衰老是机体不可避免的过程，表现为组织和器官的逐步衰竭与疾病和死亡风险的增加。在人类近200年的社会发展中，由于生活水平的提高和医疗资源水平的提升，虽然人类的期望寿命延长了近一倍，但健康寿命（healthspan）却仅仅增加了4.6年。更长的寿命意味着患慢性病风险的增加，如心血管疾病和神经退行性疾病等，而衰老进程也影响了感知、运动和认知功能，从而降低了晚年生活质量（Partridge et al, Nature 2018）。转录组的改变作为衰老过程中重要的分子特征，可以作为各个器官功能衰退的分子标志物（Benayoun et al, Genome Research 2019）。通过高通量测序技术，研究人员揭示了在不同组织中衰老相关的基因表达谱（Cheng et al, PNAS 2018; Schaum et al, Nature 2020; Tabula et al, Nature 2020; Ahadi et al, Nat Med 2020），揭示在大脑、肝脏等组织的衰老过程中，转录组中蛋白编码基因表达的变化主要与炎症反应相关，同时强调将慢性炎症指标作为衰老的标志物（Ori et al, Cell Syst 2015）。
目前关于转录组测序中与衰老相关的非编码RNA功能鲜有报道，而在Gencode数据库中非编码RNA的数量比蛋白编码基因更多，因此探索非编码RNA在衰老过程中的表达发生变化的原因，了解其参与调控衰老过程的研究显得尤为重要。
韩敬东研究组长期致力于衰老相关的机制研究。研究人员通过生物大数据分析发现衰老过程中lncRNAs的特性，并通过CRISPR功能筛选出能调控NFκB信号通路的衰老相关lncRNAs。基于研究组在衰老人群的脑和血液研究中获得的相关转录组数据（Cheng et al, PNAS 2018; Xia et al, Nat Metab2020）和NCBI数据库中10个物种衰老相关的转录组数据，将11个物种的基因组进行同源比对和转录本相似性两两组合分析，得到这11个物种间的蛋白编码基因和非编码RNA的进化保守性状态（图1）。按照进化年龄构建出11个物种的进化树，并把物种特异或保守数目标注在进化树中，得知大部分lncRNA都有物种特异性，并识别出9032 (26%)个人的lncRNA保守到其它物种中，在衰老相关的蛋白编码基因中显著保守，并随进化年龄富集程度增加；在血液衰老相关的lncRNA中，其保守程度也随着进化年龄而增加；与脑部衰老相关的lncRNA的保守程度在脊椎动物中有所增加。同样，功能相关的lncRNA会随着进化年龄而出现富集程度的增加。为了研究与衰老相关的lncRNA是否受到更复杂的转录调控，研究人员扫描了转录因子在基因的启动子区域，并计算其富集分数，发现与衰老相关的蛋白编码基因和lncRNA的转录因子的富集程度比非衰老相关的基因更强，有40个转录因子的motif富集在9个脊椎动物与衰老相关的lncRNAs中，其中包含RELA，RUNX1和BCL6。
图1. 11个物种间两两比对识别同源基因流程图
为了研究与衰老相关的lncRNA的潜在功能，研究人员采用guilt-by-association方法基于与蛋白基因表达的相关性来预测lncRNA的功能。发现脑衰老上调的lncRNA与免疫功能相关，如NFκB信号通路和细胞因子受体；脑衰老下调的lncRNA与神经系统功能相关，如神经系统发育和突触延伸；而血液衰老相关的lncRNA与NFκB信号通路和线粒体功能密切相关。由于预测的功能与蛋白编码基因的功能高度相似，研究人员推测衰老相关的lncRNA与蛋白编码基因被相似的信号通路调控，并对脑衰老和血液衰老的lncRNA做转录因子的motif富集分析，发现上调的lncRNA均富集了RELA的motif。通过REMAP ChIP-seq数据库对lncRNA富集分析同样发现NFKB1和RELA的显著富集。为了研究与衰老相关的lncRNA是否具有调节NFκB信号通路的功能，在NFκB的报告细胞中通过CRISPR筛选调控NFκB的lncRNA，获得了显著调低GFP（p<0.05）的64个蛋白编码基因和72个lncRNA。通过对72个GFP低的lncRNA注释进化年龄、衰老相关性和启动子区域的RELA motif，筛选出符合上述三个条件的13个与NFκB调控衰老相关的lncRNA (NFKBMARLs)，并对它们标上在TNFα的单核细胞和细胞衰老相关的反应，以研究其调节衰老相关表形，重点研究其中NFKBMARL-1对NFκB调控通路的信号机制（图2）。采用ChIP-qPCR，RIP-qPCR技术识别NFKBMARL-1调节RELA结合NFKBIZ的启动子区域，发现NFKBMARL-1参与了RELA的相分离过程。
图2. NFKBMARL-1调控NFKBIZ的模式图。
综上，该研究发现了与衰老相关的lncRNA具有进化保守性。功能富集分析发现了与衰老相关的lncRNA的重要生物学相关功能，如癌症相关的生存曲线、疾病相关的GWAS位点分布等。同时，与衰老相关的lncRNA有更多的转录因子富集在启动子区域、更多的RNA结合蛋白富集在转录本上，并且在TAD区域中与衰老相关的RNA更加保守。更为重要的是，衰老过程上调的lncRNA富集了RELA转录因子，其功能在NFκB信号通路中富集显著。通过对NFκB信号通路的CRISPR进行功能筛选，同样富集在衰老相关的lncRNA中，具有更强的进化保守性。构建出13个NFKBMARLs，其中NFKBMARL-1在炎症和细胞衰老过程中同样显著上调。一系列RNA分子生物学及组学实验研究发现，NFKBMARL-1直接结合NFκB顺式及临近的NFκB下游基因NFKBIZ促进并放大NFκB信号，抑制NFKBMARL-1则能够抑制NFκB的信号通路并遏制衰老相关的炎症因子表达。
中国科学院上海营养与健康研究所、北京大学韩敬东研究组博士生蔡东宏为该论文的第一作者，韩敬东研究员为该论文的通讯作者。上述研究获得了科技部、国家自然科学基金和上海市项目的资助。
原文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s43587-021-00056-0
