徐飛岳,陳揚(yáng)超
·述 評(píng)·
長鏈非編碼RNA在癌癥診斷中的應(yīng)用
徐飛岳,陳揚(yáng)超
人類基因組中蛋白質(zhì)非編碼基因占大多數(shù),這些非編碼基因與癌癥的發(fā)生、發(fā)展有密切聯(lián)系。非編碼基因轉(zhuǎn)錄形成的RNA稱作非編碼RNA。其中的長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)具有重要的基因調(diào)控功能并由此受到重視。由于部分lncRNA在各類型的癌癥中表達(dá)異常,因此可以作為癌癥的標(biāo)志物用以診斷癌癥。本文對(duì)lncRNA的分類、基因調(diào)控機(jī)制以及在癌癥中的作用進(jìn)行介紹,并對(duì)現(xiàn)有的以及部分潛在的癌癥標(biāo)志物lncRNA進(jìn)行詳細(xì)闡述。隨著基因測序技術(shù)及微陣列技術(shù)的發(fā)展,更多的lncRNA會(huì)被發(fā)現(xiàn)并且能夠成為重要的診斷腫瘤的標(biāo)志物。
長鏈非編碼RNA;調(diào)控機(jī)制;癌癥;基因診斷
很長時(shí)間以來,在癌癥研究中編碼蛋白質(zhì)的基因備受廣泛關(guān)注。然而,DNA組分總匯計(jì)劃(encyclopedia of DNA element,ENCODE)研究表明,人類基因組中只有少量的基因組能夠編碼蛋白質(zhì),多于80%的基因組雖然能轉(zhuǎn)錄形成RNA,但這些RNA不能進(jìn)一步翻譯最終形成蛋白質(zhì),這些基因組屬于非編碼基因組,由非編碼基因組轉(zhuǎn)錄形成的RNA被稱作非編碼RNA(non-coding RNA)[1]。
之前,人們認(rèn)為這部分的非編碼基因組只是一些轉(zhuǎn)錄噪音,并沒有具體的功能。最新的研究表明,這些非編碼RNA具有基因調(diào)控功能[2];而且在癌癥研究中發(fā)現(xiàn),許多非編碼RNA的表達(dá)異常往往與癌癥的發(fā)生、發(fā)展以及術(shù)后恢復(fù)有緊密聯(lián)系。部分異常表達(dá)的非編碼RNA能夠作為癌癥的基因診斷靶點(diǎn),可以為早期診斷以及判斷癌癥類型提供新的依據(jù)。
相較于編碼RNA,非編碼RNA在癌癥診斷中有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。編碼RNA在轉(zhuǎn)錄翻譯過程中會(huì)受到各種調(diào)控,不能準(zhǔn)確反映最終功能產(chǎn)物,即蛋白質(zhì)的表達(dá)水平。而非編碼基因無法翻譯,所受調(diào)控相對(duì)較少,相對(duì)比較準(zhǔn)確,并且具有更高的癌癥相關(guān)度[2],可以作為更有效的診斷工具。Cheetham等[3]通過全基因組關(guān)聯(lián)研究系統(tǒng)分析與癌癥相關(guān)的301個(gè)單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms,SNPs),得出只有3.3%的SNPs發(fā)生在蛋白編碼區(qū)域,40%的SNPs發(fā)生在蛋白編碼基因的內(nèi)含子上,另有44%發(fā)生在基因間區(qū)。由此可見,與癌癥相關(guān)的SNPs多發(fā)生在非編碼區(qū)域,并且可以推斷這些非編碼區(qū)域可能轉(zhuǎn)錄形成非編碼RNA發(fā)揮作用。而且,非編碼RNA在體液如血液甚至尿液中可以穩(wěn)定存在,并能被檢測到[4]。因此,非編碼RNA作為檢測工具,具有方便迅速、減輕患者痛苦的優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)RNA的大小,非編碼RNA可以分為長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,lncRNA)和短鏈非編碼RNA。一般將大于200 NT的RNA歸為長鏈非編碼RNA,而小于200NT的則稱為短鏈非編碼RNA[5]。短鏈非編碼RNA包括微小RNA(microRNA,miRNA)、小干擾RNA(small interfering RNA,siRNA)、PIWI蛋白相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNA)以及小核仁RNA(small nucleolar RNA,snoRNA)[6]。通過實(shí)時(shí)熒光定量核酸擴(kuò)增檢測系統(tǒng)檢測miRNA在體內(nèi)的表達(dá),可以用作癌癥的診斷。有報(bào)道認(rèn)為,miRNA-21就可以作為肝癌的基因診斷標(biāo)志物[7]。然而,在測定miRNA表達(dá)時(shí)需要有參考基因?qū)ζ溥M(jìn)行定量分析,研究表明不同的參考基因會(huì)對(duì)目的基因的輸出有很大影響[8]。目前,人們對(duì)選擇何種基因作為內(nèi)參仍然沒有共識(shí)。此外,miRNA的特異性低,很難通過對(duì)其進(jìn)行分析從而確定具體的癌癥[6]。每個(gè)miRNA的目標(biāo)基因平均有500個(gè)之多。保守估計(jì),大約60%的mRNA擁有1個(gè)或多個(gè)可以被miRNA識(shí)別作用的保守序列[9-10]。這既表明了作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子的miRNA調(diào)控范圍之廣,但同時(shí)也表明miRNA的特異性較低。
隨著下一代基因測序技術(shù)以及微陣列技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,大量的lncRNA得以發(fā)現(xiàn)和研究[11-13]。據(jù)估計(jì),哺乳動(dòng)物的lncRNA的轉(zhuǎn)錄子數(shù)量遠(yuǎn)多于蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄子[14]。目前,ENCODE預(yù)測的人類基因組lncRNA有9 640個(gè)位點(diǎn),但這只是冰山一角,仍有大量的lncRNA還未發(fā)現(xiàn)[6]。與編碼基因相似,lncRNA具有組織特異性表達(dá),染色體標(biāo)志物以及獨(dú)立的基因啟動(dòng)子[6];并且相較于miRNA,lncRNA的調(diào)控機(jī)制相對(duì)單一因而特異性更高。因此,lncRNA作為癌癥的基因診斷生物標(biāo)志物有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。
lncRNA同樣由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄形成,經(jīng)過剪切之后形成成熟的lncRNA。lncRNA可以分為多種亞型,如:長鏈基因間非編碼RNA(long intergenic non-coding RNA,lincRNA);天然反義轉(zhuǎn)錄物(natural antisense transcripts,NATs);轉(zhuǎn)錄的超級(jí)保守區(qū)(transcribed ultraconserved region,T-UCR);假基因(pseudogene);增強(qiáng)子樣非編碼RNA(enhancer-like noncoding RNA,eRNA)等[15]。與miRNA相比,lncRNA的序列保守度更低,然而lncRNA在細(xì)胞內(nèi)的調(diào)控功能更為廣泛。目前研究表明,lncRNA的生物功能包括染色體修飾、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、印記、表觀調(diào)控、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞周期調(diào)控、剪切以及細(xì)胞增殖和分化調(diào)控等[15]。
lncRNA的分子機(jī)制通常歸結(jié)為分子信號(hào)、分子圈套、分子向?qū)б约爸Ъ?種。作為信號(hào),lncRNA忠實(shí)地指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子與基因組DNA的結(jié)合,在時(shí)間與空間上調(diào)控基因表達(dá)。作為分子圈套時(shí),lncRNA與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并阻止其與基因組DNA結(jié)合。在作為分子向?qū)r(shí),lncRNA招募染色體修飾蛋白復(fù)合體到達(dá)目的基因,從而調(diào)控目的基因表達(dá)。lncRNA可以與多個(gè)蛋白結(jié)合形成核糖核蛋白聚合物,可以作為核結(jié)構(gòu)的支架起穩(wěn)定作用。
lncRNA可以在染色體修飾、轉(zhuǎn)錄調(diào)控以及轉(zhuǎn)錄后加工的水平上調(diào)控相應(yīng)的蛋白表達(dá)基因的表達(dá)。在對(duì)染色體進(jìn)行修飾時(shí),lncRNA通過招募相關(guān)染色體修飾復(fù)合物到目的靶點(diǎn)發(fā)揮復(fù)合物的催化功能。例如lncRNA-同源異型盒(homeobox,Hox)基因的反義基因間RNA(Hox transcript antisense intergenic RNA,HOTAIR)可以招募多梳蛋白抑制復(fù)合物2(polycomb repressive complex 2,PRC2)到達(dá)HoxD位點(diǎn),PRC2可以使染色體組蛋白H3K27發(fā)生甲基化進(jìn)而導(dǎo)致染色體固縮最終抑制基因表達(dá)[16]。在轉(zhuǎn)錄水平對(duì)基因表達(dá)調(diào)控時(shí),lncRNA具有多種調(diào)控機(jī)制。lncRNA通過招募RNA連接蛋白進(jìn)而調(diào)控組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶使得染色體乙?;瘡亩种妻D(zhuǎn)錄的發(fā)生。lncRNA也可以作為轉(zhuǎn)錄因子的共同催化劑調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。lncRNA還可以與啟動(dòng)子結(jié)合進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)錄因子與其結(jié)合抑制基因的轉(zhuǎn)錄。對(duì)于轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,lncRNA可以掩蓋5′端的剪切位點(diǎn),使得內(nèi)含子得以保留從而達(dá)到選擇性剪接的調(diào)控目的[17]。
現(xiàn)有研究表明,lncRNA與多種腫瘤的生成、發(fā)展、遷移等有高度聯(lián)系,可以作為診斷的靶點(diǎn)[18]。部分lncRNA在癌癥中異常表達(dá)、過度表達(dá)或低表達(dá),因此可以根據(jù)其表達(dá)狀況來診斷癌癥。介紹目前已經(jīng)批準(zhǔn)應(yīng)用的癌癥診斷標(biāo)志物lncRNA以及潛在的可以作為標(biāo)志物的lncRNA。
2.1 美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)應(yīng)用的癌癥診斷標(biāo)志物——前列腺癌抗原3 前列腺癌抗原3(pro-state cancer antigen 3,PCA3)與前列腺癌高度相關(guān),可以用作預(yù)測前列腺癌風(fēng)險(xiǎn),避免前列腺穿刺[19-20]。研究表明,在超過95%的前列腺癌患者中,腫瘤組織中PCA3的表達(dá)量是非腫瘤組織的100倍以上[21],并且在其他組織中沒有發(fā)現(xiàn)有PCA3的表達(dá),意味著PCA3與前列腺癌高度相關(guān)。雖然早在1999年就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一與獨(dú)特的、與前列腺癌高度相關(guān)并具有選擇性剪接功能的lncRNA,但到目前為止對(duì)PCA3在前列腺癌中所發(fā)揮的作用依然知之甚少[21-22]。在敲除了PCA3的前列腺癌細(xì)胞系LNCaP細(xì)胞及PCA3細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生長、活性以及雄激素受體信號(hào)途徑受到抑制[23]。盡管對(duì)PCA3的調(diào)控機(jī)制不是特別清楚,但不妨礙PCA3在臨床上的成功應(yīng)用。目前,美國食品和藥物管理局已經(jīng)批準(zhǔn)了PCA3臨床檢測用以代替之前的前列腺特異性抗原分析。主要是由于PCA3檢測的特異性以及靈敏度高,可以快速方便地診斷前列腺癌[20-21]。
2.2 潛在的癌癥診斷標(biāo)志物lncRNA
2.2.1 腫瘤中過度表達(dá)的lncRNA
2.2.1.1 HOTAIR HOTAIR是一種在多種癌癥中過度表達(dá)的lncRNA,已經(jīng)引起廣泛研究和關(guān)注。HOTAIR是長2 158 NT的lincRNA,由HoxC轉(zhuǎn)錄生成,主要作用是招募PRC2及組蛋白賴氨酸特異性脫甲基酶1復(fù)合體結(jié)合到HoxD位點(diǎn)催化此處染色體組蛋白H3K27甲基化,抑制基因表達(dá)[16]。
早在2010年,Gupta等[16]就發(fā)現(xiàn)了在乳腺癌中過度表達(dá)的HOTAIR,并且可以預(yù)測腫瘤的遷移以及患者的存活率。Ma等[24]研究發(fā)現(xiàn),在相對(duì)于正常臨近組織HOTAIR在膽囊癌組織表達(dá)量明顯升高;而且相對(duì)于早期的膽囊癌組織,已經(jīng)擴(kuò)散的腫瘤組織的HOTAIR表達(dá)量更高。Emadi-Andani等[25]則在胃癌臨床樣本中發(fā)現(xiàn)過度表達(dá)的HOTAIR與腫瘤臨床分期、嗜神經(jīng)侵襲以及腫瘤遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移有正相關(guān)性。在肝癌中,HOTAIR同樣過度表達(dá),并且還可以作為肝移植治療后腫瘤再發(fā)生的生物標(biāo)志物[26]。在胰腺癌[27]、鼻咽癌[28]中均發(fā)現(xiàn)HOTAIR的過度表達(dá),HOTAIR是成為癌癥標(biāo)志物的最佳選擇之一。
2.2.1.2 細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子4b位點(diǎn)的反義非編碼RNA 細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子4b(inhibitors of cyclin-dependent kinase 4b,INK4b)位點(diǎn)的反義非編碼RNA(antisense noncoding RNA in the INK4 locus,ANRIL)位于染色體9p21區(qū)域,該區(qū)域是一個(gè)與多種疾病,如心血管疾病、2型糖尿病、阿爾茨海默病等多種疾?。?9]相關(guān)的熱點(diǎn)區(qū)域;同時(shí),發(fā)生在該區(qū)域的突變也與多種癌癥有關(guān),如白血病、乳腺癌、卵巢癌等[29]。位于該區(qū)域的p15INK4b、p14蛋白可選讀碼框(p14 alternate reading frame,p14ARF)和p16INK4a是已知的抑癌基因,廣泛地參與調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡、衰老等功能[30]。ANRIL作為反義RNA鏈可以抑制相鄰的p15INK4b、p14ARF和p16INK4a基因的表達(dá),進(jìn)而間接調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡活動(dòng)[31]。ANRIL調(diào)控相鄰基因的分子機(jī)制與HOTAIR相似,都是通過招募PRC1和PRC2達(dá)到指定基因的染色體位點(diǎn),最終導(dǎo)致染色體固縮抑制基因表達(dá)。
研究表明,ANRIL在胃癌中過度表達(dá),并且高表達(dá)的ANRIL與高臨床腫瘤分期和較大的腫瘤有高度相關(guān)性,同時(shí)高表達(dá)的ANRIL預(yù)示著較差的術(shù)后恢復(fù)效果[32]。在白血病患者中ANRIL也有過度表達(dá),并且伴隨著抑癌基因p15的沉默[33]。在胰腺癌中也有發(fā)現(xiàn)ANRIL的高表達(dá)[34]。
2.2.1.3 肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1 肺腺癌轉(zhuǎn)移相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)長度約為8 000 NT,在人類正常組織中有廣泛分布[35]。研究表明,MALAT1可以調(diào)控細(xì)胞的遷移。在肺腺癌細(xì)胞中的MALAT1敲除以后,遷移相關(guān)的基因表達(dá)受到影響,同時(shí)細(xì)胞的遷移受到抑制[36]。MALAT1的調(diào)控機(jī)制沒有完全被理解,但研究認(rèn)為MALAT1通過調(diào)控絲氨酸/精氨酸剪切因子磷酸化進(jìn)而調(diào)控選擇性剪切。MALAT1敲除以后會(huì)導(dǎo)致部分剪切因子的位置和活性的改變,并產(chǎn)生一系列的具有不同剪切位點(diǎn)的pre-mRNA[37]。
MALAT1首次在非小細(xì)胞肺癌中發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行報(bào)道。高表達(dá)的MALAT1被認(rèn)為與腫瘤的高轉(zhuǎn)移率以及低的術(shù)后存活率相關(guān)[35]。盡管在正常組織中也能檢測到MALAT1的表達(dá),但在肝癌、乳腺癌、胰腺癌、骨肉瘤、結(jié)腸癌、膀胱癌、宮頸癌、子宮內(nèi)膜間質(zhì)肉瘤以及前列腺癌中,MALAT1的表達(dá)量相對(duì)于正常組織有明顯升高[38]。目前,MALAT1已經(jīng)作為肝移植手術(shù)的預(yù)后因子,用以預(yù)測腫瘤的發(fā)生[39]。
2.2.1.4 H19 H19是長度約為2 300 NT的lncRNA,在生長發(fā)育的基因組印記發(fā)揮很大的作用。H19在成熟組織的再生在腫瘤發(fā)生過程中可以再次激活[40]。致癌基因c-myc能夠在多種細(xì)胞中誘導(dǎo)H19的表達(dá)[41]。也有研究表明,由腫瘤造成的低氧以及p53突變型能夠激活H19的表達(dá)[42]。在結(jié)腸直腸癌中miRNA-675能夠抑制抑癌基因RB1,而H19可以作為miRNA-675的前體,因此H19和miRNA-675被認(rèn)為是致癌基因[43]。H19也能直接調(diào)控并抑制其反義鏈上的基因——H19對(duì)立腫瘤抑制基因(H19opposite tumor suppressor,HOTS)的表達(dá),而HOTS被認(rèn)為是一種抑癌基因可以抑制腫瘤的生長[44]。研究表明,H19調(diào)控的基因與腫瘤細(xì)胞的遷移、血管生成以及新陳代謝相關(guān)[45-46]。在肝癌[47]、胃癌[48]、胰腺癌[49]、結(jié)腸癌[2]、膀胱癌[50]中都能檢測到過度表達(dá)的H19。
2.2.1.5 肝癌細(xì)胞高表達(dá) 肝癌細(xì)胞高表達(dá)(highly upregulated in liver cancer,HULC),從名稱就可得知HULC與肝癌特異性相關(guān)。研究表明,HULC不僅與肝癌以及有肝轉(zhuǎn)移能力的結(jié)腸直腸癌相關(guān),而且在乙型病毒性肝炎病毒導(dǎo)致的肝癌細(xì)胞中表達(dá)量較高,表明HULC可能與乙型病毒性肝炎病毒感染導(dǎo)致的癌癥有密切的聯(lián)系[51]。作為潛在的生物標(biāo)志物,HULC可以穩(wěn)定存在于血液中,并能夠被檢測到[52-53]。HULC長度約為500 NT,包含2個(gè)外顯子,位于染色體6p24.3,類似于mRNA但已研究證實(shí)是非編碼RNA[52]。HULC的調(diào)控機(jī)制是作為miRNA-372的分子圈套,與miRNA-372結(jié)合阻止其與蛋白激酶A催化亞單位β(protein kinase A catatytic subunit beta,PRKACβ)結(jié)合。PRKACβ是cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)的激酶,激活CREB的活性。CREB激活后又會(huì)通過保持HULC啟動(dòng)子的染色體結(jié)構(gòu)的開放從而促進(jìn)HULC的轉(zhuǎn)錄[54]。
2.2.2 腫瘤中下調(diào)的lncRNA
2.2.2.1 母系表達(dá)基因3 母系表達(dá)基因3(materally expressed gene 3,MEG3)是第1種被定為抑癌基因的lncRNA。MEG3位于染色體14q32.2上,共有10個(gè)外顯子[55]。根據(jù)不同的剪切方式現(xiàn)已檢測到12個(gè)亞型,最早發(fā)現(xiàn)的亞型的長度約為1 600 NT[56]。MEG3在正常組織細(xì)胞中大量表達(dá),特別是在大腦和腦垂體。不僅在腦癌中而且在其他多種癌癥中都發(fā)現(xiàn)MEG3的表達(dá)量下降甚至無法檢測到[57-58]。研究表明,在腎細(xì)胞癌和上皮性卵巢癌中,MEG3表達(dá)受到抑制是由于啟動(dòng)子發(fā)生了甲基化所致[59-60]。在垂體瘤的臨床樣本中也發(fā)現(xiàn)MEG3基因高度甲基化抑制了MEG3的轉(zhuǎn)錄[61]。在胃癌中,MEG3在腫瘤中的表達(dá)水平顯著下降,并與臨床腫瘤分期、腫瘤侵襲深度以及腫瘤大小相關(guān),并且低表達(dá)量的MEG3預(yù)示著不良預(yù)后[62]。異位表達(dá)該基因可以明顯觀察到多種癌細(xì)胞系的生長受到抑制,并且p53蛋白含量上升以及p53下游靶點(diǎn)被激活[61]。
2.2.2.2 lncRNA-p21 lncRNA-p21在基因組的位置與細(xì)胞周期調(diào)控基因CDKN1A相鄰,大小約為3 100 NT。lncRNA-p21是由p53直接激活并在p53的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答時(shí)發(fā)揮重要作用。在p53轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中,lncRNA-p21通過調(diào)控mRNA轉(zhuǎn)錄和蛋白的穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)其功能。lincRNA-p21通常需要與核不均一核糖核蛋白K(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein K,hnRNPK)協(xié)作共同激活p53相關(guān)基因,如p21的轉(zhuǎn)錄。此時(shí),lncRNA-p21發(fā)揮的作用與p53這種抑癌基因相似。最新研究發(fā)現(xiàn),在lncRNA-p21缺陷型老鼠中,多梳蛋白目的基因的改變,表明lncRNA-p21與多梳蛋白有一定的聯(lián)系[63]。lncRNA-p21與RAN連接蛋白HuR結(jié)合時(shí)會(huì)招募let-7/Ago2與lncRNA-p21結(jié)合,而let-7/Ago2會(huì)導(dǎo)致lncRNA-p21的穩(wěn)定性下降[64]。
在對(duì)結(jié)腸直腸癌患者檢測時(shí)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于正常組織,lncRNA-p21在腫瘤組織中的表達(dá)量明顯下調(diào),而且在直腸腫瘤中的lncRNA-p21表達(dá)量要高于在結(jié)腸的腫瘤。研究還發(fā)現(xiàn),在Ⅲ期腫瘤中l(wèi)ncRNA-p21的表達(dá)量要高于Ⅰ期腫瘤[65]。因此,lncRNA-p21不僅可以預(yù)測癌癥,而且與癌癥發(fā)展也存在一定關(guān)聯(lián)。鑒于lncRNA-p21在p53調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中所起的作用,lncRNA-p21可以成為潛在的診斷靶點(diǎn)。
2.2.2.3 GAS5 GAS5的轉(zhuǎn)錄單位包括了12個(gè)外顯子,長度約為7 000 NT,并可形成snoRNA。GAS5通過調(diào)控細(xì)胞的糖皮質(zhì)激素的活性來應(yīng)答營養(yǎng)物的缺乏,進(jìn)而抑制細(xì)胞的生長以及提高細(xì)胞對(duì)凋亡的敏感性。在調(diào)節(jié)過程中,由于糖皮質(zhì)激素受體屬于轉(zhuǎn)錄因子,因此GAS5可以作為分子圈套,直接作用于糖皮質(zhì)激素受體的DNA結(jié)合位點(diǎn),從而阻止糖皮質(zhì)激素受體與對(duì)應(yīng)的反應(yīng)元結(jié)合,進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的新陳代謝。現(xiàn)有研究表明,在直腸癌細(xì)胞及直腸癌組織中,p53基因可以直接調(diào)控GAS5,GAS5衍生的snoRNA可以直接應(yīng)答DNA損害[66]。也有研究表明,在非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系及腎細(xì)胞瘤細(xì)胞系中,過度表達(dá)GAS5可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)及體外生長受到抑制并且引起凋亡[67-68],同時(shí)用siRNA敲除掉GAS5后則會(huì)促進(jìn)肺癌[67]、膀胱癌[69]及胰腺癌[70]的腫瘤細(xì)胞生長。由于GAS5直接抑制細(xì)胞的快速生長,因此在多種癌細(xì)胞,如惡性胸膜間皮瘤[71]、腎癌[72]、非小細(xì)胞肺癌[67]中均能發(fā)現(xiàn)其表達(dá)量有明顯下降。在胃癌腫瘤樣本中,GAS5的表達(dá)量明顯下降,低表達(dá)量的GAS5預(yù)示著較低的無病生存率和存活率[73]。
眾所周知,癌癥作為人類頭號(hào)殺手之一,目前仍然沒有特效藥物可以直接治愈。而早期發(fā)現(xiàn)并采取措施是可以有效避免癌癥或提高癌癥治愈率。如今已有部分lncRNA得以發(fā)現(xiàn)并被證明能夠在癌癥中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。在癌癥中,部分表達(dá)失調(diào)的lncRNA被認(rèn)為可以作為潛在的生物標(biāo)志物,用來對(duì)癌癥進(jìn)行早期預(yù)警診斷[15]。已經(jīng)批準(zhǔn)的并商業(yè)化的PCA3檢測的應(yīng)用也預(yù)示著lncRNA在癌癥診斷中會(huì)有更大的發(fā)揮空間。
癌癥生物標(biāo)志物,應(yīng)該具備能夠簡單快速檢測以及與癌癥緊密相關(guān)的特點(diǎn)。由于RNA在體液中可以方便地檢測到,許多RNA與癌癥息息相關(guān),因此可以作為理想的生物標(biāo)志物。其中,腫瘤相關(guān)miRNA由于穩(wěn)定性高,并且可以在癌癥患者的血液、尿液中檢測到,因此研究較多。但如前所述,miRNA仍存在一些缺陷,尤其是腫瘤特異性不高,會(huì)限制其在腫瘤診斷中的應(yīng)用。lncRNA近年來才受到重視,相對(duì)于miRNA,目前發(fā)現(xiàn)的與癌癥相關(guān)的lncRNA數(shù)量依然偏少。雖然部分lncRNA已經(jīng)被深入研究,其功能以及與癌癥的關(guān)系基本確定[74-76],但總體lncRNA的數(shù)量依然偏少。借助于轉(zhuǎn)錄組基因測序以及微陣列技術(shù),將會(huì)有更多的lncRNA得以發(fā)現(xiàn)并研究,lncRNA這座巨大的寶庫也將逐步展現(xiàn)于世人面前;而且在臨床上可以用定量聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)簡單快捷地檢測lncRNA的表達(dá),為其進(jìn)一步推廣創(chuàng)造了條件。鑒于lncRNA在癌癥發(fā)生中所起的調(diào)控作用,相對(duì)專一的調(diào)控機(jī)制產(chǎn)生的較高的特異性,以及穩(wěn)定地存在于體液中的特性[77-79],可以判斷l(xiāng)ncRNA作為癌癥標(biāo)志物愈發(fā)顯得有必要。
作為癌癥的診斷標(biāo)志物,lncRNA仍有許多問題需要研究。lncRNA的穩(wěn)定性如何以及在各種癌癥中不同階段的穩(wěn)定性變化狀況,lncRNA表達(dá)量的變化是癌癥的因還是果的關(guān)系,lncRNA與癌癥的特異性,以及l(fā)ncRNA作為檢測標(biāo)志的標(biāo)準(zhǔn)等問題都需要不斷研究。一些lncRNA不僅與癌癥相關(guān),而且其他疾病中也能發(fā)現(xiàn)其表達(dá)異常[80],這就增加了誤診的可能性。所以,就未來基因診斷而言,既需要對(duì)大量的臨床樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,也需要將miRNA、lncRNA以及mRNA等多種標(biāo)志物結(jié)合,以提高基因診斷的準(zhǔn)確性。
[1]ENCODE Project Consortium.An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome[J].Nature,2012,489(7414):57-74.
[2]Qi P,Du X.The long non-coding RNAs,a new cancer diagnostic and therapeutic gold mine[J].Mod Pathol,2013,26(2):155-165.
[3]Cheetham SW,Gruhl F,Mattick JS,et al.Long noncoding RNAs and the genetics of cancer[J].Br JCancer,2013,108(12):2419-2425.
[4]Tong YK,Lo YM.Diagnostic developments involving cellfree(circulating)nucleic acids[J].Clin Chim Acta,2006,363(1/2):187-196.
[5]Perkel JM.Visiting"noncodarnia"[J].Biotechniques,2013,54(6):301,303-304.
[6]Takahashi K,Yan I,Haga H,et al.Long noncoding RNA in liver diseases[J].Hepatology,2014,60(2):744-753.
[7]Tomimaru Y,Eguchi H,Nagano H,et al.Circulating microRNA-21 as a novel biomarker for hepatocellular carcinoma[J].JHepatol,2012,56(1):167-175.
[8]Takahashi K,Yan I,Wen HJ,et al.microRNAs in liver disease:from diagnostics to therapeutics[J].Clin Biochem,2013,46(10/11):946-952.
[9]Lewis BP,Shih IH,Jones-Rhoades MW,etal.Prediction of mammalian microRNA targets[J].Cell,2003,115(7):787-798.
[10]Friedman RC,F(xiàn)arh KK,Burge CB,et al.Mostmammalian mRNAs are conserved targets ofmicroRNAs[J].Genome Res,2009,19(1):92-105.
[11]Carninci P,Kasukawa T,Katayama S,et al.The transcriptional landscape of the mammalian genome[J].Science,2005,309(5740):1559-1563.
[12]Guttman M,Amit I,Garber M,et al.Chromatin signature reveals over a thousand highly conserved large non-coding RNAs in mammals[J].Nature,2009,458(7235):223-227.
[13]Baker M.Highlighting enhancers[J].NatMethods,2011,8(5):379.
[14]Djebali S,Davis CA,Merkel A,et al.Landscape of transcription in human cells[J].Nature,2012,489(7414):101-108.
[15]Li CH,Chen Y.Targeting long non-coding RNAs in cancers:progress and prospects[J].Int JBiochem Cell Biol,2013,45(8):1895-1910.
[16]Gupta RA,Shah N,Wang KC,et al.Long non-coding RNA HOTAIR reprograms chromatin state to promote cancer metastasis[J].Nature,2010,464(7291):1071-1076.
[17]Mercer TR,Dinger ME,Mattick JS.Long non-coding RNAs:insights into functions[J].Nat Rev Genet,2009,10(3):155-159.
[18]Zhang H,Chen Z,Wang X,et al.Long non-coding RNA:a new player in cancer[J].JHematol Oncol,2013,6:37.
[19]de la Taille A.Progensa PCA3 test for prostate cancer detection[J].Expert Rev Mol Diagn,2007,7(5):491-497.
[20]Lee GL,Dobi A,Srivastava S.Prostate cancer:diagnostic performance of the PCA3 urine test[J].Nat Rev Urol,2011,8(3):123-124.
[21]Walsh AL,Tuzova AV,Bolton EM,et al.Long noncoding RNAs and prostate carcinogenesis:the missing′linc′?[J].Trends Mol Med,2014,20(8):428-436.
[22]Bussemakers MJ,van Bokhoven A,Verhaegh GW,et al. DD3:a new prostate-specific gene,highly overexpressed in prostate cancer[J].Cancer Res,1999,59(23):5975-5979.
[23]Ferreira LB,Palumbo A,de Mello KD,et al.PCA3 noncoding RNA is involved in the control of prostate-cancer cell survival and modulates androgen receptor signaling[J].BMCCancer,2012,12:507.
[24]Ma MZ,Li CX,Zhang Y,et al.Long non-coding RNA HOTAIR,a c-Myc activated driver of malignancy,negatively regulates miRNA-130a in gallbladder cancer[J]. Mol Cancer,2014,13(1):156.
[25]Emadi-Andani E,Nikpour P,Emadi-Baygi M,et al.Association of HOTAIR expression in gastric carcinoma with invasion and distant metastasis[J].Adv Biomed Res,2014,3:135.
[26]Yang Z,Zhou L,Wu LM,etal.Overexpression of long noncoding RNA HOTAIR predicts tumor recurrence in hepatocellular carcinoma patients following liver transplantation[J].Ann Surg Oncol,2011,18(5):1243-1250.
[27]Kim K,Jutooru I,Chadalapaka G,et al.HOTAIR is a negative prognostic factor and exhibits pro-oncogenic activity in pancreatic cancer[J].Oncogene,2013,32(13):1616-1625.
[28]Nie Y,Liu X,Qu S,et al.Long non-coding RNA HOTAIR is an independent prognostic marker for nasopharyngeal carcinoma progression and survival[J].Cancer Sci,2013,104(4):458-464.
[29]Congrains A,Kamide K,OhishiM,etal.ANRIL:molecular mechanisms and implications in human health[J].Int J Mol Sci,2013,14(1):1278-1292.
[30]Canepa ET,Scassa ME,Ceruti JM,et al.INK4 proteins,a family ofmammalian CDK inhibitors with novel biological functions[J].IUBMB Life,2007,59(7):419-426.
[31]Kim WY,Sharpless NE.The regulation of INK4/ARF in cancer and aging[J].Cell,2006,127(2):265-275.
[32]Zhang EB,Kong R,Yin DD,et al.Long noncoding RNA ANRIL indicates a poor prognosis of gastric cancer and promotes tumor growth by epigenetically silencing ofmiR-99a/miR-449a[J].Oncotarget,2014,5(8):2276-2292.
[33]Yu W,Gius D,Onyango P,et al.Epigenetic silencing of tumour suppressor gene p15 by its antisense RNA[J].Nature,2008,451(7175):202-206.
[34]Yap KL,Li S,Mu?oz-Cabello AM,et al.Molecular interplay of the noncoding RNA ANRIL andmethylated histone H3 lysine 27 by polycomb CBX7 in transcriptional silencing of INK4a[J].Mol Cell,2010,38(5):662-674.
[35]Ji P,Diederichs S,Wang W,et al.MALAT-1,a novel noncoding RNA,and thymosin beta4 predict metastasis and survival in early-stage non-small cell lung cancer[J].Oncogene,2003,22(39):8031-8041.
[36]Tano K,Mizuno R,Okada T,et al.MALAT-1 enhances cell motility of lung adenocarcinoma cells by influencing the expression ofmotility-related genes[J].FEBS Lett,2010,584(22):4575-4580.
[37]Tripathi V,Ellis JD,Shen Z,et al.The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1 regulates alternative splicing by modulating SR splicing factor phosphorylation[J].Mol Cell,2010,39(6):925-938.
[38]Gutschner T,HammerleM,Diederichs S.MALAT 1--a paradigm for long noncoding RNA function in cancer[J].J Mol Med(Berl),2013,91(7):791-801.
[39]Lai MC,Yang Z,Zhou L,et al.Long non-coding RNA MALAT-1 overexpression predicts tumor recurrence of hepatocellular carcinoma after liver transplantation[J]. Med Oncol,2012,29(3):1810-1816.
[40]Gabory A,Jammes H,Dandolo L.The H19 locus:role of an imprinted non-coding RNA in growth and development[J].Bioessays,2010,32(6):473-480.
[41]Barsyte-Lovejoy D,Lau SK,Boutros PC,et al.The c-Myc oncogene directly induces the H19 noncoding RNA by allele-specific binding to potentiate tumorigenesis[J]. Cancer Res,2006,66(10):5330-5337.
[42]Matouk IJ,Mezan S,Mizrahi A,et al.The oncofetal H19 RNA connection:hypoxia,p53 and cancer[J].Biochim Biophys Acta,2010,1803(4):443-451.
[43]Tsang WP,Ng EK,Ng SS,et al.Oncofetal H19-derived miR-675 regulates tumor suppressor RB in human colorectal cancer[J].Carcinogenesis,2010,31(3):350-358.
[44]Onyango P,F(xiàn)einberg AP.A nucleolar protein,H19 opposite tumor suppressor(HOTS),is a tumor growth inhibitor encoded by a human imprinted H19 antisense transcript[J].Proc Nat Acad of Sci USA,2011,108(40):16759-16764.
[45]Zhuang M,Gao W,Xu J,et al.The long non-coding RNA H19-derivedmiR-675modulates human gastric cancer cell proliferation by targeting tumor suppressor RUNX1[J]. Biochem Biophys Res Commun,2014,448(3):315-322.
[46]Matouk IJ,Raveh E,Abu-lail R,et al.Oncofetal H19 RNA promotes tumor metastasis[J].Biochim Biophys Acta,2014,1843(7):1414-1426.
[47]Mohamadkhani A.Long noncoding RNAs in interaction with RNA binding proteins in hepatocellular carcinoma[J].Hepat Mon,2014,14(5):e18794.
[48]Li PF,Chen SC,Xia T,etal.Non-coding RNAs and gastric cancer[J].World J Gastroenterol,2014,20(18):5411-5419.
[49]Ma C,Nong K,Zhu H,et al.H19 promotes pancreatic cancermetastasis by derepressing let-7′s suppression on its target HMGA2-mediated EMT[J].Tumour Biol,2014[Epub ahead of print].
[50]Elkin M,Ariel I,Miao HQ,et al.Inhibition of bladder carcinoma angiogenesis,stromal support,and tumor growth by halofuginone[J].Cancer Res,1999,59(16):4111-4118.
[51]Matouk IJ,Abbasi I,Hochberg A,etal.Highly upregulated in liver cancer noncoding RNA is overexpressed in hepatic colorectal metastasis[J].Eur J Gastroenterol Hepatol,2009,21(6):688-692.
[52]Panzitt K,Tschernatsch MM,Guelly C,et al.Characterization of HULC,a novel gene with striking up-regulation in hepatocellular carcinoma,as noncoding RNA[J].Gastroenterology,2007,132(1):330-342.
[53]Xie H,Ma H,Zhou D.Plasma HULC as a promising novel biomarker for the detection of hepatocellular carcinoma[J].Biomed Res Int,2013,2013:136106.
[54]Wang J,Liu X,Wu H,et al.CREB up-regulates long noncoding RNA,HULC expression through interaction with microRNA-372 in liver cancer[J].Nucleic Acids Res,2010,38(16):5366-5383.
[55]MiyoshiN,Wagatsuma H,Wakana S,etal.Identification of an imprinted gene,Meg3/Gtl2 and its human homologue MEG3,firstmapped on mouse distal chromosome 12 and human chromosome 14q[J].Genes Cells,2000,5(3):211-220.
[56]Zhang X,Rice K,Wang Y,et al.Maternally expressed gene 3(MEG3)noncoding ribonucleic acid:isoform structure,expression,and functions[J].Endocrinology,2010,151(3):939-947.
[57]Ying L,Huang YR,Chen H,et al.Downregulated MEG3 activates autophagy and increases cell proliferation in bladder cancer[J].Mol Biosyst,2013,9(3):407-411.
[58]Lu KH,LiW,Liu XH,et al.Long non-coding RNA MEG3 inhibits NSCLC cells proliferation and induces apoptosis by affecting p53 expression[J].BMC Cancer,2013,13:461.
[59]Sheng X,Li J,Yang L,etal.Promoter hypermethylation influences the suppressive role ofmaternally expressed 3,a long non-coding RNA,in the development of epithelial ovarian cancer[J].Oncol Rep,2014,32(1):277-285.
[60]Kawakami T,Chano T,Minami K,et al.Imprinted DLK1 is a putative tumor suppressor gene and inactivated by epimutation at the region upstream of GTL2 in human renal cell carcinoma[J].Hum Mol Genet,2006,15(6):821-830.
[61]Zhang X,Zhou Y,Mehta KR,et al.A pituitary-derived MEG3 isoform functions as a growth suppressor in tumor cells[J].JClin Endocrinol Metab,2003,88(11):5119-5126.
[62]Sun M,Xia R,Jin F,et al.Downregulated long noncoding RNA MEG3 is associated with poor prognosis and promotes cell proliferation in gastric cancer[J].Tumor Biol,2014,35(2):1065-1073.
[63]Dimitrova N,Zamudio JR,Jong RM,et al.LincRNA-p21 activates p21 in cis to promote polycomb target gene expression and to enforce the G1/S checkpoint[J].Mol Cell,2014,54(5):777-790.
[64]Yoon JH,Abdelmohsen K,Srikantan S,et al.LincRNA-p21 suppresses target mRNA translation[J].Mol Cell,2012,47(4):648-655.
[65]Zhai H,F(xiàn)esler A,Schee K,et al.Clinical significance of long intergenic noncoding RNA-p21 in colorectal cancer[J].Clin Colorectal Cancer,2013,12(4):261-266.
[66]Krell J,F(xiàn)rampton AE,Mirnezami R,et al.Growth arrestspecific transcript 5 associated snoRNA levels are related to p53 expression and DNA damage in colorectal cancer[J].PLoSOne,2014,9(6):e98561.
[67]Shi X,Sun M,Liu H,etal.A critical role for the long noncoding RNA GAS5 in proliferation and apoptosis in nonsmall-cell lung cancer[J].Mol Carcinog,2013[Epub ahead of print].
[68]Qiao HP,Gao WS,Huo JX,et al.Long non-coding RNA GAS5 functions as a tumor suppressor in renal cell carcinoma[J].Asian Pac JCancer Prev,2013,14(2):1077-1082.
[69]Liu Z,Wang W,Jiang J,et al.Downregulation of GAS5 promotes bladder cancer cell proliferation,partly by regulating CDK6[J].PloSOne,2013,8(9):e73991.
[70]Lu X,F(xiàn)ang Y,Wang Z,et al.Downregulation of gas5 increases pancreatic cancer cell proliferation by regulating CDK6[J].Cell Tissue Res,2013,354(3):891-896.
[71]Renganathan A,Kresoja-Rakic J,Echeverry N,et al.GAS5 long non-coding RNA in malignant pleural mesothelioma[J].Mol Cancer,2014,13:119.
[72]Zhou S,Wang J,Zhang Z.An emerging understanding of long noncoding RNAs in kidney cancer[J].JCancer Res Clin Oncol,2014[Epub ahead of print].
[73]Sun M,Jin FY,Xia R,et al.Decreased expression of long noncoding RNA GAS5 indicates a poor prognosis and promotes cell proliferation in gastric cancer[J].BMCCancer,2014,14:319.
[74]Zhang XM,Ma ZW,Wang Q,et al.A new RNA-seq method to detect the transcription and non-coding RNA in prostate cancer[J].Pathol Oncol Res,2014,20(1):43-50.
[75]LiW,Kang Y.A new Lnc in metastasis:long noncoding RNA mediates the prometastatic functions of TGF-β[J]. Cancer Cell,2014,25(5):557-559.
[76]Ombrello MJ,Sikora KA,Kastner DL.Genetics,genomics,and their relevance to pathology and therapy[J].Best Pract Res Clin Rheumatol,2014,28(2):175-189.
[77]Lin R,Maeda S,Liu C,et al.A large noncoding RNA is a marker for murine hepatocellular carcinomas and a specrum of human carcinomas[J].Oncogene,2007,26(6):851-858.
[78]Jiang YJ,Bikle DD.LncRNA:a new playerin 1α,25(OH)(2)vitamin D(3)/VDR protection against skin cancer formation[J].Exp Dermatol,2014,23(3):147-150.
[79]Rivas A,Burzio V,Landerer E,et al.Determination of the differential expression of mitochondrial long non-coding RNAs as a noninvasive diagnosis of bladder cancer[J]. BMC Urol,2012,12:37.
[80]Han YW,Houcken W,Loos BG,etal.Periodontal disease,atherosclerosis,adverse pregnancy outcomes,and headand-neck cancer[J].Adv Dent Res,2014,26(1):47-55.
陳揚(yáng)超博士簡介
香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)學(xué)院博士生導(dǎo)師,主要從事胃腸腫瘤分子生物學(xué)、基因表達(dá)調(diào)控以及蛋白質(zhì)組學(xué)研究,主持香港特區(qū)政府健康與醫(yī)藥類、香港-美國合作研究基金項(xiàng)目10余項(xiàng),獲研究經(jīng)費(fèi)700余萬元,在Cancer Res、Gastroenterology、Hepatology、Proteomics、JMol Biol等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇;現(xiàn)為國家自然科學(xué)基金委員會(huì)評(píng)審專家,Cancer Lett、PLos One、Life Sci、Anticancer Drugs、BMC Med Genomics等多家國際期刊特約審稿人。
Long non-coding RNA,potential biomarkers of the cancer diagnosis
XU Feiyue,CHEN Yangchao
(School of Biomedical Sciences,F(xiàn)aculty of Medicine,the Chinese University of Hong Kong,Hong Kong 999077,China)
Large numbers of the genomic transcripts do not encode proteins but play critical role in development and progress of cancer.Those non-coding transcripts are called non-coding RNA.Among the non-coding RNA,the long non-coding RNA(lncRNA)are increasingly recognized as participators of gene regulation.Parts of the lncRNA are found to be dysregulated in cancer and believed to be potential biomarkers for cancer diagnosis.In this paper,the classification,regulation mechanisms and biological functions of the lncRNA are introduced.Besides,some existing and potential biomarker lncRNA are also elaborated here.More lncRNA will be investigated and become the significant biomarkers for cancer diagnosiswith the advancement of gene sequence and microarray technologies.
Long non-coding RNA(lncRNA);Regulation mechanisms;Tumor;Gene diagnosis
Q522;R73
A
2095-3097(2014)05-0257-08
10.3969/j.issn.2095-3097.2014.05.001
2014-07-18 本文編輯:徐海琴)
999077香港,香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)學(xué)院(徐飛岳,陳揚(yáng)超)