長鏈非編碼RNAs在人類疾病及機體發(fā)育中的作用及機制

孫牧男，許淑芬，方艷秋，譚 巖

（吉林省人民醫(yī)院 腫瘤生物治療中心，吉林 長春130021）

非編碼 RNAs（non－coding RNAs，ncRNAs），包括以miRNA、siRNA和piRNA等為代表的短小RNA 和 長 鏈 非 編 碼 RNAs （long non－coding RNAs，lncRNAs）。近20年來，ncRNAs的發(fā)現(xiàn)和功能研究，大大改變了人們對RNA分子的認識。ncRNAs不僅承擔了遺傳信息中間載體的輔助性角色，而且在發(fā)育和基因表達調(diào)控中發(fā)揮著復(fù)雜而精確的功能[1]。目前，關(guān)于ncRNAs在疾病發(fā)生、發(fā)展和防治中的作用已有大量文獻報導(dǎo)，研究主要集中于短ncRNAs在腫瘤、自身免疫病等疾病中的表達和調(diào)控作用[2]。雖然關(guān)于lncRNAs與疾病之間關(guān)聯(lián)的研究還處于起步階段，但其調(diào)控作用已經(jīng)開始引起人們廣泛的關(guān)注。

1 lncRNAs概述

哺乳動物基因組序列中4%－9%的序列產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本是lncRNAs（相應(yīng)的蛋白編碼RNA的比例是1%），數(shù)量多達1000多種，長度超過200nt，可由蛋白質(zhì)編碼序列轉(zhuǎn)變或去除了外顯子的基因序列轉(zhuǎn)錄而來，其表達具有組織和時空特異性[3，4]。lncRNAs起初被認為是RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，不具有生物學(xué)功能。然而，近年來的研究表明，lncRNAs具有mRNA樣結(jié)構(gòu)，經(jīng)過剪接，具有polyA尾與啟動子結(jié)構(gòu)，并在分化過程中有動態(tài)的表達與不同的剪接方式。lncRNAs上沒有編碼氨基酸的閱讀框，不編碼任何蛋白，但其能夠以RNA的形式在多種層面上調(diào)控基因的表達水平，如能夠與修飾組蛋白的蛋白復(fù)合體相互作用并影響其活性，從而控制基因的激活或抑制狀態(tài)。此外，研究發(fā)現(xiàn)lncRNAs能夠參與X染色體沉默，基因組印記以及染色質(zhì)修飾，轉(zhuǎn)錄激活，蛋白質(zhì)的核內(nèi)運輸、調(diào)控生物體的胚胎發(fā)育、組織分化等多種重要的調(diào)控過程[5]。雖然近年來關(guān)于lncRNAs的研究取得了很大進展，但是大部分lncRNAs的功能仍然不明確。

2 lncRNAs在疾病中的作用

2.1 lncRNAs參與腫瘤發(fā)生發(fā)展過程

惡性腫瘤是人類健康的一大頑疾，其致癌的復(fù)雜性使得人們必須從基因水平、蛋白水平等不同角度進行探索。近期的研究表明，lncRNAs可參與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程，對腫瘤細胞周期、凋亡及轉(zhuǎn)移均具有調(diào)節(jié)作用。

Sven等[6]首次開發(fā)了在體外培養(yǎng)的肺癌細胞中選擇性沉默長鏈非編碼RNA的方法，將相應(yīng)的信號肽序列整合到DNA中，使lncRNA MALAT1的RNA轉(zhuǎn)錄本一經(jīng)形成就會立刻遭到破壞。他們把這些細胞注入小鼠，發(fā)現(xiàn)MALAT1缺陷型腫瘤細胞的遷移能力受到損害，更難入侵周圍組織，這些細胞在小鼠肺部形成的腫瘤遠小于對照組。同時，針對MALAT1的特異反義寡核苷酸鏈也被注入到肺癌的小鼠模型中，并成功抑制了癌轉(zhuǎn)移的形成，這些小鼠肺部的腫瘤與未用反義鏈處理的對照組相比體積更小。研究發(fā)現(xiàn)，MALAT1能夠調(diào)節(jié)許多與癌轉(zhuǎn)移有關(guān)的基因，其表達量與癌轉(zhuǎn)移和疾病惡化的機率成正相關(guān)，是多種肺癌的疾病進程標志，因此MALAT1已經(jīng)成為了反義鏈RNA治療肺癌的潛在靶標，在阻止肺癌擴散方面具有廣闊的應(yīng)用空間。

在乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)，調(diào)控端粒酶TERT基因的lncRNAs異常表達可提高端粒酶活性，維持乳腺癌細胞的生長并抑制其凋亡[7]；乳腺癌患者中l(wèi)ncRNA HOTAIR則可以通過PRC2依賴的方式促進腫瘤的侵襲[8]。此外，基因超級保守區(qū)域來源的ncRNAs與人的白血病發(fā)生密切相關(guān)，而lncRNA LOC134466在Ⅱ型漿液性卵巢癌CpG島存在高達81%的甲基化，在其他不同類型的卵巢癌中僅為7.7%[9]。

2.2 lncRNAs參與對HBV的調(diào)控

乙型病毒性肝炎是導(dǎo)致肝癌的首要因素，乙肝病毒（HBV）表達的HBx蛋白能促肝癌的形成，但其分子機制仍不清楚。

研究人員分別對6只HBx轉(zhuǎn)基因小鼠和對照組小鼠肝臟的lncRNAs表達譜進行研究，篩選出差異表達的長鏈非編碼RNA，其中l(wèi)ncRNA Dreh表達量在所有年齡和性別的轉(zhuǎn)基因小鼠中都顯著下調(diào)。進一步研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA Dreh能結(jié)合中間絲蛋白并抑制其表達，通過改變細胞骨架結(jié)構(gòu)和形態(tài)，阻止癌細胞的轉(zhuǎn)移。同時臨床數(shù)據(jù)顯示，lncRNA Dreh在癌組織中表達量比正常組織低，并且和病人的預(yù)后相關(guān)，lncRNA Dreh表達量高的病人復(fù)發(fā)率低并且生存期長[10]。

Yang[11]等在5例感染 HBV的患者肝癌組織與5例癌旁組織樣本中找到了一個肝癌細胞高表達的lncRNA（lncRNA HEIH），并且在大量樣本（50例肝癌和正常組織，20例肝硬化組織和正常肝組織）驗證了lncRNA HEIH的特異性。通過基因共表達網(wǎng)絡(luò)圖和病人生存時間等臨床數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)lncRNA HEIH與HBV感染型肝癌的復(fù)發(fā)有較高的相關(guān)性，可以作為一個獨立的判斷病人生存時間的預(yù)后指標。lncRNA HEIH的功能研究提示它可能通過與EZH2結(jié)合來招募PRC2，進而抑制下游靶基因的表達從而發(fā)揮其在細胞周期調(diào)控中的作用。因此lncRNA HEIH有望成為病毒型肝癌的一個新的早期診斷標志或治療靶點。

2.3 lncRNAs與其他疾病

在體內(nèi)，lncRNA tie－1AS可選擇性地結(jié)合tie－1 mRNA，調(diào)控tie－1mRNA的轉(zhuǎn)錄，使內(nèi)皮細胞之間發(fā)生黏附缺陷，最終導(dǎo)致血管類疾病的發(fā)生[12]。在阿爾茨海默病的研究中發(fā)現(xiàn)，lncRNA BACE1AS可增加β分泌酶mRNA的穩(wěn)定性，進而增加β淀粉樣蛋白的累積[13]。位于CdKn2A基因區(qū)域的lncRNA ANRIL可以引起冠心病[14]，而lncRNA MIAT失常則可能引起心肌梗死[15]。

3 lncRNAs在機體發(fā)育中的作用

在胚胎發(fā)育過程中，多能干細胞會分化形成許多不同的組織和器官。之前的研究大多數(shù)集中于組織特異性轉(zhuǎn)錄因子對這一分化過程的調(diào)控，隨著非編碼RNA研究領(lǐng)域的進展，人們發(fā)現(xiàn)不編碼蛋白質(zhì)的RNA分子也參與了上述過程，lncRNAs是胚胎發(fā)育過程必不可少的調(diào)節(jié)因子。Grote等[16]發(fā)現(xiàn)在心臟和腹側(cè)體壁祖細胞中特異性存在的一種lncRNA——Fendrr，在小鼠中下調(diào)Fendrr將使小鼠的心臟和腹側(cè)體壁發(fā)育遭到破壞，發(fā)生畸形，并由此導(dǎo)致小鼠胚胎死亡。一般轉(zhuǎn)錄因子所導(dǎo)致的胚胎發(fā)育畸形會在相應(yīng)基因失活后迅速出現(xiàn)，而這種lncRNAs異常導(dǎo)致的發(fā)育畸形則是在祖細胞中Fendrr下調(diào)的幾天后出現(xiàn)，這可能是由lncRNAs的特殊調(diào)控機制造成的，即lncRNAs通過影響修飾組蛋白的蛋白復(fù)合體，進而再對目的基因進行表觀遺傳學(xué)調(diào)控。因此，研究人員指出，組織特異性轉(zhuǎn)錄因子負責控制組織和器官發(fā)生，而lncRNAs則參與了對這些轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)，lncRNAs是胚胎發(fā)育中不可或缺的重要調(diào)控因素。

Sun等[17]檢測了在小鼠脂肪細胞中處于活躍狀態(tài)的lncRNAs，并在脂肪前體細胞中分別下調(diào)這些靶基因，他們發(fā)現(xiàn)其中有10個lncRNAs在脂肪細胞中扮演著重要角色。當這些lncRNAs表達減少時，脂肪前體細胞中的脂滴比正常對照組體積減小，前體細胞中的一些基因無法啟動，最終無法發(fā)育成為成熟的白色脂肪細胞。這項研究揭示了在脂肪細胞形成過程中可能存在lncRNAs相關(guān)的調(diào)控通路。

4 lncRNAs的調(diào)控機制

lncRNAs可在多個水平，通過多種途徑調(diào)節(jié)基因的表達，主要方式有以下幾種：1）.在編碼基因的上游啟動子區(qū)轉(zhuǎn)錄，干擾下游基因的表達[18]，或者通過誘導(dǎo)染色質(zhì)重塑及組蛋白修飾，對編碼基因進行正向調(diào)節(jié)[19]。2）.lncRNAs可在 Dicer酶的作用下也可產(chǎn)生內(nèi)源性siRNA，干擾目的mRNA的剪切[20]。3）.與特定蛋白質(zhì)結(jié)合，調(diào)節(jié)相應(yīng)蛋白的活性。如HSF1只有與lncRNA HSR1形成復(fù)合物時，才可在熱應(yīng)急條件下誘導(dǎo)熱休克蛋白質(zhì)的表達[21]。4）.作為結(jié)構(gòu)組分與蛋白質(zhì)形成核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體，如CCND1啟動子區(qū)來源的lncRNAs可作為RNA結(jié)合蛋白TLS的變構(gòu)效應(yīng)因子，上調(diào)這些lncRNAs的表達水平，引起下游的級聯(lián)反應(yīng)[22]。5）.與轉(zhuǎn)錄因子直接結(jié)合，改變該蛋白質(zhì)的細胞定位，從而阻止轉(zhuǎn)錄因子入核發(fā)揮功能，如lncRNA NRON可通過結(jié)合質(zhì)核轉(zhuǎn)運蛋白，特異性抑制NFAT在核內(nèi)的積累[23]。

另外，除了可以結(jié)合于特異基因的啟動子區(qū)，lncRNAs的啟動子區(qū)同樣具有多種轉(zhuǎn)錄因子，如Oct4，Nanog，CREB，Sp1，c－myc，Sox2與p53的結(jié)合位點[24]。lncRNAs的調(diào)控涉及一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)信號，其確切的機制需要進一步探索。

5 lncRNAs研究展望

lncRNAs作為重要的基因表達調(diào)控子，其在修飾染色質(zhì)、增強轉(zhuǎn)錄、促進信使RNA降解等方面的作用已被普遍承認。迄今為止人們已經(jīng)鑒定出100余種與疾病或機體發(fā)育相關(guān)的lncRNAs，隨著研究的推進，各類lncRNAs不斷被大量發(fā)現(xiàn)，其功能與調(diào)控機制研究將為科學(xué)家提供一個新的突破點，拓展人們對機體基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認識。目前l(fā)ncRNAs的主要分析方法集中于生物信息學(xué)和基因沉默，如何從生物信息學(xué)獲得的大量數(shù)據(jù)中更有效的分析出有意義的數(shù)據(jù)，以及如何利用多種分子生物學(xué)技術(shù)鑒定出與lncRNAs相互作用的基因和蛋白，排除其他因子的干擾將是未來需要解決的問題。

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