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    長(zhǎng)鏈非編碼RNA 在消化系統(tǒng)腫瘤中的研究進(jìn)展

    2015-03-17 13:11:30覃中毅雷增杰陳東風(fēng)
    關(guān)鍵詞:肝癌胃癌功能

    覃中毅,雷增杰,王 斌,陳東風(fēng)

    第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所消化內(nèi)科,重慶400042

    1961 年Jacob & Monod 專著“Genetic regulatory mechanisms in the Synthesis of protein”的出版,標(biāo)志著基因組中心法則的建立,這一經(jīng)典學(xué)說(shuō)經(jīng)過(guò)50 年來(lái)的蓬勃發(fā)展,不斷地被補(bǔ)充、完善[1],而各種具有基因調(diào)控功能RNA 也在不斷被人類發(fā)現(xiàn)并深入研究。近年來(lái),測(cè)序手段的不斷革新讓我們?cè)诎l(fā)現(xiàn)一小部分新的具有蛋白編碼功能的RNA 的同時(shí),還發(fā)現(xiàn)了一類由基因組廣泛轉(zhuǎn)錄,長(zhǎng)度大于200 nt 且不具備編碼蛋白潛能的核苷酸片段,稱為長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long noncoding RNA,LncRNA)。不過(guò),相對(duì)于序列結(jié)構(gòu)方面的認(rèn)識(shí),人類對(duì)LncRNA 功能的認(rèn)識(shí)還比較欠缺。盡管如此,學(xué)者們通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)LncRNA 在基因的表達(dá)調(diào)控、疾病的發(fā)生發(fā)展等多項(xiàng)生命活動(dòng)中起著關(guān)鍵作用。

    1 LncRNA 的分類

    LncRNA 通常是根據(jù)其臨近的具有蛋白編碼功能的基因片段來(lái)進(jìn)行編碼和分類的[2],分為:(1)反義長(zhǎng)鏈非編碼RNA(antisense-LncRNA):LncRNA 轉(zhuǎn)錄起始于臨近的具有編碼功能基因內(nèi)部或其3'端,且轉(zhuǎn)錄方向與之相反,并有至少一個(gè)外顯子的重疊;(2)正義長(zhǎng)鏈非編碼RNA(sense-LncRNA):與反義剛好相反;(3)內(nèi)含子長(zhǎng)鏈非編碼RNA:指LncRNA 轉(zhuǎn)錄起始于具有編碼功能基因的內(nèi)含子,且無(wú)任何外顯子的重疊;(4)雙向長(zhǎng)鏈非編碼RNA(bidirectional LncRNA):起始于臨近的具有編碼功能基因的啟動(dòng)子,具有雙向轉(zhuǎn)錄潛能的LncRNA;(5)基因間長(zhǎng)鏈非編碼RNA(large intergenic non-coding RNA,LincRNA):指轉(zhuǎn)錄于兩個(gè)具有編碼功能基因間的LncRNA。

    2 LncRNA 的作用機(jī)制及功能

    近年來(lái),LncRNA 被發(fā)現(xiàn)在各項(xiàng)生命活動(dòng)中起著重要作用,包括調(diào)控胚胎干細(xì)胞干性、細(xì)胞周期及腫瘤細(xì)胞的增殖與侵襲轉(zhuǎn)移等[3-5]。其作用機(jī)制的研究近年來(lái)也有一定的進(jìn)展,普遍認(rèn)為L(zhǎng)ncRNA 通過(guò)與特定的蛋白質(zhì)形成RNA 蛋白復(fù)合物來(lái)發(fā)揮作用[6]。其主要包括:(1)誘餌作用(Decoy):LncRNA 可以誘導(dǎo)一系列具有基因調(diào)控功能的蛋白質(zhì)如轉(zhuǎn)錄因子等并與之結(jié)合,使其無(wú)法結(jié)合到相應(yīng)的功能位點(diǎn),起到調(diào)節(jié)生命活動(dòng)的功能。如LncRNA“PANDA”可以“誘導(dǎo)”轉(zhuǎn)錄因子NF-YA,以抑制p53 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡的作用;(2)支架作用(Scaffold):即LncRNA 通過(guò)與兩種或兩種以上的蛋白質(zhì)形成復(fù)合物后并起到相應(yīng)的調(diào)節(jié)作用。如LncRNA“HOTAIR”可同時(shí)結(jié)合于PRC2(polycomb repressive complex 2)及LSD1/CoREST/REST 形成復(fù)合物,通過(guò)基因沉默的方式調(diào)節(jié)H3K27 的甲基化及H3K27me3 的去甲基化[7];(3)引導(dǎo)作用(Guide):LncRNA 可以募集特定的蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物,并通過(guò)自身與相應(yīng)基因的特定區(qū)域進(jìn)行結(jié)合,調(diào)控生命活動(dòng)。已有相關(guān)研究[8]證明,X 染色體的失活,即基因印記這一經(jīng)典的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象與LncRNA 的引導(dǎo)作用有著較為密切的關(guān)系。

    目前這三種機(jī)制在國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)研究得以證實(shí)[9]。學(xué)界普遍認(rèn)為L(zhǎng)ncRNA 有如下兩種功能[10]:(1)表觀遺傳學(xué)水平的基因沉默;(2)調(diào)控基因的剪接。除此之外,LncRNA 還可以起到ceRNA(competingendogenous-RNAs)的作用,即可以競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合一部分MicroRNA,解除其對(duì)mRNA 的抑制,調(diào)控相應(yīng)的生命活動(dòng)[11-12]。近來(lái)也有文獻(xiàn)報(bào)道,LncRNA 還可以與mRNA 相互作用,并促進(jìn)其穩(wěn)定性[13]。相信隨著研究手段的不斷進(jìn)步,人類對(duì)LncRNA 認(rèn)識(shí)的不斷深入,肯定會(huì)有新的功能被不斷發(fā)現(xiàn)。

    3 LncRNA 與消化系統(tǒng)腫瘤

    LncRNA 現(xiàn)已被證實(shí)在基因表達(dá)、細(xì)胞增殖及分化等各項(xiàng)生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一系列研究均證實(shí)LncRNA 在腫瘤細(xì)胞中異常表達(dá),在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中起著十分重要的作用。本文著重關(guān)注LncRNA 對(duì)消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生、發(fā)展的影響及其可能的診斷及治療價(jià)值。

    3.1 LncRNA 與食管癌 食管癌是消化系統(tǒng)最為常見(jiàn)的腫瘤之一,在我國(guó)為第二大腫瘤[14]。其起病隱匿,出現(xiàn)癥狀時(shí)往往已進(jìn)入晚期,5 年生存率約為15%~25%,嚴(yán)重威脅著人們的生命健康[15]。

    Li 等[16]發(fā)現(xiàn)一種主要分布于細(xì)胞核中的LncRNA“Linc-POU3F3”,通過(guò)募集EZH2(組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)使PUU3F3 基因啟動(dòng)子的組蛋白甲基化,而POU3F3 無(wú)法翻譯出相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子以發(fā)揮正常的生理作用,最終導(dǎo)致ESCC 的發(fā)生。在食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞株Eca-109 及TE-1 中過(guò)表達(dá)Linc-POU3F3時(shí),兩者均出現(xiàn)較為明顯的增殖(增殖率分別增加了26% ~37%及14% ~34%);而敲除Linc-POU3F3 后,Eca-109 及TE-1 的增殖則受到了明顯抑制(增殖率分別降低了22% ~30%及24% ~34%)。在ESCC 樣本中,腫瘤組織相對(duì)于癌旁組織Linc-POU3F3 呈明顯的高表達(dá)。這提示Linc-POU3F3 為ESCC 發(fā)病中的重要分子,其異常的高表達(dá)是促進(jìn)ESCC 發(fā)生及轉(zhuǎn)移的重要生物學(xué)過(guò)程,這為未來(lái)ESCC 的診斷及個(gè)性化治療方案的制定提供了潛在的靶點(diǎn)。

    近年來(lái),我國(guó)食管腺癌的發(fā)病率在不斷增加,Wu等[17]發(fā)現(xiàn)LncRNA“AFAP1-AS1”在癌組織、癌旁組織及Barrett's 食管組織中表達(dá)較正常上皮組織均呈明顯的高表達(dá),通過(guò)siRNA 抑制其表達(dá)可以使食管腺癌細(xì)胞株增殖、侵襲能力明顯下降。

    3.2 LncRNA 與胃癌 胃癌[18]是世界范圍內(nèi)致死性第二的惡性腫瘤,每年約有75 萬(wàn)的新增病例。雖然近幾十年來(lái)手術(shù)、放化療等綜合治療技術(shù)快速發(fā)展,但胃癌患者整體療效并無(wú)顯著改善,尤其是進(jìn)展期胃癌預(yù)后更差,其5 年生存率低于25%[19]。因缺少敏感、特異的生物學(xué)標(biāo)記,且胃癌發(fā)病初期并無(wú)明顯的特異性癥狀,患者就診時(shí)常常已進(jìn)入較晚階段。時(shí)至今日,胃癌的發(fā)病機(jī)制尚未明確。隨著表觀遺傳學(xué)在腫瘤研究中的不斷深入,尤其是與LncRNA 相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn),LncRNA 在各類胃癌細(xì)胞中異常表達(dá),提示LncRNA或許可以成為胃癌潛在的臨床標(biāo)志物。

    Wang 等[20]發(fā)現(xiàn),在既往研究中已被證實(shí)與肺癌的增殖、轉(zhuǎn)移相關(guān)的LncRNA“MALAT1”,在胃癌的各類細(xì)胞株中(SGC-7901、MKN-45、SUN-16)也呈異常高表達(dá)。其還可以引起SF2/ASF 蛋白在胃癌細(xì)胞核中的募集,而SF2/ASF 在一些炎癥疾病和腫瘤發(fā)病中起著關(guān)鍵作用。在SGC-7901 細(xì)胞株中將MALA-T1 或SF2/ASF 敲除,均會(huì)導(dǎo)致該細(xì)胞株內(nèi)的細(xì)胞周期聚集在G0/G1期,使腫瘤細(xì)胞的增殖受到明顯抑制。同時(shí),當(dāng)MALAT1 敲除時(shí),SF2/ASF 的表達(dá)及在細(xì)胞中的分布均會(huì)受到明顯的抑制。然而,當(dāng)敲除MALAT1后過(guò)表達(dá)SF2/ASF 并不能解除胃癌細(xì)胞的增殖抑制。這提示MALAT1 在胃癌的發(fā)病中起到了關(guān)鍵作用,而通過(guò)募集SF2/ASF 蛋白來(lái)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖或許只是其中一條比較重要的通路。因此,MALAT1 可能為胃癌潛在的生物學(xué)標(biāo)記,針對(duì)MALAT1 的基因治療或許可以有效提高胃癌患者的生存率。而Yang 等[21]表明LncRNA-GHET1 在胃癌細(xì)胞中呈明顯的高表達(dá),且GHET1 的表達(dá)水平與腫瘤的大小、腫瘤的侵襲能力及較差的生存期均有相關(guān)性。功能獲得型模型(gain-offunction)及功能缺失型模型(loss-of-function)分析表明,在體內(nèi)及體外模型中過(guò)表達(dá)的GHET1 均可以提高胃癌細(xì)胞的增殖。而將GHET1 敲除后,胃癌細(xì)胞的增殖則會(huì)受到明顯的抑制。Pull-Down 實(shí)驗(yàn)及RNA 免疫沉淀(immunoprecipitation)實(shí)驗(yàn)顯示該LncRNA 與胰島素生長(zhǎng)因子2-mRNA 結(jié)合蛋白1(IGF2BP1)相結(jié)合,而GHET1 的表達(dá)還可以加強(qiáng)IGF2BP1 與c-Myc mRNA 之間的聯(lián)系,并以此提高c-Myc mRNA 量及其表達(dá)水平。此外,GHET1 及c-Myc 的表達(dá)水平與胃癌的發(fā)生也有著密切的聯(lián)系,c-Myc 的缺失將會(huì)消除GHET1對(duì)胃癌細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用。因此,我們認(rèn)為L(zhǎng)ncRNA-GHET1 的表達(dá)能夠明顯提高c-Myc 的表達(dá)水平及其mRNA 的數(shù)量,從而在胃癌的進(jìn)展中起到關(guān)鍵作用。

    3.3 LncRNA 與結(jié)直腸癌 結(jié)直腸癌[22]是一種在世界范圍內(nèi)均較為常見(jiàn)的惡性腫瘤,每年大約有100 萬(wàn)的新發(fā)病例。在發(fā)達(dá)國(guó)家,其死亡人數(shù)大約占到特殊死亡人數(shù)的33%。然而,各類型結(jié)直腸癌的發(fā)病因素極為復(fù)雜,早期做出明確診斷的難度也較大。

    Kogo 等[23]發(fā)現(xiàn)在32 例Ⅳ期伴有肝轉(zhuǎn)移的結(jié)直腸癌患者中,LncRNA“HOTAIR”在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)遠(yuǎn)高于其癌旁組織;相關(guān)性分析顯示HOT-AIR 的表達(dá)程度也與肝轉(zhuǎn)移有較高的相關(guān)性。與此同時(shí),HOTAIR 表達(dá)水平較高的患者其預(yù)后情況相對(duì)較差。對(duì)這32 份樣本進(jìn)行基因富集分析,發(fā)現(xiàn)HOTAIR 的表達(dá)與多梳蛋白2(polycomb repressive complex 2,PRC2)的復(fù)合物(SUZ12、EZH2、H3K27me3)有直接關(guān)聯(lián)。提示HOTAIR 的表達(dá)引起了PRC2 的重新定位,從而增強(qiáng)了結(jié)直腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移、侵襲能力。Ge 等[24]近期發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與人類前列腺癌相關(guān)的LncRNA“PCAT-1”在結(jié)直腸癌細(xì)胞中呈高表達(dá),推測(cè)其異常的表達(dá)與結(jié)直腸癌的發(fā)生也有一定的關(guān)聯(lián)性。

    3.4 LncRNA 與肝癌 肝癌[25]是目前全世界范圍內(nèi)最為常見(jiàn)的惡性腫瘤之一,其發(fā)病率高,死亡率居高不下,患者就診時(shí)常已發(fā)生肝內(nèi)及肝外轉(zhuǎn)移,預(yù)后較差。我國(guó)是乙肝大國(guó)[26],而HBV 也是肝癌發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。目前對(duì)肝癌相關(guān)LncRNA 的研究較多,HULC、HOTAIR、H19 等均有相關(guān)文獻(xiàn)證明與HCC 的各個(gè)階段直接關(guān)聯(lián)。

    Yuan 等[11]近期研究中發(fā)現(xiàn),在肝癌細(xì)胞中,由TGF-α 激活的LncRNA-ATB 通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合mir-200 家族從而上調(diào)ZEB1 及ZEB2 基因的表達(dá),由于ZEB1 及ZEB2 均為上皮間質(zhì)化(epithelial mesenchymal transition,EMT)過(guò)程中的重要分子,而以往的研究已經(jīng)證明了EMT 可以促進(jìn)腫瘤的侵襲,故LncRNA-ATB的上調(diào)可以通過(guò)該機(jī)制增強(qiáng)肝癌的侵襲能力。同時(shí),LncRNA-ATB 還可以通過(guò)結(jié)合白細(xì)胞介素11(IL-11)的mRNA,自分泌誘導(dǎo)IL-11,激活STAT-3 信號(hào)通路從而促進(jìn)轉(zhuǎn)移后的腫瘤細(xì)胞的克隆增殖。因此,該研究認(rèn)為L(zhǎng)ncRNA-ATB 是調(diào)控肝癌增殖、轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素之一,且其可能為引起肝癌瀑布級(jí)聯(lián)效應(yīng)的重要環(huán)節(jié)。作為T(mén)GF-α 信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子,LncRNA-ATB 的發(fā)現(xiàn)及功能研究進(jìn)一步完善了該通路的分子網(wǎng)絡(luò)和理念,為合理解釋其兩面性(促癌及抑癌)提供了重要的理論依據(jù)。再者,LncRNA-ATB 在肝癌發(fā)病中的重要作用,使其有潛力成為未來(lái)基因靶向治療腫瘤的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

    當(dāng)然,LncRNA 在肝癌發(fā)生的各個(gè)階段中不僅起促進(jìn)作用,有一部分LncRNA 同樣起著抑癌作用[27]。Zheng 等[28]研究表明LncRNA-SRHC 在沉默后會(huì)促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖。在使用慢病毒調(diào)控其表達(dá)程度的模型中,LncRNA-SRHC 高表達(dá)的模型與對(duì)照組相比,其細(xì)胞增殖受到了明顯的抑制,這提示LncRNA-SRHC可能為一種潛在的抑癌因子。

    3.5 LncRNA 與胰腺癌 相對(duì)于其他的消化系統(tǒng)腫瘤,LncRNA 在胰腺癌方面的研究較少。Kim 等[29]發(fā)現(xiàn)在36 例胰腺癌患者中,HOTAIR 在腫瘤中的表達(dá)水平遠(yuǎn)高于其癌旁細(xì)胞;在已經(jīng)轉(zhuǎn)移的胰腺癌細(xì)胞中的表達(dá)水平也高于原發(fā)灶。Kaplan-Meier 生存分析也顯示,低表達(dá)HOTAIR 的胰腺癌患者其生存期較高表達(dá)患者顯著增長(zhǎng)。通過(guò)基因富集分析(GSEA),研究者發(fā)現(xiàn)HOTAIR 在Panc-1 細(xì)胞(一類低分化的,具有高度侵襲能力的胰腺癌細(xì)胞株)也呈明顯的高表達(dá)。這提示,HOTAIR 的表達(dá)水平在判斷胰腺癌是否轉(zhuǎn)移、臨床分期及預(yù)后上均有一定的指導(dǎo)意義。近來(lái),也有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道高表達(dá)的LncRNA“MALAT1”與胰腺癌的預(yù)后不良有一定的關(guān)系[30]。

    迄今為止,LncRNA 在人類生命活動(dòng)中所扮演的重要角色正被人們不斷地認(rèn)識(shí),其與各類型腫瘤的相關(guān)研究正逐漸成為當(dāng)代生命科學(xué)研究的熱門(mén)領(lǐng)域。隨著后基因組時(shí)代的到來(lái),人類對(duì)LncRNA 的研究將為中心法則進(jìn)一步完善提供重要的理論依據(jù)。消化系統(tǒng)腫瘤在臨床上常見(jiàn),起病隱匿,并發(fā)癥多,進(jìn)展快,預(yù)后差。腫瘤是多因素、多環(huán)節(jié)及多基因共同作用的結(jié)果。目前對(duì)于LncRNA 與腫瘤的相關(guān)研究主要是以某一特定LncRNA 在腫瘤細(xì)胞中的異常表達(dá)為切入點(diǎn),進(jìn)而從基因表達(dá)調(diào)控的角度對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、增殖及轉(zhuǎn)移等方面進(jìn)行研究。但受困于技術(shù)手段,通常局限于某一種LncRNA 對(duì)特定腫瘤的影響,而鮮有深入探討其具體的作用機(jī)理及是否通過(guò)多種LncRNA 的共同作用,人們對(duì)LncRNA 的了解還十分有限。不過(guò)可以預(yù)見(jiàn)的是,隨著技術(shù)手段的不斷提高,必然會(huì)有新的LncRNA 被不斷發(fā)掘出來(lái),通過(guò)闡明其與消化系統(tǒng)腫瘤發(fā)生的相關(guān)機(jī)制,LncRNA 有望被應(yīng)用于消化系統(tǒng)腫瘤的診斷、分期分級(jí)、靶向治療及預(yù)后判斷之中。展望LncRNA 的未來(lái),學(xué)界或許會(huì)發(fā)現(xiàn)家族性的LncRNA,并建立LncRNA 研究的系統(tǒng)模型,描繪出由LncRNA調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳網(wǎng)絡(luò)圖譜,從而為腫瘤的診斷及個(gè)性化治療提供重要的理論依據(jù)。在后基因時(shí)代,LncRNA 極有潛力成為人類攻克腫瘤疾病的重要手段。

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