長鏈非編碼RNA與顱頜面發(fā)育及畸形的相關性研究進展

孟小輝 綜述 宋濤 審校

長鏈非編碼RNA與顱頜面發(fā)育及畸形的相關性研究進展

孟小輝 綜述 宋濤 審校

先天性顱頜面畸形是臨床較多見的生長發(fā)育缺陷。長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNA，lncRNA）是指長度大于200個核苷酸，無法編碼蛋白的RNA。近年來，越來越多的研究表明，lncRNA在顱頜面的生長發(fā)育進程中有著重要的作用。本文對lncRNA與顱頜面發(fā)育及畸形的相關性研究進展進行綜述。

長鏈非編碼RNA顱頜面發(fā)育顱頜面畸形

長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNA，lncRNA）是生物體內重要的調節(jié)分子，雖然對lncRNA功能和作用機制的研究尚處于起步階段，但已有不少證據(jù)表明lncRNA參與了細胞發(fā)生、分化、增殖、代謝、凋亡等多種生物學過程[1-3]。顱頜面發(fā)育畸形是人類生長發(fā)育過程中易出現(xiàn)的缺陷，與lncRNA有著密切關系。本文對lncRNA的概念、生物學功能，及其在顱頜面發(fā)育畸形過程中的作用進行綜述。

1 lncRNA的概述

1.1 概念與分類

lncRNA是指長度在200個核苷酸以上，且不能編碼蛋白質的RNA[3]。lncRNA生物來源比較廣泛，在生物體內含量巨大，種類繁多，至今沒有統(tǒng)一的生物學分類標準。根據(jù)lncRNA與蛋白質編碼基因的位置關系，可分為順式反義型、雙向型、重疊型和內含子型等[4]；而根據(jù)lncRNA的功能，則可分為信號分子（Signal molecule）、誘餌分子（Decoy molecule）、引導分子（Guide molecule）和骨架分子（Scaffold molecule）等4類[4]。

1.2 生物學功能

1.2.1 調控基因表達

lncRNA可在表觀遺傳水平、轉錄水平、轉錄后水平調控基因的表達。lncRNA在基因表觀遺傳調控中具有著重要的作用。研究表明，參與哺乳動物染色體劑量補償效應的經(jīng)典lncRNA，即X染色體特異性失活轉錄物（X-inactive specific transcript，Xist），當其與多梳抑制復合體2（Polycomb repressive complex 2，PRC2）結合，形成復合體靶向，作用于X染色體作用位點時，可使大量組蛋白被甲基化，最終導致X染色體失活[5-6]。lncRNA可以通過模仿DNA元件參與基因轉錄調控。生長阻滯特異轉錄物5（Growth arrest-specific transcript 5，Gas5）通過利用自身莖環(huán)結構，模擬糖皮質激素應答元件，來結合糖皮質激素受體（Glucocorticoid receptor）的DNA結合結構域，阻止糖皮質激素受體與糖皮質激素應答元件的相互作用，從而抑制下游基因的表達[7]。lncRNA參與基因轉錄后調控，主要包括RNA的剪接、成熟、代謝及穩(wěn)定性調節(jié)[8]。Tripathi等[9]研究發(fā)現(xiàn)，肺腺癌轉移相關轉錄物1（Metastasisassociated in lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1）的lncRNA與絲氨酸/精氨酸（Serine/arginine，SR）剪接因子相互作用，并調控剪接因子在剪接斑點中的分布和磷酸化水平，從而改變mRNA前體的選擇性剪接模式。

1.2.2 與蛋白質、RNA、DNA相互作用

lncRNA可以通過與DNA、RNA和蛋白分子結合而發(fā)揮調控作用，其作用機制主要包括：①lncRNA作為蛋白質的引導分子。在p53信號通路研究中，Huarte等[10]發(fā)現(xiàn)長鏈基因間非編碼RNA p21（Long intergenic ncRNA p21，lincRNAp21）可作為核不均一核糖核蛋白-K（Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein-K，hnRNP-K）的引導分子，將其定位到p21基因啟動子區(qū)，激活p21轉錄表達。②lncRNA作為蛋白質的支架分子。長鏈非編碼RNA Hotair可以利用其5′端的結構域與PRC2蛋白復合體相互作用，同時還可以利用其3′端的結構域與去甲基化蛋白復合體結合，作為連接支架和橋梁而發(fā)揮作用[11]。③通過以誘餌的方式吸附一些特定的microRNA，從而調控靶基因的表達[2，12]。④與RNA結合形成互補雙鏈，參與mRNA的剪切、降解及翻譯等過程[2，12]。

2 lncRNA與顱面部發(fā)育及畸形

2.1 lncRNA與唇腭裂

唇腭裂是顱頜面最常見的先天性畸形。H19和IGF2交互印記，基因定位相近，共用同一調控體系，且在個體生長、發(fā)育及行為發(fā)展方面有重要作用，許多疾病的發(fā)生發(fā)展又與兩者的印記調控異常有關[13-14]。H19基因在胚胎各種組織中廣泛表達，包括腭部[15]。Ozturk等[16]通過RNA測序分析發(fā)現(xiàn)，lncRNA H19基因是轉化生長因子-β3敲除小鼠的腭裂基因。Gao等[17]發(fā)現(xiàn)，IncRNA H19可能通過與IGF2相互作用而參與小鼠腭裂的發(fā)生，但并未明確其機制。Liu等[18]通過酵母雙雜交和共沉淀實驗發(fā)現(xiàn)，RNA結合蛋白vigili能夠與轉錄因子CTCF（CCCTC-binding factor）相互作用，從而調控H19和IGF2的表達。此外，近來有學者在人和鼠細胞中發(fā)現(xiàn)lncRNA H19是miR-675的前體[19]，提示lncRNA H19可能通過miRNA發(fā)揮基因調控作用。

上皮-間質細胞轉換（Epithelial-mesenchymal transition，EMT）與著床、胚胎形成和器官發(fā)育等相關。lncRNA可直接或間接調節(jié)EMT過程。天然反義轉錄物（Natural antisense transcript，NAT）是自然情況下生物體內生成的重要lncRNA，通過與互補RNA堿基配對，形成自然有義-反義轉錄物（Natural sense-antisense transcript，NSAT），導致靶mRNA降解或翻譯抑制，從而抑制編碼E-cadherin（黏附連接）、ZO-3（緊密連接）、plakophilin2（橋粒）和connexin26（間隙連接）等基因的轉錄，進而削弱細胞間的連接作用，促進EMT的發(fā)生。此外，TGF-β信號通路在腭部發(fā)育過程，如上皮間質轉化、基膜降解中有重要作用[20]。TGF-β1和TGF-β2共同調節(jié)間質細胞增殖和細胞外基質的合成，而TGF-β3作為其通路中的關鍵因子，可介導腭突中脊上皮接觸、裂解等生物學過程，從而使腭間質融合、腭部形成[21-22]。近年來，較多研究證實，在TGF-β信號通路中存在一些發(fā)揮著不同介導作用的lncRNA，這些lncRNA在不同水平與TGF-β信號通路相互作用[23]：①lncRNA通過TGF-β信號通路參與調控（如MEG3、PVT-1、BANCR、UCA1、ANRIL、Suzl2等）；②lncRNA被TGF-β信號通路調控（如lncRNA-mad7、lncRNA-HIT、HOXD-AS1、H19等）。TGF-β本身也可誘導產(chǎn)生一些具有重要調控功能的lncRNA，從而形成復雜的交聯(lián)調控網(wǎng)絡。然而，這些研究大部分是基于腫瘤形成相關的EMT，是否符合唇腭裂的EMT過程，還需要更多的實驗來進一步驗證。

2.2 lncRNA與腦發(fā)育

神經(jīng)系統(tǒng)的生長發(fā)育依賴lncRNA在時間特異性與空間特異性上的準確表達。大腦有著豐富的lncRNA的表達[24]，在調節(jié)神經(jīng)細胞分化、突觸的可塑性和腦發(fā)育等方面有重要作用。Guttman等[25]通過分析小鼠神經(jīng)元染色質標簽，發(fā)現(xiàn)了超過1 000個基因間lncRNA，這些lncRNA與少突膠質細胞髓鞘形成、GABA能神經(jīng)元分化、CREB介導的轉錄調節(jié)、小鼠海馬發(fā)育、腦老化、G蛋白偶聯(lián)受體和鈣調神經(jīng)磷酸酶依賴的信號轉導通路有關。朱麗媛等[26]研究nTPB基因座上T-uc.33這一超保守lncRNA，在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的作用時，發(fā)現(xiàn)T-uc.33和nTPB在小鼠腦組織中的表達呈顯著正相關，說明T-uc.33潛在地影響小鼠腦組織發(fā)育和神經(jīng)干細胞的分化過程。

2.3 lncRNA與頜骨發(fā)育

lncRNA也參與調控頜骨的生長發(fā)育。Zhu等[27]在研究hFOB1.19細胞成骨分化時發(fā)現(xiàn)，lncRNA-ANCR與EZH2相互作用，可抑制Runx2的表達，從而促進成骨分化。Jin等[28]發(fā)現(xiàn)，lncRNA MIAT的表達在骨誘導期間以時間依賴性方式下調，MIAT的敲除促進脂肪干細胞的成骨分化抑制。夏昕等[29]利用lncRNA-seq測序技術，檢測孕18 d及出生后14 d小鼠下頜骨組織中l(wèi)ncRNA表達譜的差異，發(fā)現(xiàn)出生前、后的頜骨發(fā)育變化過程中，有些lncRNA明顯上調，而有些明顯下調。Babajko等[30]發(fā)現(xiàn)，Msx1反義RNA（Msx1-AS RNA）調控Msx1基因的表達，當兩者間的平衡受到干擾時，會造成牙齒發(fā)育不全和骨丟失。

2.4 lncRNA與先天性小耳畸形

Wei[31]在研究先天性小耳畸形microRNA生物信息學時發(fā)現(xiàn)，lncRNA MALAT1與microRNA形成調節(jié)網(wǎng)參與外耳的生長發(fā)育。張玲等[32]通過高通量lncRNA基因芯片研究發(fā)現(xiàn)，先天性小耳畸形存在明顯的lncRNAs差異性表達，提示lncRNA可能在小耳畸形發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。在隨后的研究中，還發(fā)現(xiàn)lncRNANR_028308在先天性小耳畸形的殘耳軟骨中表達明顯上調，提示其和先天性小耳畸形的發(fā)生、發(fā)展有一定的關系[33]。

3 結語與展望

顱頜面畸形的發(fā)生和發(fā)展，是多因素調控、機制非常復雜的生命過程。目前，lncRNA研究正處于初步階段，其在顱頜面畸形中的作用和分子調控機制尚未明確。隨著高通量測序技術和生物信息學的發(fā)展，越來越多的lncRNA被人們發(fā)現(xiàn)，更多顱頜面畸形相關的lncRNA調節(jié)基因的分子機制將被進一步闡明，有望應用于顱頜面畸形的預防和治療。

[1]Ponting CP,Oliver PL,Reik W.Evolution and functions of long noncoding RNAs[J].Cell,2009,136(4):629-641.

[2]Wang KC,Chang HY.Molecular mechanisms of long noncoding RNAs[J].Mol Cell,2011,43(6):904-914.

[3]Mallory AC,Shkumatava A.LncRNAs in vertebrates:advances and challenges[J].Biochimie,2015,117:3-14.

[4]Mercer TR,Dinger ME,Mattick JS.Long non-coding RNAs: insights into functions[J].Nat Rev Genet,2009,10(3):155-159.

[5]Lee JT.The X as model for RNA's niche in epigenomic regulation [J].Cold Spring Harb Perspect Biol,2010,2(9):a003749.

[6]Maenner S,Blaud M,Fouillen L,et al.2-D structure of the A region of Xist RNA and its implication for PRC2 association[J]. PLoS Biol,2012,8(1):e1000276.

[7]Kino T,Hurt DE,Ichijo T,et al.Noncoding RNA gas5 is a growth arrest-and starvation-associated repressor of the glucocorticoid receptor[J].Sci Signal,2010,3(107):ra8.

[8]Filipowicz W,Jaskiewicz L,Kolb FA,et al.Post-transcriptional gene silencing by siRNAs and miRNAs[J].Curr Opin Struct Biol, 2005,15(3):331-341.

[9]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.

[10]Huarte M,Guttman M,Feldser D,et al.A large intergenic noncoding RNA induced by p53 mediates global gene repression in the p53 response[J].Cell,2010,142(3):409-419.

[11]Tsai MC,Manor O,Wan Y,et al.Long noncoding RNA as modular scaffold of histone modification complexes[J].Science,2010,329 (5992):689-693.

[12]Moran VA,Perera RJ,Khalil AM.Emerging functional and mechanistic paradigms of mammalian long non-coding RNAs[J]. Nucleic Acids Res,2012,40(14):6391-6400.

[13]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.

[14]Smith ZD,Chan MM,Humm KC,et al.DNA methylation dynamics of the human preimplantation embryo[J].Nature,2014,511(7511): 611-615.

[15]Venkatraman A,He XC,Thorvaldsen JL,et al.Maternal imprinting at the H19-Igf2 locus maintains adult haematopoietic stem cell quiescence[J].Nature,2013,500(7462):345-349.

[16]Ozturk F,Li Y,Zhu X,et al.Systematic analysis of palatal transcriptome to identify cleft palate genes within TGFβ3-knockout mice alleles:RNA-Seq analysis of TGFβ3 Mice[J]. BMC Genomics,2013,14:113.

[17]Gao L,Yin J,Wu W.Long non-coding RNA H19-mediated mouse cleft palate induced by 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-pdioxin[J].Exp Ther Med,2016,11(6):2355.

[18]Liu Q,Yang B,Xie X,et al.Vigilin interacts with CCCTC-binding factor(CTCF)and is involved in CTCF-dependent regulation of the imprinted genes Igf2 and H19[J].FEBS J, 2014,281(12):2713-2725.

[19]Keniry A,Oxley D,Monnier P,et al.The H19 lincRNA is a developmental reservoir of miR-675 that suppresses growth and Igf1r[J].Nature Cell Biol,2011,14(7):659-665.

[20]李麗,鄭謙.轉化生長因子B3基因與腭融合[J].國際口腔醫(yī)學雜志,2014,41(4):440-443.

[21]Li L,Shi JY,Zhu GQ,et al.MiR-17-92 cluster regulates cell proliferation and collagen synthesis by targeting TGFB pathway in mouse palatal mesenchymal cells[J].J Cell Biochem,2012,113 (4):1235-1244.

[22]Murillo J,Maldonado E,Barrio MC,et al.Interactions between TGF-beta1 and TGF-beta3 and their role in medial edge epitheliumcelldeathandpalatalfusioninvitro[J]. Differentiation,2009,77(2):209-220.

[23]Wang J,Shao N,Ding X,et al.Crosstalk between transforming growth factor-β signaling pathway and long non-coding RNAs in cancer[J].Cancer Lett,2016,370(2):296-301.

[24]Sasaki YT,Sano M,Ideue T,et al.Identification and characterization of human non-coding RNAs with tissue-specific expression[J]. Biochem Biophys Res Commun,2007,357(4):991-996.

[25]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.

[26]朱麗媛,趙阿妮,張靖,等.nPTB基因座上T-uc.33在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的功能[J].基礎醫(yī)學與臨床,2016,36(7):962-968.

[27]Zhu L,Xu PC.Downregulated LncRNA-ANCR promotes osteoblast differentiation by targeting EZH2 and regulating Runx2 expression [J].Biochem Biophys Res Commun,2013,432(4):612-617.

[28]Jin C,Zheng Y,Huang Y,et al.Long non-coding RNA MIAT knockdown promotes osteogenic differentiation of human adipose derived stem cells[J].Cell Biol Int,2017,41(1):33-41.

[29]夏昕,伍虹,陳絳媛,等.小鼠頜骨發(fā)育過程中長鏈非編碼RNA的表達譜變化[J].中華口腔醫(yī)學研究雜志電子版,2014(6):459-463.

[30]Babajko S,Méary F,Petit S,et al.Transcriptional regulation of MSX1 natural antisense transcript[J].Cells Tissues Organs,2011, 194(2-4):151-155.

[31]Wei G.Bioinformatics analysis of microRNA comprehensive regulatory network in congenital microtia[J].Int J Pediatr Otorhinolaryngol,2015,79(10):1727-1731.

[32]張玲,林琳,宋宇鵬,等.先天性小耳畸形差異性長鏈非編碼RNA表達譜與生物信息學分析[J].中國優(yōu)生與遺傳雜志,2015(10): 23-26.

[33]張玲,林琳,宋宇鵬,等.長鏈非編碼RNA-NR_028308在先天性小耳畸形中的表達及臨床意義[J].中國優(yōu)生與遺傳雜志,2016 (5):19-21.

Research Progress of Long Noncoding RNAs in Craniomaxillofacial Development and Deformities

MENG Xiaohui, SONG Tao．Plastic Surgery Hospital,
Chinese Academy of Medical Sciences,Beijing 100144,China.Corresponding author: Song Tao(E-mail:songtao2059@163.com).

Long non-coding RNA;Craniomaxillofacial development;Craniomaxillofacial deformity

R682.1+1

B

1673－0364（2017）03－0172－03

2017年3月22日；

2017年5月16日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.03.015

100144北京市中國醫(yī)學科學院整形外科醫(yī)院。

宋濤（E-mail：songtao2059@163.com）。

【Summary】Congenital craniomaxillofacial deformities are common human growth and development defects.A long noncoding RNA(lncRNA)is an RNA longer than 200 nucleotides that are not predicted to be translated to a functional protein product.Recently,an increasing number of studies have shown that lncRNA have a critical role in processes of craniomaxillofacial development.In this paper,the research progress of long non-coding RNAs in craniomaxillofacial development and deformities was reviewed.