lncRNA在食管鱗癌中的研究進展

常衛(wèi)東， 王 麗， 趙盼盼， 王俐峰， 王林嵩

(河南師范大學 生命科學學院， 新鄉(xiāng) 453007)

lncRNA在食管鱗癌中的研究進展

常衛(wèi)東， 王 麗， 趙盼盼， 王俐峰， 王林嵩

(河南師范大學 生命科學學院， 新鄉(xiāng) 453007)

食管鱗癌(Esophageal squamous cell carcinoma, ESCC)是消化系惡性腫瘤中最致命的類型之一。長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA,lncRNA)由于在多種水平參與基因表達調(diào)控，影響細胞增殖、分化、代謝和凋亡，其作用備受關注。首先簡要介紹lncRNA的結(jié)構(gòu)，并對近年來有關lncRNA在食管鱗癌中的研究進行綜述。lncRNA通過表觀遺傳修飾、剪接調(diào)控和共表達網(wǎng)絡等調(diào)控食管鱗癌相關基因表達，影響食管鱗癌發(fā)生發(fā)展，并有可能作為食管鱗癌的診斷和預后標志物以及治療靶點。而lncRNA的二級結(jié)構(gòu)預測有助于推進lncRNA的研究。

食管鱗癌; 長鏈非編碼RNA；作用機制；結(jié)構(gòu)預測

AbstractEsophageal squamous cell carcinoma(ESCC)is one of the most fatal malignant tumors in digestion system. Long non-coding RNA(LncRNA)has become a research hotspot since it is not only involved in gene expression and regulation in different levels, but also affects cell proliferation, differentiation, metabolism and apoptosis. In this review, we first briefly introduce the structure of lncRNA and then summarize the recent research progresses of lncRNAs in the field of ESCC. LncRNAs regulate gene expression of esophageal squamous carcinoma associated genes by epigenetic modification, alternative splicing and co-expression network，furthermore, affect the development and progression of esophageal squamous cell carcinomas. Therefore, LncRNAs may serve as markers for ESCC diagnosis and prognosis and even serve as therapeutic targets. Secondary structure prediction of lncRNA is helpful to promote the research of lncRNA.

Keywordsesophageal squamous cell carcinoma; long non-coding RNA; mechanism; structure prediction

食管鱗癌是消化道腫瘤中最常見的類型，占全球癌癥死亡率的第6位[1]。食管癌早期手術(shù)治療切除率可達100%，5年生存率可達90%以上。因此，近年來人們一直致力于尋找食管鱗癌的早期診斷標志物，如癌胚抗原、miRNA等。但人類基因中只有2%的基因序列編碼蛋白質(zhì)，其余的則被轉(zhuǎn)錄成非編碼RNA。而其中microRNA和lncRNA越來越受到人們的重視。本文就近幾年lncRNA在食管鱗癌中的研究進展做一綜述，希望能為今后食管鱗癌的診斷和治療等提供新的思路。

1 lncRNA的結(jié)構(gòu)

1990年Brannan等首次報道了lncRNA H19[2]，開啟了lncRNA的研究。長鏈非編碼RNA 是一種內(nèi)源性細胞RNA，長度>200個核苷酸[3]。在細胞質(zhì)和細胞核中均有l(wèi)ncRNA，但是大部分lncRNA位于細胞質(zhì)。lncRNA在不同物種之間保守性較低，只有約12%的lncRNA存在于人類之外的其他生物。隨著對lncRNA越來越多的研究，lncRNA的數(shù)量也從7000顯著增加到23 000[4]。結(jié)構(gòu)是功能的基礎，任何物質(zhì)的功能發(fā)揮都離不開其特有的分子結(jié)構(gòu)，研究一個物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是了解其功能及其作用機制的必要前提。因此，lncRNA分子的結(jié)構(gòu)解析對lncRNA的功能及作用機制研究同樣具有非常重要的作用。不同于mRNA,lncRNA的基因內(nèi)含子數(shù)量較少，有些缺乏內(nèi)含子，CG含量低，缺乏起始密碼子和開放閱讀框[5]。poly(A) lncRNA的內(nèi)含子和外顯子的結(jié)構(gòu)簡單，將近一半的lncRNA只有兩個外顯子。盡管lncRNA有精確的組織特異性，但是和編碼蛋白質(zhì)的基因相比，lncRNA的表達水平明顯偏低[4]。最近，基因組規(guī)模的方法被用于測量RNA的二級結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，許多l(xiāng)ncRNA都有一個重要的二級結(jié)構(gòu)，對于它們的特異性結(jié)合和功能有重要作用[5]。lncRNA的二級結(jié)構(gòu)包括雙莖環(huán)和3′末端的三葉草結(jié)構(gòu)等[6-7]，這些復雜的結(jié)構(gòu)使lncRNA具有調(diào)節(jié)能力。但是，迄今為止，還沒有確定lncRNA的三級結(jié)構(gòu)。

圖1 lncRNA Xist的雙莖環(huán)結(jié)構(gòu)[7]

lncRNA的研究方法主要是分為生物方法和計算方法兩種。生物方法主要包括微陣列(microarray)[8]、轉(zhuǎn)錄組測序(RNA-seq)[9]、熒光原位雜交 (fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)[8]以及CHART (capture hybridization analysis of RNA targets) 和 ChIRP (chromatin isolation by RNA purification)等技術(shù)，能夠用于發(fā)現(xiàn)、鑒定lncRNA。計算方法主要是通過分析lncRNA發(fā)揮作用的理論研究，結(jié)合lncRNA的序列信息，利用動態(tài)規(guī)劃算法、熱力學最小自由能法、堿基最大配對法、比較序列分析法、組合優(yōu)化法等[10]方法對lncRNA的二級結(jié)構(gòu)、作用位點、功能等進行預測。但是生物方法需要消耗大量人力、物力和財力；計算方法太過復雜，同時預測結(jié)果的準確性還有待提高，需要考慮加入更多的lncRNA信息，完善預測模型。隨著測序技術(shù)的飛速發(fā)展，lncRNA的數(shù)據(jù)量已經(jīng)出現(xiàn)倍數(shù)甚至是指數(shù)級的增長，單一地采用生物方法或者計算方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實的需求,計算方法和生物方法結(jié)合將是未來lncRNA預測的研究方向。

2 lncRNA在食管鱗癌中的作用機制

2.1 lncRNA參與染色質(zhì)甲基化

lncRNA HOTAIR作為第一個被發(fā)現(xiàn)具有反式轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用的lncRNA，在多種癌癥中發(fā)揮關鍵作用。HOTAIR[11-12]作為一個分子支架，5′端結(jié)合多梳抑制復合體2(Polycomb repressive complex 2，PRC2)，而其 3′端則能夠和賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶l(Lysine specific demethylasel, LSD1)結(jié)合。HOTAIR介導這2種復合體結(jié)合到位于染色體2 的PRC2的靶點HOXD處，使HOXD位點上一段40 kb的區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)錄沉默進而促進癌癥的轉(zhuǎn)移。

然而還有人提出了lncRNA HOTAIR在ESCC中作用的不同的機制。Ge等[13]和Li等[14]在對ESCC中HOTAIR進行分析之后發(fā)現(xiàn)了HOTAIR/WIF-1軸這種新的分子機制。由于WIF-1在Wnt /β-catenin 信號通路中的發(fā)揮重要作用，而HOTAIR可以直接減少WIF-1的表達，促進了組蛋白H3K27啟動子區(qū)域甲基化，激活Wnt/β-catenin信號通路。解釋了ESCC細胞轉(zhuǎn)移的分子機制。但是WIF-1是如何在Wnt /β-catenin 信號通路中發(fā)揮作用，Wnt/β-catenin信號通路如何具體作用于ESCC細胞轉(zhuǎn)移等方面還需要進一步的探索。

EZH2與lncRNA POU3F3也有類似的作用。首先，lncRNA POU3F3與EZH2(enhancer of zeste homolog 2)相互作用將DNA甲基轉(zhuǎn)移酶募集到POU3F3的啟動子區(qū)，對啟動子進行甲基化。使POU3F3的表達顯著降低，從而抑制其下游靶基因DLL1的轉(zhuǎn)錄。DLL1不僅能夠影響細胞的凋亡，還是NOTCH通路的重要一員。至此，lncRNA POU3F3的調(diào)控信號經(jīng)過復雜的過程最終通過DLL1傳遞到NOTCH通路，抑制NOTCH的表達。不僅能夠促進食管內(nèi)皮細胞向促血管生成因子遷移并增殖，之后內(nèi)皮萌發(fā)形成管腔，而且還能夠參與到ESCC的微血管和淋巴管的新生，促進ESCC的浸潤轉(zhuǎn)移。

除此之外，一些研究表明EZH2還可以和lncRNA HOTAIR結(jié)合，定位至HOXD位點，影響染色體組蛋白甲基化，重編程染色體狀態(tài)，從而使該位點發(fā)生表觀遺傳學沉默[15]。由此可見，lncRNA通過調(diào)節(jié)甲基化酶的活性，改變DNA和組蛋白的甲基化水平，從而在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)上調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，影響ESCC的發(fā)生發(fā)展。

2.2 lncRNA參與mRNA的選擇性剪接

lncRNA不但在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮作用, 而且是mRNA前體剪接的調(diào)控因子。lncRNA MALAT1在剪接調(diào)控方面的作用已經(jīng)在很多癌癥中有報道，它與絲氨酸/精氨酸(Serine/arginine, SR)剪接因子相互作用, 并調(diào)控剪接因子在剪接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。lncRNA MALAT1缺失引起SR剪接因子的一個重要部分脫磷酸化，使磷酸化和脫磷酸化的SR蛋白比例發(fā)生改變，進而通過兩條途徑影響剪接。一是影響 SR 剪接因子在核小點和轉(zhuǎn)錄部位間的分布，剪接因子在細胞的不同定位會使 mRNA 前體進行不同形式的剪接。二是SR蛋白的活性發(fā)生改變，連續(xù)的磷酸化和脫磷酸化可影響SR蛋白活性，進而決定mRNA前體是否進行剪接及進行何種剪接。在食管鱗癌中，lncRNA uc002yug.2[16]能夠通過招募剪接因子SR選擇性剪接調(diào)控CEBPα的表達。由于剪接因子SR含有RUNX1的結(jié)合位點，能夠促進RUNX1的pre-mRNA的選擇性剪接，從而產(chǎn)生更多的RUNX1a。相比于RUNX1的另兩個剪接體，RUNX1a與靶基因CEBPα的親和力更強。且RUNX1a能夠發(fā)揮促癌因子的作用，通過和CEBPα的啟動子和增強子序列的結(jié)合抑制CEBPα的表達，促進ESCC細胞的增殖和腫瘤的生長。

Wang等[17]發(fā)現(xiàn)lncRNA MALAT1通過與Ago2蛋白(Argonaute 2)結(jié)合，能夠抑制MALAT1的功能，并導致下游基因P21和P27的表達水平升高，而B-MYB的表達水平下降，造成ESCC腫瘤細胞停滯在 G2/M 期。另外，還有眾多研究表明lncRNA能夠參與到p53沉默，促進細胞完成G1/S期向G2期的轉(zhuǎn)化，并能夠特異性地影響B(tài)-MYB和CENPE的表達，調(diào)節(jié)有絲分裂，控制細胞周期。

2.3 lncRNA的共表達網(wǎng)絡

lncRNA作為近幾年在腫瘤中被廣泛研究的調(diào)控因子，除了在表觀遺傳和剪接調(diào)控等很多方面發(fā)揮作用外，Pan等[18]又在ESCC中發(fā)現(xiàn)了lncRNA FOXCUT和FOXC1之間的相互關系，預測了lncRNA-mRNA結(jié)合新的調(diào)控模式。由于FOXCUT位于FOXC1上游啟動子區(qū)，所以FOXCUT能夠競爭啟動子抑制RNA聚合酶П，進而抑制FOXC1的表達。另外，由于EMT能夠調(diào)節(jié)VEGF-A參與血管生成，并且FOXC1與EMT和VEGF-A之間的相互作用也已經(jīng)在其他腫瘤中被證實，所以FOXCUT/FOXC1基因在ESCC腫瘤的血管生成中發(fā)揮重要作用。

Cao等[19]也發(fā)現(xiàn)當lncRNA ESCCAL-356在ESCC中下調(diào)時，其鄰近共表達基因LPCAT1在ESCC中表達上調(diào)。LPCAT1能夠在多種腫瘤組織中表達升高，與腫瘤的增殖、擴散以及惡性程度等顯著相關。LPCAT1在乳腺癌中的作用機制可能與乳腺癌組織中脂質(zhì)表達譜有關[20]；在前列腺癌中可能與脂質(zhì)代謝相關[21]。LPCAT1大多通過脂質(zhì)的改變發(fā)揮作用，在ESCC中，LPCAT1催化溶血磷脂酰膽堿成磷脂酰膽堿來調(diào)節(jié)磷脂成分，促進癌細胞的增殖擴散。最近，Abdeizaher和Mostafa[22]還揭示了乳腺癌中l(wèi)ncRNA-mRNA的兩種不同的共表達模式，可能涉及乳腺癌腫瘤的發(fā)生。由此可見，共表達模式在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。

3 lncRNA在食管鱗癌中的潛在臨床應用

ESCC的5年生存率僅為15%～25%，為了提高其5年生存率，及早發(fā)現(xiàn)并治療才是有效的方法。傳統(tǒng)的癌癥生物標志物，比如糖抗原和癌胚抗原，缺乏敏感性和特異性，不適用于普通人群篩查。所以找到一種有效的生物標志物尤為必要。近年來，由于miRNAs在食管鱗癌中的穩(wěn)定性和可檢測性，已經(jīng)作為ESCC的診斷和預后的生物標志物被廣泛研究。然而，最近人們發(fā)現(xiàn)lncRNA在某些癌癥中可能和miRNAs發(fā)揮相似的生理功能，可以作為一種新的生物標志物。Fu等[23]利用微陣列探針分析了胰腺導管腺癌中l(wèi)ncRNA的表達譜信息，證明了多個lncRNA在胰腺導管腺癌中的潛在作用，有助于胰腺導管腺癌的精確診斷、預后以及治療評估等。

現(xiàn)有許多研究表明，與腫瘤發(fā)生發(fā)展有關的lncRNA也與腫瘤的預后有關。Deng等[24]綜述lncRNA中的HOTAIR、MALAT1、CCAT2等與乳腺癌、肺癌、結(jié)腸癌預后有關的lncRNA同樣也與ESCC的預后有關。這些lncRNA在腫瘤組織中較正常組織表達明顯增高，腫瘤分化程度較低，進展越迅速，其表達量越高(詳見文獻[24])。Zhao等[25]的實驗研究了lncRNA BC200在ESCC中的表達及其作用，BC200在ESCC組織中表達上調(diào)，并且lncRNA BC200表達水平較高的患者生存率更低。這些結(jié)果表明，lncRNA可能作為ESCC的診斷預后標志物和治療靶點。鑒于文獻報道的與ESCC預后有關的lncRNA同樣在其他腫瘤也存在。因此，新的與ESCC預后有關lncRNA的發(fā)現(xiàn)可以在新發(fā)現(xiàn)的其他腫瘤相關的lncRNA中尋找，同時尋找ESCC特異的lncRNA將是今后研究的一個熱點。

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The research development of lncRNA in esophageal squamous cell carcinoma

CHANG Wei-dong, WANG Li, ZHAO Pan-pan, WANG Li-feng, WANG Lin-song

(College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)

Q752;Q32;R735

A

2095-1736(2017)05-009-04

2016-08-29；

2016-09-13

河南省教育廳高校重點科研項目(編號:16A180028)

常衛(wèi)東，碩士研究生，研究方向為生物化學與分子生物學，E-mail：446709355@qq.com

王林嵩，博士，教授，研究方向為生物化學與分子生物學，E-mail: wls@htu.cn

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.05.089