴奋的，也许基于RNA的治疗模式的未来也是如此(Brown等人，2007年;Gentner等人，2009年). 类似地，我们认为ceRNAs是“内源性海绵”，能够影响microRNA分子在所有靶点上的分布。与人造海绵不同，ceRNAs包含不同microRNAs组合的MRE，因此它们可以影响多个microRNA的多个靶点。

除了假基因外，最近还报道了ceRNA的其他例子。Franco-Zorrilla及其同事证明，非编码RNA IPS1拟南芥通过模仿miR-399的靶点来隔离miR-398，这种现象被称为“靶模仿”(Franco-Zorrilla等人，2007年). 类似地，中的非编码-RNA赛米里疱疹病毒RNA已被证明与人类miR-27结合并导致其降解，从而可能为病毒感染和转化创造一个宽松的细胞环境(Cazalla等人，2010年). 此外，肝癌（HULC）中高表达的lncRNA隔离内源性miR-372以调节其自身在HCC中的转录上调(Wang等人，2010年). 值得注意的是，迄今为止报道的所有内源性海绵都不编码蛋白质。

虽然我们的假设适用于蛋白质编码和非编码RNA，但我们推测非编码ceRNAs可能是高效的抑制剂，因为它们致力于与microRNA结合，而不受活性翻译的任何干扰(Gu等人，2009年). HITS-CLIP和其他相关技术的进一步发展和广泛使用将最终揭示微RNA对假基因和lncRNA的调控的全部程度，以及它们在ceRNA网络中的各自影响和定位。

单个微RNA的有效性受其靶mRNA浓度的影响，这一事实有力地支持了ceRNA假说(Arvey等人，2010年). 与靶基因较少的microRNA相比，靶基因较多的MicroRNAs可能在较小程度上下调每个单独的靶基因。同样，当一个特定的mRNA上调时，其靶向microRNA所产生的抑制作用会被稀释，因为MRE的总数超过了microRNA本身(图2). 因此，改变单个ceRNA的表达水平会对与其共享MRE的其他ceRNA产生影响。

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图2

微RNA的有效性受其MRE的细胞浓度影响

多个RNA转录物可以包含同一microRNA的MRE。任何这些RNA转录物的上调都会增加特定MRE的细胞浓度，这可能会降低相同microRNA靶向的转录物水平。

ceRNA癌症的病因

原则上，几乎任何具有至少一个可与microRNA结合的MRE的RNA分子都可以充当ceRNA。因此，要表征ceRNA网络，需要准确识别RNA分子中的MRE。事实上，我们推测这种类型的分析可以揭示蛋白质组学和传统基因组方法所忽略的分子相互作用和基因调控网络。在这个框架下，编码和非编码基因的异常表达应该在人类疾病的背景下进行系统研究。

假基因是ceRNA的一个引人注目的例子，因为它们可能拥有许多（如果不是全部的话）相同的MRE，这些MRE藏匿在它们的祖先基因上，因此可以充当“完美的海绵”。然而，假基因调节细胞生物学的能力可能超越了它们祖先基因水平的调节。例如，PTENP1公司即使在PTEN公司空上下文，因为它改变了通常调节PTEN的microRNA网络(Poliseno等人，2010年). 此外，诸如OCT4、NPM1，许多核糖体蛋白假基因通常具有许多差异调节的假基因(Balasubramanian等人，2009年)这表明，基因-假基因网络可以变得广泛而复杂的动态。

在癌症的背景下，我们假设的一个直接含义是，现在应该通过ceRNA功能，将假基因和lncRNA作为潜在的肿瘤抑制因子和致癌基因进行系统研究。因此，内源性lncRNA海绵的概念最近与肝癌的进展有关。据报道，lncRNA HULC是肝细胞癌所有基因中上调最多的基因之一(Panzitt等人，2007年). Wang及其同事发现CREB（cAMP反应元件结合蛋白）参与HULC的上调(Wang等人，2010年). 他们还证明，HULC RNA通过ceRNA功能抑制miR-372活性。这反过来导致其靶基因之一PRKACB的去表达，PRKACB可以诱导CREB的磷酸化和活化。总的来说，HULC-lncRNA是一个自我放大的自我调节环的一部分，在这个自我调节环中，它海绵状miR-372激活CREB，进而上调自身水平。

癌症中常见的总基因组丢失和扩增可能对ceRNA包含在这些区域中。此外，在ceRNA假说下，基因缺失事件应与消除蛋白质功能但保留完整ceRNA功能的点突变明确区分开来。

如果ceRNA假说被证明是正确的，那么在建立小鼠疾病模型时需要考虑敲除和过度表达ceRNA的影响。例如，当产生基因敲除小鼠时，必须考虑是否只有转录物或蛋白质表达被破坏。许多实验技术通常忽略UTR并将功能研究局限于基因编码区。例如，在生成转基因小鼠时，标准做法是只过度表达编码序列，而不是UTR。然而，微小RNA的结合位点可能出现在3’UTR、5’UTR和编码区(Tay等人，2008年)表明整个转录本可能具有内在的反式监管职能。因此，许多传统工具和技术通过将其焦点或范围限制在编码区域，可能忽视了基因的全部功能。

染色体易位事件和反复的“通读”转录物在癌症中很常见。例如，t（15；17）易位产生PML-RARα和RARa-PML公司融合转录本通常见于急性早幼粒细胞白血病，而或“通读”转录本CDK2-RAB5B型常见于黑色素瘤(Berger等人，2010年;Scaglioni和Pandolfi，2007年). 此类事件可被视为“UTR-swap”，由于UTR的错位和随后的表达改变，导致MRE水平受到干扰(图3).ceRNA扰动也可能是体细胞基因组重排影响非编码区的结果，这在许多癌症中是迄今为止未被重视的事件(Stephens等人，2009年)

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图3

细胞ceRNA的潜在病理改变

许多类型的遗传事件可以改变特定转录物的丰度或序列。根据ceRNA假说，这些事件可以通过改变可用于沉默特定转录物的microRNA水平，诱导“编码无关”效应。

异常的选择性剪接事件也可能将新的RNA序列和潜在的新MRE引入细胞。因为剪接在疾病和癌症中会受到干扰(Venables等人，2009年)，相关的扰动ceRNA网络也可能导致病理。类似地，在人类癌细胞中观察到3'UTR缩短(Mayr和Bartel，2009年)不仅会影响微RNA依赖的mRNA调节，而且从另一方面来说，也可能改变特定mRNA转录物的能力，以“海绵”或滴定掉微RNA。

所有这些描述的事件都有一个共同点；它们代表了给定转录物（以及由此产生的MRE）表达水平的扰动，无论转录物是否翻译成蛋白质。因此，确定给定转录物水平的升高或降低是否可以通过改变miRNA的竞争来发挥致癌活性将是一件有趣的事情。

结论

总之，我们假设编码和非编码RNA之间的串扰通过MRE在转录组中形成大规模调控网络。这种ceRNA活性可以为进化问题提供答案，因为它可能在一定程度上解释基因组大小和生物体复杂性的相关性。此外，ceRNA和ceRNA网络的扰动可能会对疾病产生影响，但另一方面，它可能解释疾病过程并为新疗法提供机会。尽管对这一领域及其后果的理解还处于初级阶段，但我们相信，实验工具现在已准备好充分识别microRNA结合位点，并对ceRNA“语言”的基本词汇进行编目我们设想，ceRNA语言将使我们能够通过微小RNA竞争来预测和操纵调控网络。未来的挑战将是理解为什么存在这样的监管网络，它们可能是如何演变的，以及当它们受到干扰时会产生什么后果。只有这样，我们才能完全破译这种隐藏RNA语言的“罗塞塔石碑”。

致谢

脚注

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