長(zhǎng)鏈非編碼RNA的異常表達(dá)在腫瘤中的作用

楊培培 宇 龍 孔 旭 楊文奇

人類基因組測(cè)序分析顯示，不到2%的基因轉(zhuǎn)錄并編碼蛋白質(zhì)，而另外超過(guò)98%基因轉(zhuǎn)錄為非編碼RNA(non-codingRNAs，ncRNAs)。長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-codingRNA，LncRNA)是一類核苷酸長(zhǎng)度>200 nt的ncRNAs的總稱，僅有有限的或無(wú)蛋白質(zhì)編碼能力，主要以RNA的形式參與表觀遺傳修飾、轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后修飾等多種層面的基因表達(dá)調(diào)控。LncRNA在基因沉默、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄抑制、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、染色質(zhì)修飾等多方面發(fā)揮廣泛的調(diào)節(jié)作用[1-3]。目前已有許多研究[4-7]指出,腫瘤組織中的LncRNA與腫瘤發(fā)生、發(fā)展關(guān)系密切，涉及到轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、表觀遺傳控制等各級(jí)層面。本文結(jié)合近年來(lái)LncRNA在腫瘤細(xì)胞中的異常表達(dá)情況及其與蛋白質(zhì)、其他種類的RNA或DNA的相互作用機(jī)制，對(duì)其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中扮演的角色做一綜述。

1 LncRNA在腫瘤細(xì)胞中與蛋白質(zhì)的相互作用

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括各種不同的基因突變、表觀遺傳修飾的改變、癌基因激活、抑癌基因失活、環(huán)境致癌因素等。以往對(duì)腫瘤的研究往往把焦點(diǎn)放在編碼蛋白的功能基因上，但近些年一些研究[8-9]揭示了ncRNA盡管不編碼蛋白質(zhì)，但卻是細(xì)胞新陳代謝和生理活動(dòng)中的重要活性物質(zhì)，尤其是LncRNA與蛋白質(zhì)的相互作用在腫瘤發(fā)生機(jī)制中有重要的作用。根據(jù)LncRNA在與腫瘤蛋白相互作用中扮演的不同角色，可將其歸納為4種作用機(jī)制：信號(hào)分子、引導(dǎo)蛋白靶向、誘餌蛋白和蛋白支架。

1.1 LncRNA的信號(hào)分子作用

信號(hào)LncRNA的表達(dá)參與特定的信號(hào)通路，無(wú)論通過(guò)直接作用或是間接作用，其表達(dá)意味著一些活化的信號(hào)通路。在急性T淋巴細(xì)胞性白血病中，LncRNA LUNAR1作為NOTCH信號(hào)通路的下游效應(yīng)分子可增強(qiáng)胰島素樣生長(zhǎng)因1受體的(insulin-like growth factor 1 receptor，IGF1R) mRNA 表達(dá)，并對(duì)維持胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)的信號(hào)有重要作用[10]，對(duì)急性T淋巴細(xì)胞白血病的腫瘤細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用。而在另一項(xiàng)研究[11]中發(fā)現(xiàn)P53調(diào)節(jié)的LncRNA lincRNA-P21可作為信號(hào)分子與hnRNP-k合作激活P21基因的表達(dá)，進(jìn)一步影響腫瘤抑制基因P53的信號(hào)路徑，強(qiáng)化G1/S檢查點(diǎn)作用。LncRNA的這種信號(hào)分子作用可在特定組織和時(shí)間通過(guò)與其他活性物質(zhì)的協(xié)調(diào)作用調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化。

1.2 LncRNA引導(dǎo)蛋白靶向定位于特定NDA序列

LncRNA可與特定蛋白質(zhì)結(jié)合并指導(dǎo)所形成的復(fù)合物定位于DNA的特定位點(diǎn)，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。Gupta等[12]發(fā)現(xiàn)在乳腺癌中異常高表達(dá)的LncRNA HOTAIR通過(guò)招募多梳蛋白抑制性復(fù)合體2(polycomb repressive complex2，PRC2),在全基因組范圍內(nèi)引導(dǎo)PRC2與特定基因位點(diǎn)結(jié)合，引起組蛋白H3 27位賴氨酸的三甲基化，進(jìn)一步引起轉(zhuǎn)移抑制基因的表觀沉默，其結(jié)果與患者的不良預(yù)后及腫瘤轉(zhuǎn)移有關(guān)，并且可作為腫瘤轉(zhuǎn)移和預(yù)后的預(yù)測(cè)因子。另一些研究[13-16]同樣也顯示了異常表達(dá)的LncRNA 可通過(guò)引導(dǎo)蛋白靶向?qū)е赂渭?xì)胞癌、結(jié)直腸癌、胰腺癌的腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移及不良預(yù)后。LncRNA也可激活抑癌基因表達(dá)，LncRNA TARID可與適配蛋白GADD45A結(jié)合定位于基因的特定位點(diǎn)，招募DNA脫甲基酶，介導(dǎo)抑癌基因TCF21啟動(dòng)子的去甲基化作用，促進(jìn)其表達(dá)[17]。在前列腺癌中，LncRNA PCGEM1通過(guò)招募PYGO2蛋白并定位于雄激素基因的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)域，影響雄激素誘導(dǎo)的基因表達(dá)[18]。這種LncRNA通過(guò)類似接頭分子的作用引導(dǎo)特定蛋白質(zhì)定位于基因組的相關(guān)區(qū)域，調(diào)節(jié)基因表達(dá)或引起表觀遺傳改變，在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中起到重要作用。

1.3 LncRNA與特定蛋白質(zhì)結(jié)合發(fā)揮誘餌作用

LncRNA通過(guò)與蛋白質(zhì)結(jié)合而抑制它們的生物學(xué)活性，發(fā)揮分子誘餌作用，負(fù)性調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的表達(dá)。LncRNA GAS5可與糖皮質(zhì)激素受體結(jié)合并抑制其所誘導(dǎo)的基因表達(dá)[19]。人乳腺癌組織中高表達(dá)的LncRNA PANDA可與轉(zhuǎn)錄因子NF-YA結(jié)合，抑制促凋亡基因表達(dá)，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[20]，LncRNA TERRA可通過(guò)其重復(fù)序列與端粒酶相互作用而降低酶活性[21]，而端粒酶活性的異常在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中有重要作用。上述研究發(fā)現(xiàn)作為分子誘餌的LncRNA可與激素、轉(zhuǎn)錄因子、酶等蛋白質(zhì)作用并抑制其功能表達(dá)，在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。隨著一些探討LncRNA與蛋白相互作用的新研究體系的建立，如紫外交聯(lián)免疫沉淀技術(shù)(UV cross-linking and immunoprecipitation,CLIP)、RNA原位成像技術(shù)(RNA fluorescence in situ hybridization,RNA-FISH)及CLIP聯(lián)合高通量測(cè)序技術(shù)(CLIP-seq)使得原本難以觀測(cè)的高精度LncRNA-蛋白質(zhì)相互作用成為可能。這些技術(shù)體系的建立，為研究LncRNA在基因組范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)作用提供了強(qiáng)有力的工具，也為人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)LncRNA的作用提供了高效的途徑。

1.4 LncRNA的蛋白支架作用

某些LncRNA本身可作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組分之一，并與其他組分如蛋白質(zhì)、RNA等形成復(fù)合物，共同發(fā)揮生物學(xué)功能。

LncRNAMALAT1，也稱為NEAT2，最初在非小細(xì)胞肺癌中發(fā)現(xiàn)并被作為一種預(yù)后因子，后來(lái)發(fā)現(xiàn)其在多腫瘤中均有異常表達(dá)，如乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌等，而且其高表達(dá)與腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和不良預(yù)后相關(guān)。MALAT1主要定位在細(xì)胞核的核斑中 ，和某些蛋白質(zhì)共同參與核斑的構(gòu)成及穩(wěn)定，并參與mRNA的可變剪接，但這種可變剪接在腫瘤發(fā)生中的作用仍不清楚。有研究[22]報(bào)告MALAT1的異常表達(dá)在腫瘤細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移、浸潤(rùn)中扮演關(guān)鍵角色。另有研究[23]指出，MALAT1與致瘤性轉(zhuǎn)錄因子B-MYB的表達(dá)有關(guān)，并通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子和mRNA的前體加工過(guò)程促進(jìn)細(xì)胞增殖。Tano等[24]研究發(fā)現(xiàn)MALAT1通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)促進(jìn)肺癌細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)。類似于MALAT1，LncRNA NEAT1特異性地參與胞核內(nèi)旁斑的構(gòu)成，并在旁斑的形成及功能維持方面起關(guān)鍵作用。Choudhry等[25]研究發(fā)現(xiàn)在乳腺癌和一些實(shí)體瘤中，缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)可誘導(dǎo)NEAT1的表達(dá)，并促使旁斑形成，而旁斑可進(jìn)一步發(fā)揮抑制轉(zhuǎn)錄激活蛋白的功能并且具有RNA A-to-I(adenosine to inosine)編輯模式的作用，并且缺氧誘導(dǎo)NEAT1可加快腫瘤細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞凋亡，其在乳腺癌中的高表達(dá)和不良預(yù)后相關(guān)。

總結(jié)以上LncRNA與蛋白質(zhì)的相互作用可知，LncRNA并非是一種轉(zhuǎn)錄噪音，其可與包括酶、轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)分子、結(jié)構(gòu)蛋白等在內(nèi)的蛋白質(zhì)相互作用，在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)，使得基因表達(dá)調(diào)控更加立體和復(fù)雜，也為人類在另一個(gè)層面上認(rèn)識(shí)腫瘤基因的異常表達(dá)和尋找有效的藥物靶點(diǎn)提供了新線索。

2 LncRNA與miRNA的相互作用

Tay等[26]認(rèn)為只要LncRNA含有miRNA應(yīng)答元件均可以與miRNA相互作用，在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中形成內(nèi)源競(jìng)爭(zhēng)性RNA或miRNA海綿，這些RNA之間的通訊及相互調(diào)節(jié)構(gòu)成了一個(gè)RNA交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為我們認(rèn)識(shí)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及腫瘤發(fā)生、發(fā)展提供新的途徑。

有研究[27]報(bào)告LncRNA CCAT1在膽囊癌中異常高表達(dá)，并且與腫瘤的TNM分期相關(guān)，進(jìn)一步研究提示CCAT1通過(guò)海綿作用抑制miRNA-218-5p表達(dá)，而后者則通過(guò)沉默促癌基因Bmi1抑制腫瘤細(xì)胞浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移及增殖，即CCAT1可通過(guò)負(fù)性調(diào)控miRNA-218-5p而促進(jìn)Bmi1的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤發(fā)生、發(fā)展。Wang等[28]研究發(fā)現(xiàn)LncRNA HULC在肝細(xì)胞肝癌中異常高表達(dá)，并含有miRNA-372結(jié)合位點(diǎn)，通過(guò)海綿樣作用負(fù)性調(diào)節(jié)miRNA-372的表達(dá)和功能，且構(gòu)成了一個(gè)自身調(diào)節(jié)環(huán)路：由HULC引起的miRNA-372表達(dá)抑制可減少后者對(duì)靶基因PRKACB的翻譯抑制作用，而PRKACB的蛋白產(chǎn)物作為絲/蘇氨酸蛋白激酶家族成員可磷酸化cAMP 效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，并增強(qiáng)CREB依賴的HULC的表達(dá)。相反的，LncRNA PTCSC3被發(fā)現(xiàn)在甲狀腺癌中普遍低表達(dá)。Fan等[29]研究發(fā)現(xiàn)在不同的甲狀腺癌細(xì)胞中,轉(zhuǎn)染PTCSC3除了有抑制腫瘤生長(zhǎng)、細(xì)胞周期抑制和增加細(xì)胞凋亡以外，也可明顯降低致瘤性miR-574-5P的表達(dá)水平。除了與miRNA相互作用外，LncRNA還可與mRNA相互作用調(diào)節(jié)基因表達(dá)。類固醇受體調(diào)節(jié)的LncRNA PCA3在超過(guò)95%的前列腺癌中高表達(dá)，其可與腫瘤抑制基因轉(zhuǎn)錄本mRNA PRUNE2前體結(jié)合形成雙鏈RNA復(fù)合體，并招募RNA編輯酶，引起A-to-I編輯，抑制PRUNE2的功能[30]。

LncRNA與miRNA的相互作用形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在基因表達(dá)調(diào)控中具有重要意義，目前對(duì)它們的研究仍處于初級(jí)階段，進(jìn)一步深入探索它們的異常調(diào)節(jié)在腫瘤發(fā)生、進(jìn)展中扮演的角色,將有助于在整體上重新認(rèn)知腫瘤并為尋找有效的藥物作用靶點(diǎn)提供新的思路。

3 LncRNA通過(guò)干擾特定DNA轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的形成抑制基因表達(dá)

一些ncRNA轉(zhuǎn)錄活動(dòng)本身可以影響鄰近DNA的轉(zhuǎn)錄活性[31]。某些LncRNA在轉(zhuǎn)錄時(shí)可影響下游蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄因子與相應(yīng)位點(diǎn)的結(jié)合，阻礙其形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體，進(jìn)而抑制其轉(zhuǎn)錄。Martens等[32]在研究釀酒酵母SER3基因表達(dá)調(diào)控時(shí)發(fā)現(xiàn)一種高表達(dá)的ncRNA(SRG1) ,其轉(zhuǎn)錄本穿過(guò)SER3基因的啟動(dòng)子區(qū)域，干擾轉(zhuǎn)錄因子與SER3啟動(dòng)子的結(jié)合，進(jìn)而抑制其表達(dá)。Martianov等[33]研究發(fā)現(xiàn)一種起源于二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)啟動(dòng)子位點(diǎn)上游的LncRNA可抑制下游蛋白編碼基因的表達(dá)，這種LncRNA既可在原位，也可在遠(yuǎn)距離上與DNA中DHFR啟動(dòng)子形成RNA-NDA復(fù)合體抑制基因表達(dá)，也可直接與轉(zhuǎn)錄因子IIB結(jié)合，影響轉(zhuǎn)錄復(fù)合體在DHFR啟動(dòng)子上形成，從而抑制基因表達(dá)。DHFR參與某些信號(hào)通路，與腫瘤形成及耐藥關(guān)系密切，這些現(xiàn)象可被稱為轉(zhuǎn)錄干擾。除了這種直接干擾DNA轉(zhuǎn)錄的方式外，LncRNA還可以引起組蛋白修飾及染色質(zhì)重塑，抑制基因表達(dá)[34]。目前大多數(shù)相關(guān)研究仍然聚焦在LncRNA與蛋白質(zhì)及其他RNA的相互作用機(jī)制上，有關(guān)LncRNA和DNA的之間的直接作用關(guān)系在腫瘤中的研究較少，但有理由相信作為遺傳信息載體的DNA和RNA在遺傳信息表達(dá)紊亂的腫瘤中存在密切關(guān)系。

4 展望

隨著生命科學(xué)進(jìn)入后基因組時(shí)代以及分子生物學(xué)、生物信息學(xué)、基因芯片技術(shù)、深度測(cè)序技術(shù)等的發(fā)展，產(chǎn)生了海量的關(guān)于基因及基因表達(dá)調(diào)控的數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的整理、分析，使我們逐漸認(rèn)識(shí)到不僅DNA、mRNA、蛋白質(zhì)在腫瘤中出現(xiàn)異常，曾經(jīng)被認(rèn)為無(wú)意義的LncRNA也已被證明在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、浸潤(rùn)中扮演關(guān)鍵角色，并促使人們能在更為完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)識(shí)腫瘤。因此，對(duì)LncRNA的深入研究不僅可幫助理解腫瘤的發(fā)生，還可以在診斷、治療策略及預(yù)后分析中提供線索和思路。當(dāng)然，現(xiàn)在的研究還面臨很多困難和挑戰(zhàn)，其一，大量的LncRNA和它們的異常表達(dá)在不同的惡性腫瘤中被發(fā)現(xiàn)，所以鑒定其中最重要的具有腫瘤特異性的LncRNA至關(guān)重要。其二，絕大多數(shù)LncRNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)和功能仍然未知，這使得基于LncRNA的診療策略變得無(wú)的放矢。另外，和編碼蛋白的mRNA不同，LncRNA在不同種系間保守性很差，所以體外關(guān)于LncRNA的結(jié)構(gòu)和功能的研究并不能直接用于人體，這仍需要進(jìn)行更為詳細(xì)深入的臨床及基礎(chǔ)研究，目前CRISPR/Cas9技術(shù)在基因敲除、敲入及點(diǎn)突變等方面的進(jìn)步可幫助我們了解LncRNA的生物學(xué)功能。

總之，深入探索LncRNA在腫瘤發(fā)生、診療中的潛能，有助于更加完整地認(rèn)識(shí)LncRNA的特征和功能，并為我們提供更為詳盡的關(guān)于腫瘤發(fā)生與基因表達(dá)及調(diào)節(jié)異常的關(guān)系。