從垃圾 DNA 中掏出黃金：lncRNA 與演化

想像你在細胞核內，RNA 聚合酶依照一段 DNA 轉錄出 RNA，這段 RNA 經過剪接後被運送到核外，核糖體的大小次單元接了上去，開始製造長長的肽鏈，這個肽鏈在細胞中漂浮，像是毛蟲般蠕動著，隨即被標上了廢棄的標記，進了蛋白酶體（proteasomes）的口袋裡，最後被分解殆盡，結束他的一生。咦？好像漏了些什麼？這段 DNA 的產物怎麼會完全沒有盡到他的本分就這樣消失？是的，這個荒謬的故事正在你我的細胞中上演著。這是一段 lncRNA 的故事。

近來發現，許多曾被稱作垃圾 DNA 的非編碼 DNA（non-coding DNA），不再毫無用處，而被發現會轉錄出 RNA 來調控細胞功能，除了為人所知的 rRNA、tRNA、miRNA 之外，有著各種已知或未知功能的 lncRNA 更是研究者的新寵。lncRNA，意即長鏈非編碼 RNA（long non-coding RNA），通常指的是長度大於 200 bp、不產生蛋白質的 RNA。不過近來的研究發現有些 lncRNA 也會像 mRNA 一樣被剪接，少數更會產生沒有功能的「廢物」肽鏈，因此目前要如何準確定義 lncRNA 仍有爭議。

一個細胞的轉錄體中約有十幾萬種 lncRNA，除了少數如 Xist、Hotair、Megamind 等已確定其功能，大部分仍未知或缺乏功能。在次世代定序盛行的現今，大量取得轉錄體（transcriptome）資料已非難事，而如何分析才是重點。於是為了研究方便，研究者將 lncRNA 又分出幾個次分類，其中一個較為明確的分類稱作「長鏈中介非編碼 RNA」（long intervening non-coding RNA, lincRNA），定義為不和任何基因外顯子（exon）重疊的 lncRNA。 [1]

我們藉由比較基因序列在不同物種間的保守度來推測其是否具有重要的功能，或重建親緣關係。多數功能重要的基因，受到天擇壓力而在物種之間比較保守，相對其他較不具功能或演化中性的基因，可以看到物種之間的變異程度較大。一般而言，外顯子與 5’UTR 在物種間的演化速率最慢，基因間序列（intergenic sequences）最快，lincRNA 的外顯子介於兩者之間，這代表部分 lincRNA 可能具有功能。[2]

於 2015 年刊登在 Cell Reports 的論文分析 16種脊椎動物和海膽的 lincRNA，發現了 lincRNA 在不同物種間的僅有極少部分是保守的，其他都隨著物種而差異甚大 [3]。例如嚙齒類的小鼠就僅有六成的 lincRNA 可對應到大鼠（mRNA 則是九成以上），儘管他們大約在 1500 萬年前才分家 [4]。人類、小鼠和斑馬魚之間僅有 29 個保守的 lincRNA [3]。如此的變異性使我們要依照其序列來估計物種演化距離會遭遇到很大困難。面對龐大的資料量，將來的工作量只會有增無減，能確定的是，這扇 lincRNA 的大門已然敞開，而這股掏金熱正如火如荼地進行中。

 

 

參考資料：

1. Ulitsky, I., & Bartel, D. P. (2013). lincRNAs: genomics, evolution, and mechanisms. Cell, 154(1), 26-46. doi:10.1016/j.cell.2013.06.020. https://goo.gl/cb7bLc
2. Cabili, M. N., Trapnell, C., Goff, L., Koziol, M., Tazon-Vega, B., Regev, A., & Rinn, J. L. (2011). Integrative annotation of human large intergenic noncoding RNAs reveals global properties and specific subclasses. Genes Dev, 25(18), 1915-1927. doi:10.1101/gad.17446611. https://goo.gl/y4giRJ
3. Hezroni, H., Koppstein, D., Schwartz, M. G., Avrutin, A., Bartel, D. P., & Ulitsky, I. (2015). Principles of long noncoding RNA evolution derived from direct comparison of transcriptomes in 17 species. Cell Rep, 11(7), 1110-1122. doi:10.1016/j.celrep.2015.04.023. https://goo.gl/BoFyz4
4. Kutter, C., Watt, S., Stefflova, K., Wilson, M. D., Goncalves, A., Ponting, C. P., . . . Marques, A. C. (2012). Rapid turnover of long noncoding RNAs and the evolution of gene expression. PLoS Genet, 8(7), e1002841. doi:10.1371/journal.pgen.1002841. https://goo.gl/hqo9YG

撰文│紀威佑
審稿│王振宇