如何研究lncrna与mrna的关系？

1．LncRNA简要\x0d\x0aLncRNA是一类转录本长度超过200nt的RNA，它们本身并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。生物体内含量相相当丰富，约占RNA的4-9%（mRNA约占1-2%）。LncRNA的组织特异性及特定的细胞定位，显示lncRNA受到高度严谨的调控，目前已知其与发育、干细胞维持、癌症及一些疾病相关。虽然近年来随着基因芯片及第二代高通量测序技术的广泛运用，lncRNA不断被发现，但此类转录本的确切功能还未知。目前市场上的lncRNA芯片通常将lncRNA与mRNA设计在一起，RNASeq数据中也包含lncRNA, mRNA序列，因此可以通过分析lncRNA与mRNA表达相关性对lncRNA进行功能注释。 \x0d\x0a2．分析流程图\x0d\x0a\x0d\x0a3. 分析内容\x0d\x0a①计算LncRNA与mRNA表达相关性，根据设定的域值筛选lncRNA与mRNA关系对，构建LncRNA与mRNA共表达网络，如下是全局网络\x0d\x0a\x0d\x0a②基于lncRNA与mRNA表达相关性以及lncRNA与mRNA基因组位置近邻关系，得到lncRNA的潜在靶标基因，对差异表达的lncRNA靶标基因进行功能注释以及功能富集分析，如下是功能富集的GO的Barplot图和差异lncRNA的Heatmap图\x0d\x0a\x0d\x0a③研究lncRNA与mRNA的共表达网络的拓扑学特性，基于度筛选网络拓扑上重要的lncRNA，这些lncRNA极有可能是与研究背景相关的lncRNA，如下是重要lncRNA与mRNA的局部共表达子网络\x0d\x0a\x0d\x0a④客户提供研究背景相关一组基因，根据表达相关性可以找出与这组基因相关的lncRNA，从而构建出感兴趣的共表达网络。通过构建的共表达网络能进一步找到感兴趣的 hub lncRNA。\x0d\x0a\x0d\x0alncRNA深度挖掘分析\x0d\x0a一、差异lncRNA靶基因预测\x0d\x0alncRNA的靶基因较为复杂,主要分为正式和反式两种作用机制.lncRNA作用机制与miRNA类似,均可以通过调控相应的mRNA来行使功能,所以靶基因的预测在科学研究中都显得非常必要。\x0d\x0a二、靶基因Gene Ontology分析\x0d\x0a我们将靶基因向gene ontology数据库的各节点映射,计算每个节点的基因数目.\x0d\x0a三、靶基因Pathway分析\x0d\x0a信号通路分析需要完备的注释信息支持，通过整合KEGG、Biocarta、Reactome等多个数据库的信息可以精确检验来进行Pathway的显著性分析。\x0d\x0a四、lncRNA与调控基因的表达机制\x0d\x0a通过整合lncRNA的信息和靶基因之间的关系,我们可以得到一个lncRNA与靶基因之间的调控网络图.\x0d\x0a五、 转录因子结合位点预测\x0d\x0a对于差异表达lncRNA，提取转录起始位点上下游序列,使用预测程序对其转录因子结合位点进行预测.\x0d\x0a六、基因关联分析\x0d\x0a现在市面上的lncRNA芯片均含有mRNA的表达探针,通过将lncRNA的靶基因分析结果与芯片上mRNA的表达结果做关联分析,可以更进一步的分析lncRNA的功能。\x0d\x0a七、信号通路调控网络构建：\x0d\x0a实验中基因同时参与了很多Pathway，通过构建信号通路调控网络，从宏观层面看到Pathway之间的信号传递关系，在多个显著性Pathway中发现受实验影响的核心Pathway，以及实验影响的信号通路之间的调控机理。\x0d\x0a八、lncRNA的功能分析\x0d\x0a根据lncRNA最新的功能数据库，利用生物信息学工具，做出Function-Tar-Net图表，从而得出lncRNA与功能的关系

生物通报道：长非编码RNA（lncRNA）长达两百个核苷酸以上的转录本，但并不编码任何蛋白质。尽管如此，长非编码RNA在不同组织和发育阶段的表达依然具有特异性，说明lncRNA的调控具有重要的生物学意义。细胞中绝大多数lncRNA（也称lincRNA）位于细胞核，它们对应的DNA区域有的与蛋白编码基因重叠，有的位于基因间或者内含子中。

为何细胞不惜耗费能量对这些非编码RNA的表达和定位进行严格调控呢？这些RNA分子究竟有何功能？RNA测序技术的发展使人们得以初窥这一神秘的分子，现在lncRNA的许多相关信息都可以在新数据库中查到，例如Broad研究所、哈佛大学和麻省理工共同开发的Human Body Map lincRNAs catalog。不过现在人们了解到的lncRNA只是冰山一角，还有大量lncRNA的功能有待科学家们去探寻。

lncRNA研究工具

现在lncRNA研究面临的一个主要挑战是，研究工具还在不断开发和改进中，其中包括设计带有不同lncRNA检测探针的芯片。安捷伦公司的SurePrint G3 Gene Expression v2 microarray就是其中之一，该芯片的探针设计不仅参照主要公共数据库中的mRNA，还参照了Broad研究所开发的lincRNA和TUCP（transcripts of uncertain coding potential）数据库，可以同时检测编码RNA和非编码RNA。据安捷伦公司基因表达产品经理Corinna Nunn介绍，lncRNA的表达水平比编码RNA低，“因此芯片的动态范围宽很重要，这样才能够保证检测到表达水平较低的基因。”

Affymetrix也推出了新版人类全转录本表达谱芯片GeneChip® Gene 2.0 ST Arrays，能够在一张芯片上同时检测mRNA和lincRNA。该芯片的设计结合了多个数据库资源，包括RefSeq、Ensemble、Broad研究所的Human Body Map lincRNAs和TUCP catalog。 “我们的超高密度芯片具有独特的探针，能够检测每个转录本各外显子上的多个位点，确保最大程度的捕捉相关生物学信息，” Affymetrix公司的Tsetska Takova说。生物通 www.ebiotrade.com

Arraystar公司自2009年就开始设计lncRNA芯片，近日该公司刚刚发布了可同时检测mRNA和lncRNA的的第三代lncRNA芯片Human LncRNA Microarray V3.0。Arraystar的技术支持专员Ed Davis介绍说，表达谱往往是研究lncRNA的第一步，不过开发lncRNA表达芯片仍然比较复杂，其中多个lncRNA数据库并存就是一个复杂因素。“为此，我们将公共数据库与重要lncRNA论文中的信息结合起来，建立了一个可靠的综合性lncRNA数据库，” Davis说。此外设计lncRNA探针也并不容易，因为lncRNA常常与附近的蛋白质编码基因重叠。Davis介绍道，“传统芯片探针是‘基因特异性的’，换句话说就是探针靶标转录本的3’端，因此无法区分转录起始位点或剪切方式可变所形成的多种转录本。但Arraystar的探针是‘转录本特异性的’，能够靶标外显子和剪接点，检测到单个基因的不同转录本。”

lncRNA的功能

阐明lncRNA的功能并不容易，Davis介绍道“与microRNA不同， lncRNA能通过多种机制起作用，而且很难依据其序列来推断其功能。” 据Affymetrix公司Takova称，实际上目前已知功能的lncRNA还不足1%。然而，越来越多的研究显示lncRNA在细胞正常分化和肿瘤发生中都具有重要作用。随着人们渐渐了解到正常和疾病状态下非编码RNA的差异，科学家们认为可以将非编码RNA作为生物指标进行疾病诊断和预测。

如何开展lncRNA功能研究呢？专家们介绍，除了表达谱研究以外，与特定lncRNA相关的蛋白编码基因也能够提供lncRNA功能的宝贵信息。Illumina公司RNA和表观遗传学市场经理Chris Streck也认为比起只研究编码RNA，分析整个转录组无疑更有价值。他指出，在ENCODE（DNA元件百科全书）计划的推动下，研究人员现在更注重综合性研究，包括RNA、DNA及调控功能等多个方面，其中非编码RNA的作用日益凸显。（ENCODE项目的目标是在人类基因组中确定所有转录区域、转录因子关联、染色质结构和组蛋白修饰。）生物通 www.ebiotrade.com

BC Cancer Agency的博后Ewan Gibb（Wan Lam实验室）正在研究lncRNA在疾病中的作用。“尽管不少lncRNA都已经有基因组注释了，但大多数lncRNA的功能仍然缺乏证据，” Gibb说。“我很肯定有成千上万的lncRNA都是功能性的，但我们仍需注意，普遍性转录并不意味着具有普遍性的功能。从转录谱着手深入阐明lncRNA的功能是至关重要的。”例如，罗马Sapienza大学的研究团队就阐述了一个lncRNA的功能，它作为内源性的竞争RNA控制着肌肉分化。Gibb指出，lncRNA研究的另一项挑战是找到lncRNA结构与其功能之间的关联。“有研究指出，lncRNA的结构以域为基础，这有点类似于蛋白质编码基因，”他说，“但这种组织形式如何形成，lncRNA的结构与其功能又有何关联，还有待进一步研究。”

在癌症等疾病中的作用

有一点很明确，lncRNA在疾病中有重要作用。lncRNA如何对疾病进程产生强烈影响呢？安捷伦公司资深科学家Anne Bergstrom Lucas介绍了Broad研究所的一项新研究，p53通常抑制着数百个基因，若下调p53相关lncRNA的水平，就会影响这些基因的表达。“指出lncRNA具有肿瘤抑制或致癌的直接作用，将为开发癌症新疗法打下基础，”她说。此外，ENCODE项目的最新进展也显示，约有80%的非编码基因组在基因调控中起作用。

Gibb正针对在人类癌症中表达异常的lncRNA进行功能研究。“一般来说，我们可以用计算机对深度测序所得数据进行分析，以此确定疾病中表达异常的lncRNA。而要阐明这些lncRNA的功能则依赖于传统的生化方法，”Gibb说。“解析lncRNA在人类癌症中的功能，不仅能大大拓展癌症治疗的靶标，也将有助于人们开发新的癌症治疗方法。例如，可以通过反义RNA或靶标lncRNA-蛋白相互作用来进行基因调控。”

已有许多研究显示，lncRNA不仅是调控者，也可以作为疾病的生物指标，例如名为HOTAIR的lncRNA。HOTAIR在原发乳腺肿瘤和转移瘤中的表达都会增加，原发肿瘤中HOTAIR的表达水平可以用来有效预测癌转移和死亡。还有一种称为PCA3（prostate cancer antigen 3）的lncRNA在前列腺癌中高度过表达。这种lncRNA是在尿液中发现的，相当便于临床检测。最近FDA已经批准了一个可以用于临床的商业化检测试剂盒Progensa PCA3 test。此外，据Arraystar的Davis介绍，在肝细胞癌中lncRNA-HEIH也高度表达，可以用Arraystar的LncRNA芯片进行检测。

除了癌症以外，lncRNA调控在一些遗传疾病中有重要作用，例如lncRNA调控异常与短指/趾畸形和HELLP综合症有关。而且有研究显示，lncRNA能够稳定阿尔茨海默症关键酶的mRNA。lncRNA能为我们揭示编码基因以外的疾病调控机制么？“在我看来，最令人兴奋的进展是，有越来越多的证据显示lncRNA与主要人类疾病密切相关，而且lncRNA与蛋白编码RNA相比，能够更好的用于疾病诊断和预后，”Arraystar的Davis说。希望有朝一日，非编码RNA能够成为帮助人们抵御疾病的有力武器。

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