长非编码RNA的亚细胞定位差异表达及其潜在功能分析

Accumulated lines of evidence have suggested that the proper subcellular localization of long noncoding RNAs (lncRNAs) is important for their correct functions. For example, nuclear lncRNAs can regulate gene expression at epigenetic and transcriptional levels. In addition, some nuclear lncRNAs also function as scaffold molecules to assemble nuclear bodies. Differently, cytoplasm lncRNAs in general play biological roles in the post-transcriptional level. Strikingly, some lncRNAs can even translate small peptides to involve in regulation. Nevertheless, the molecular mechanism of subcellular localization of lncRNAs and their dynamic regulation during differentiation or other processes have not yet been well studied. We will apply new methodologies of subcellular RNA fractionations, combined with next generation deep sequencing and computational analyses, to comprehensively annotate the subcellular distribution of lncRNAs among human stem cells and their neuronal differentiation. Importantly, we will systemically correlate the dynamic of lncRNA subcellular localization to their corresponding biological functions. Furthermore, we will also inspect the detailed molecular mechanisms of how the subcellular localization of lncRNAs affects their function, especially in pathology of human diseases. All these studies will provide a molecular basis for lncRNAs subcellular localization and their corresponding functions in both physiology and pathology.

越来越多的研究表明，长非编码RNA的关键功能作用与其正确的亚细胞定位密切相关。细胞核定位长非编码RNA主要是在表观遗传、转录以及核亚结构产生等水平发挥作用；而细胞质定位的长非编码RNA则主要在转录后水平发挥作用、甚至在特殊情况下可以产生短肽发挥功能。但是，对长非编码RNA的亚细胞定位、及其与功能的相关性研究迄今仍处于起步阶段。本申请项目通过进一步完善高精准度的亚细胞组分分离技术，并结合高通量测序和计算生物学分析体系，针对不同亚细胞组分的转录组长非编码RNA开展系统研究，以期全面揭示长非编码RNA的亚细胞定位及其动态变化规律，阐明长非编码RNA亚细胞差异定位的调控机制，构建长非编码RNA亚细胞定位及其功能的相关性图谱；进一步利用公共数据，对长非编码RNA的亚细胞定位与疾病发生的关联性展开分析。为深入揭示亚细胞定位对于长非编码RNA功能发挥、及其与疾病发生之间的关系研究提供坚实的理论基础。

近年来的研究表明大多数长非编码RNA具有调控功能，而其序列组成和结构对其亚细胞定位及所具有的功能具有重要影响。在本项目资助下，我们利用高通量测序和计算生物学相结合的交叉研究体系，对长非编码RNA的亚细胞定位差异表达开展研究，主要对在细胞浆中定位的反向剪接环形RNA的特殊生成加工和功能作用等进行探索。在研究过程中，依据国际前沿的研究进展，合理调整研究思路和内容，取得了一系列重要研究进展。利用已有的不同亚细胞组分的RNA-seq数据，开发基于随机森林和卷积神经网络的机器学习模型预测长非编码RNA的亚细胞定位；建立计算与实验相结合的高效交叉研究体系，构建环形RNA可变反向剪接图谱及其调控新机制；揭示外显子环形RNA是基因组假基因的新来源，并初步探索其对基因组遗传信息的潜在调控作用；阐述外显子环形RNA在人细胞中特异高表达的序列基础；发现外显子反向剪接与转录调控耦联的新机制；进一步发现抗病毒免疫相关的蛋白因子NF90/NF110介导环形RNA生成加工并出核定位的新机制；同时，整合多维度转录组生物大数据并开展计算分析，阐明RNA甲基化修饰对RNA编辑的负向调控作用及其机制。此外，构建了一系列基于CRISPR/Cas系统的单碱基基因编辑新技术，进一步揭示胞嘧啶脱氨酶（APOBEC）在CRISPR/Cas9介导的基因组编辑过程中产生突变的机制；利用多种APOBEC家族蛋白与多种CRISPR/Cas家族蛋白的差异组合，构建可在G/C富集区实现高精度C-to-T（胞嘧啶至胸腺嘧啶）单碱基编辑的新系统、开发可在A/T富集区域实现高精度C-to-T单碱基编辑的新系统、创建可在基因组高甲基化区域实现甲基化胞嘧啶mC-to-T的高效碱基编辑器，这为长非编码RNA的研究提供了新的研究手段。综上，上述研究为系统阐述长非编码RNA的亚细胞定位差异表达及其潜在功能分析奠定了坚实的理论基础，为全面理解长非编码RNA的序列、定位与功能提供了新基础，并拓展了新的研究方法和思路。