長鏈非編碼RNA在先天性心臟病中的研究進展

摘要： 先天性心臟病是新生兒中最常見的出生缺陷，是兒童非感染性死亡的主要原因，其病因尚未完全明了。長鏈非編碼RNA為通過調(diào)控基因表達控制細胞過程的一類新的非編碼RNA。目前越來越多的研究表明長鏈非編碼RNA在心臟發(fā)育及先天性心臟病中發(fā)揮著重要作用，現(xiàn)將長鏈非編碼RNA的結(jié)構功能及在先天性心臟病中的研究進展進行綜述。

關鍵詞：先天性心臟??；長鏈非編碼RNA；發(fā)病機制

心臟發(fā)育是在時間和空間上基因的精確表達下進行的[1]，其中由眾多轉(zhuǎn)錄因子參與的調(diào)控網(wǎng)絡控制著正常心血管發(fā)育所需的信號通路，而這些信號通路的異常就可能引起先天性心臟病[2]（congenital heart disease，CHD）。在過去的十幾年里，由于分子生物學和生物技術的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子NKX2.5[3]、Tbx5[4]和GATA4[5，6]等在心臟發(fā)育及先心病的發(fā)生中具有重要作用。而隨著下一代測序技術（next generation sequencing，NGS）和芯片技術的發(fā)展及運用[7]，長鏈非編碼RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）被確定為通過調(diào)控基因表達控制細胞過程的一類新的非編碼RNA（non-coding RNAs，ncRNAs），其表達紊亂與神經(jīng)精神疾病、代謝性疾病和腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[8，9]。目前越來越多的研究表明lncRNAs在心臟發(fā)育及先天性心臟病中發(fā)揮著重要作用，本文就lncRNAs的結(jié)構功能及在先天性心臟病中的研究進展進行綜述。

1長鏈非編碼RNA

1.1 長鏈非編碼RNA的結(jié)構 在人類基因組中約80%的基因參與了與RNA和染色質(zhì)有關的編碼，但是只有2%的基因可以翻譯為蛋白，其余約91%的基因組序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生ncRNAs。根據(jù)RNA翻譯的長度，可將ncRNAs分為小分子ncRNAs（small non-coding RNAs，<200bp）和長鏈ncRNAs（>200bp）。lncRNAs為內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄RNA，至少包含200個核苷酸[10]，體內(nèi)數(shù)量約7000～23000個，位于細胞質(zhì)或細胞核內(nèi)。大多數(shù)lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生，盡管其不具有編碼蛋白質(zhì)的功能，但lncRNAs具有與mRNA相似的生物學特征，如5'端帽結(jié)構、多聚腺苷酸尾和剪接模式[11，12]。然而，并不是所有的lncRNAs具有mRNA的典型特征。和編碼蛋白質(zhì)的基因相比，lncRNAs缺少蛋白質(zhì)結(jié)構域和關鍵的開放閱讀框（ORFs）。根據(jù)lncRNAs編碼序列在基因組上相對于蛋白編碼基因的位置，lncRNAs可劃分為：①雙向lncRNAs：轉(zhuǎn)錄于蛋白質(zhì)編碼基因的兩條反向互補鏈；②基因間IncRNAs：來源于兩條蛋白質(zhì)編碼基因的基因間隔區(qū)；③內(nèi)含子IncRNAs：來源于蛋白質(zhì)編碼基因的內(nèi)含子序列；④正義鏈IncRNAs：其轉(zhuǎn)錄于蛋白質(zhì)編碼基因的正義鏈；⑤反義鏈lncRNAs：其由蛋白質(zhì)編碼基因的反義鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生。這種位置關系對于推測lncRNAs的功能有很大的幫助。

1.2長鏈非編碼RNA的功能 由于lncRNAs的數(shù)量和種類眾多，所以其對基因表達調(diào)控的方式也多種多樣。lncRNAs通過順式或反式作用的方式參與細胞分裂、細胞分化及凋亡等生物學過程，同時還可調(diào)節(jié)組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等，對基因表達在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平及轉(zhuǎn)錄后水平進行調(diào)控[13，14]。在印記控制、免疫應答和染色體動力學中也有著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs似乎并沒有通過共同的途徑發(fā)揮作用，因此，根據(jù)它們的一級序列或二級結(jié)構來預測它們的功能是不可行的。

2長鏈非編碼RNA與心臟發(fā)育及先天性心臟病

2.1長鏈非編碼RNA與心臟發(fā)育 在胚胎發(fā)育過程中，lncRNAs是胚胎干細胞基因調(diào)控網(wǎng)絡的組成部分，改變lncRNAs的表達可以改變胚胎干細胞的維持和向特定譜系細胞分化[15]。lncRNA的表達通常與多能性標記物緊密相關，而且許多l(xiāng)ncRNAs由關鍵轉(zhuǎn)錄因子如Nanog的和Oct4調(diào)節(jié)。Klattenhoff等在體外研究中發(fā)現(xiàn)了一個新的lncRNAs Bvht（AK143260）[16]，Bvht在小鼠胚胎干細胞的早期發(fā)育階段開始表達，在成年小鼠心臟中也大量存在，表明Bvht在心肌細胞分化過程中有著重要的作用。敲除Bvht后，可導致胚胎干細胞分化過程中搏動的心肌細胞數(shù)量的減少，同時不能激活心臟轉(zhuǎn)錄因子（MesP1，Gata4，Gata6，Nkx2.5）的表達，但不影響向其他組織的分化。這些缺陷可通過轉(zhuǎn)錄因子MesP1的過度表達逆轉(zhuǎn)，MesP1是胚胎發(fā)育中早期心肌細胞形成的關鍵轉(zhuǎn)錄因子，最終可引導胚胎干細胞產(chǎn)生所有的心肌細胞。這些研究表明，lncRNAs在中胚層向多能心臟祖細胞的轉(zhuǎn)化中有著重要的作用。

2.2長鏈非編碼RNA與先天性心臟病 lncRNAs可與染色質(zhì)的調(diào)節(jié)蛋白相互作用調(diào)控基因表達，并對它們具有特異性，提示lncRNAs可作為基因表達過程中特定的精細調(diào)節(jié)器。而lncRNAs的異常則可引起相應的疾病。Guixian Song等對先天性室間隔缺損lncRNAs的失調(diào)進行了綜合分析[17]。通過使用第二代lncRNAs芯片，對室間隔缺損患者和對照組心臟組織的轉(zhuǎn)錄組進行了對比，結(jié)果顯示在室間隔缺損患者有880個lncRNAs上調(diào)，628個下調(diào)。此外，還篩選出了兩個lncRNAs（ENST00000513542和RP11-473L15.2）與室間隔缺損有關。ENST00000513542和RP11-473L15.2的關聯(lián)基因分別是SMAD1和FGF10，在胎兒心臟組織中對其表達進行了檢測，發(fā)現(xiàn)和對照組相比，室間隔缺損患者SMAD1的表達明顯下降，這表明ENST00000513542參與了SMAD1靶基因的順式調(diào)控。SMAD1是一種信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白，是將轉(zhuǎn)化生長因子β（transforming growth factorβ，TGF-β）超家族成員與其受體結(jié)合后產(chǎn)生的信號從胞質(zhì)傳至細胞內(nèi)的中介分子。這種蛋白可介導骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）的信號通路，涉及生物活動包括細胞生長、細胞凋亡、形態(tài)發(fā)生、心臟發(fā)育和免疫應答。過表達BMP/SMAD信號特異性抑制蛋白SMAD6，會妨礙心肌細胞的分化[18]，最終引起先天性心臟病。與此相反，F(xiàn)GF10的表達在兩組之間無差異，表明RP11-473L15.2不影響FGF10在轉(zhuǎn)錄水平的表達。lncRNA的失調(diào)提供了一種新的方法來發(fā)現(xiàn)先心病的病因，說明在心臟發(fā)育中編碼和非編碼RNA轉(zhuǎn)錄物之間有著錯綜復雜的關系。

在小鼠胚胎發(fā)育早期，側(cè)板中胚層特異表達一種lncRNAs Fendrr，F(xiàn)endrr在小鼠心臟和體壁的正常發(fā)育中有重要作用[19]。Fendrr可結(jié)合到組蛋白修飾復合物多梳蛋白復合體2（polycomb repressive complexes 2，PRC2）和TrxG/MLL（Trithorax group/MLL）復合體上。PRC2和TrxG/MLL在決定基因調(diào)控多能性和細胞分化的活化狀態(tài)中有著重要作用，PRC2復合物介導組蛋白H3第27位賴氨酸（H3K27）甲基化修飾，可抑制基因活性。而TrxG/MLL復合物介導組蛋白H3第4位賴氨酸（H3K4）甲基化，可充當活化的標記。PRC2和TrxG/MLL在基因調(diào)控上具有的相反作用，在胚胎發(fā)育中有著至關重要的作用。胚胎缺乏Fendrr將引起控制側(cè)板和心臟中胚層分化的許多轉(zhuǎn)錄因子表達上調(diào)，并伴隨著PRC2大幅度降低，引起H3K27三甲基化的降低和/或H3K4三甲基化的增加，抑制心肌細胞分化關鍵轉(zhuǎn)錄因子（Foxf1，Pitx2）基因的表達，引起心臟組織中的心肌細胞數(shù)量顯著減少，最終可導致胚胎死亡。因此，我們可以認為Fendrr在心臟發(fā)育過程中，對相關轉(zhuǎn)錄因子起著正負調(diào)控的作用，協(xié)調(diào)它們的表達，而Fendrr的異常，最終會影響到心臟的正常發(fā)育，引起先天性心臟病。

3展望

隨著下一代測序技術及基因芯片技術的成熟，我們獲得了lncRNAs許多重要的分子功能，包括調(diào)控細胞周期、分化和凋亡，以及可作為小分子RNA的前體，但是目前l(fā)ncRNAs在心臟方面的研究尚處于起步階段，尤其是在先天性心臟病方面，其對心血管生物學的影響也有待進一步的發(fā)掘。lncRNAs是如何影響先天性心臟病的發(fā)生與發(fā)展成為了當前的主要任務。我們相信，隨著對lncRNAs研究的深入和新技術的應用，新的lncRNAs會隨之發(fā)現(xiàn)，在心臟發(fā)育及先天性心臟病中的作用機制也將被闡明，屆時將為先天性心臟病的治療提供新的途徑和策略。

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