LncRNA在結(jié)直腸癌中的調(diào)控機(jī)制

吳紫微，謝圣高

0 引言

結(jié)直腸癌（colorectal cancer,CRC）是消化道常見的惡性腫瘤。美國癌癥協(xié)會(huì)（American Cancer Society,ACS）預(yù)計(jì)，2020年美國將出現(xiàn)147 950例新的結(jié)直腸癌病例，死于結(jié)直腸癌的人數(shù)將達(dá)到53 200人[1]，這使得結(jié)直腸癌成為美國除皮膚癌外第三大癌癥相關(guān)死亡原因。構(gòu)成人類基因組的30億個(gè)堿基對(duì)中，98%的RNA是非編碼RNA（non-coding RNA,ncRNA）。ncRNA是位于細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)部分大于200 nt的RNA轉(zhuǎn)錄本，包括microRNA、LncRNA、piwi-interaction RNA和transfer RNA（tRNA），均無編碼蛋白質(zhì)的能力。ncRNA參與結(jié)直腸癌的多種調(diào)控機(jī)制，其中LncRNA近年來被研究的較多。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，LncRNA在肝癌[2]等多種癌癥中高表達(dá)，并參與腫瘤的發(fā)生、增殖、遷移等生物學(xué)過程。本文將對(duì)LncRNA在結(jié)直腸癌中相關(guān)的調(diào)控機(jī)制，包括LncRNA參與的表觀遺傳修飾、LncRNA-miRNAmRNA、LncRNA-mRNA、LncRNA-蛋白相互作用以及作為偽基因的作用進(jìn)行綜述。

1 LncRNA概述

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNAs,LncRNA）是指長度超過200個(gè)核苷酸，但沒有蛋白編碼潛能，且在人類基因組中缺乏完整的功能開放閱讀框（functional open reading frame,ORF）的非編碼RNA的總稱[3]。LncRNA位于細(xì)胞核、染色質(zhì)或細(xì)胞質(zhì)部分，位于不同部位的LncRNA作用機(jī)制也不同。細(xì)胞核LncRNA參與表觀遺傳、遠(yuǎn)端基因座的反轉(zhuǎn)錄調(diào)控或鄰近基因座的順轉(zhuǎn)錄調(diào)控。細(xì)胞質(zhì)LncRNA調(diào)控mRNA的翻譯、穩(wěn)定和降解過程，可作為競(jìng)爭性的內(nèi)源性RNA，靶向調(diào)控miRNA和蛋白因子，抑制其活性，促進(jìn)mRNA的翻譯。此外，LncRNA還可以與RNA、DNA分子和蛋白復(fù)合物相互作用，發(fā)揮其功能，調(diào)節(jié)各種生理和病理過程。

2 LncRNA在結(jié)直腸癌中的調(diào)控機(jī)制

2.1 結(jié)直腸癌中LncRNA參與的表觀遺傳及其機(jī)制

LncRNA在基因的表觀遺傳修飾中起著重要的作用。首先，LncRNA與多種染色質(zhì)修飾酶相互作用、誘導(dǎo)染色質(zhì)修飾和DNA甲基化，從而助力于目標(biāo)基因的表觀遺傳沉默或激活。結(jié)直腸癌的主要表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體修飾[4]。

X-失活中心（X-inactivation center,Xic）是目前LncRNA研究表觀遺傳轉(zhuǎn)錄調(diào)控的典型模型，如哺乳動(dòng)物中的X-失活特異性轉(zhuǎn)錄本（X-inactivespecific transcript,Xist）[5]。LncRNA Xist直接與多梳抑制復(fù)合物2（polycomb repressive complex 2,PRC2）結(jié)合，后者是負(fù)責(zé)組蛋白H3在第27位點(diǎn)的三甲基化的表觀遺傳復(fù)合體（H3K27me3），并以PRC2為靶點(diǎn)攻擊失活的X染色體，使整個(gè)染色體沉默。與LncRNA Xist一樣，長鏈非編碼RNA同源基因轉(zhuǎn)錄反義RNA（long non-coding RNA homeobox protein transcript antisense RNA,LncRNA HOTAIR）也可以與PRC2結(jié)合，與染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合物相互作用，誘導(dǎo)特異性基因組位點(diǎn)異染色質(zhì)形成，導(dǎo)致靶基因表達(dá)降低[6]。這些LncRNA通過與組蛋白修飾或染色質(zhì)重構(gòu)蛋白復(fù)合物結(jié)合來實(shí)現(xiàn)其抑制功能。

長鏈非編碼RNA H19（LncRNA H19）不直接與PRC2蛋白結(jié)合，它是一種印跡的、母系表達(dá)的LncRNA，經(jīng)過剪接、聚腺苷酸化后，輸出到細(xì)胞質(zhì)中，積累到非常高的水平[7]。此外，原癌基因轉(zhuǎn)錄因子c-Myc直接激活CRC中的LncRNA H19，說明LncRNA H19直接參與了c-Myc下游基因表達(dá)的激活。然而，研究也表明LncRNA H19在體內(nèi)是一種腫瘤抑制因子，當(dāng)LncRNA H19基因被敲除后，腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移的能力增強(qiáng)[8]。因此，LncRNA H19基因的異常表達(dá)與結(jié)直腸癌的發(fā)生有關(guān)，它通過多種機(jī)制發(fā)揮癌基因和抑癌基因的雙重功能。

母系表達(dá)基因3（maternally expressed gene 3,MEG3）是一種長鏈非編碼RNA，它協(xié)調(diào)一系列不同的細(xì)胞過程，這些過程需要基因的表觀遺傳調(diào)控以及與關(guān)鍵長鏈信號(hào)蛋白的相互作用，并充當(dāng)競(jìng)爭性內(nèi)源性（ce）RNA[9-10]。在結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)LncRNA MEG3的啟動(dòng)子異常高甲基化，LncRNA MEG3表達(dá)量降低，從而導(dǎo)致癌細(xì)胞和血管的增殖，加速腫瘤的轉(zhuǎn)移和惡化[11]。

染色體不穩(wěn)定性（chromosomal instability,CIN）是另一種表觀遺傳修飾模式，可能是長鏈非編碼RNA結(jié)腸癌相關(guān)轉(zhuǎn)錄物2（long non-coding RNA colon cancer associated transcript 2,LncRNA CCAT2 ）促進(jìn)CRC生長和轉(zhuǎn)移的潛在機(jī)制。LncRNA CCAT2在微衛(wèi)星穩(wěn)定的結(jié)直腸癌（microsatellite stable colorectal cancer,MSS CRCs）中高度過表達(dá)，促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移[12]。研究表明，LncRNA CCAT2具有支持CIN的能力，表現(xiàn)為大量或全部染色體的丟失或獲得，最終導(dǎo)致非整倍體，是MSS CRCs的一個(gè)特征，這可能是通過LncRNA CCAT2對(duì)下游介質(zhì)（如MYC和（或）其他WNT靶基因）的影響而發(fā)生的[13]。LncRNA可能是表觀遺傳機(jī)制的調(diào)節(jié)因子，同時(shí)也積極參與基因調(diào)控。

2.2 LncRNA-miRNA-mRNA軸調(diào)控CRC細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)移與耐藥

LncRNA可以作為miRNA的海綿發(fā)揮拮抗作用，導(dǎo)致其內(nèi)源性靶點(diǎn)的過表達(dá)，從而增加轉(zhuǎn)錄后調(diào)控水平，即競(jìng)爭性內(nèi)源RNA（competitive endogenous RNA,ceRNA）機(jī)制。

最近的證據(jù)表明，一些結(jié)直腸癌相關(guān)的LncRNA也可能通過與miRNA結(jié)合來調(diào)控基因表達(dá)，從而阻止特定的miRNA與其靶mRNA結(jié)合。cRNA模型更廣泛地表明，LncRNA以及其他蛋白編碼mRNA可能發(fā)揮分子海綿的作用，與miRNA結(jié)合，從而間接控制基因表達(dá)[14]。

2.2.1 LncRNA-miRNA-mRNA軸導(dǎo)致CRC細(xì)胞增殖 LncRNA-miRNA-mRNA軸影響結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖的過程中，LncRNA通過與共享的microRNA結(jié)合位點(diǎn)（microRNA response elements,MREs）結(jié)合或抑制miRNA成熟過程從而下調(diào)miRNA表達(dá)，導(dǎo)致下游靶基因過度表達(dá)，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖[15]。

長鏈非編碼RNA結(jié)直腸腫瘤差異表達(dá)（long non-coding RNA colorectal neoplasia differentially expressed,LncRNA CRNDE）是一種癌基因，與miR-181a-5p結(jié)合，抑制miR-181a-5p表達(dá)，導(dǎo)致miR-181a-5p靶基因β-catenin的轉(zhuǎn)錄因子4（transcription factor 4,TCF4）表達(dá)升高，這一復(fù)雜過程可能通過抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖和耐藥[16]。長鏈非編碼RNA尿路上皮癌相關(guān)蛋白1（long non-coding RNA urothelial carcinoma associated 1,LncRNA UCA1）也通過類似上調(diào)cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白1（CAMP responsive element binding protein 1,CREB1）表達(dá)抑制miR-204-5p表達(dá)，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖和5-氟尿嘧啶耐藥[17]。LncRNA CCAT2作為負(fù)調(diào)控因子抑制miRNA-145的生物學(xué)功能，影響結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖和分化。此外，長鏈非編碼RNA HIF1A反義RNA 2（hypoxia-inducible factor-1 antisense RNA 2,LncRNA HIF1A-AS2）[18]、長鏈非編碼RNA漿細(xì)胞瘤變異體易位1（plasmacytoma variant translocation 1,LncRNA PVT1）[19]、ZNFX1反義RNA 1 （zinc finger NFX1-type containing 1 antisense RNA1,ZFAS1）[20]等LncRNA可能通過上調(diào)mRNA水平調(diào)控靶miRNA的表達(dá)，影響結(jié)直腸癌細(xì)胞的侵襲和遷移。LncRNA也可以直接與靶mRNA結(jié)合，參與結(jié)直腸癌的增殖和進(jìn)展。

2.2.2 LncRNA-miRNA-mRNA軸導(dǎo)致CRC細(xì)胞侵襲轉(zhuǎn)移 在癌癥中，上皮細(xì)胞向間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition,EMT），是以E-cadherin的丟失為標(biāo)志，使原發(fā)腫瘤的上皮細(xì)胞失去細(xì)胞極性，打破細(xì)胞黏附約束，使癌細(xì)胞獲得遷移和侵襲性，向侵襲性惡性腫瘤過渡。EMT作為一種病理機(jī)制，一直被認(rèn)為是結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移的主要原因，通過不同的機(jī)制在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控[21]，可引起CRC從原發(fā)腫瘤向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，尤其是向肝臟和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。大量研究表明，LncRNA、miRNA和mRNA之間的相互作用可能在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控EMT的形成。MiR-489是結(jié)直腸癌中的一種抗轉(zhuǎn)移因子，受長鏈非編碼RNA心肌肥厚相關(guān)因子（cardiac hypertrophyrelated factor,LncRNA CHRF）負(fù)調(diào)控，促進(jìn)轉(zhuǎn)移和EMT過程[22]。另一項(xiàng)研究報(bào)道[23]，LncRNA UICLM可通過結(jié)合mir-215上調(diào)鋅指E盒結(jié)合同源框2（zinc finger E-box binding homeobox 2,ZEB2）蛋白，促進(jìn)細(xì)胞增殖和入侵以及結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移。LncRNA、miRNA與mRNA的相互作用是非特異性的，LncRNA可同時(shí)調(diào)控多個(gè)miRNA的表達(dá)，或者一個(gè)miRNA可能被多個(gè)LncRNA調(diào)控，這增加了LncRNA-miRNA-mRNA軸的復(fù)雜性。如LncRNA H19作為miRNA海綿，負(fù)調(diào)控miR-138[18]、miR-200a[24]等多種miRNA表達(dá)。所有這些都增強(qiáng)了下游mRNA的表達(dá)，從而影響結(jié)直腸癌的EMT過程。

2.2.3 LncRNA-miRNA-mRNA軸導(dǎo)致結(jié)直腸癌耐藥 放化療和靶向治療是治療結(jié)直腸癌的主要措施，在很大程度上延長了結(jié)直腸癌的無病生存期。然而，隨著對(duì)多種治療方法產(chǎn)生耐受，結(jié)直腸癌的治療面臨著巨大的挑戰(zhàn)。大量研究報(bào)道了非編碼RNA的異常表達(dá)以及LncRNA和miRNA相互作用，通過結(jié)直腸癌中不同的機(jī)制導(dǎo)致化療耐藥。此外，由非編碼RNA和mRNA相互作用組成的ceRNA網(wǎng)絡(luò)也在CRC的放化療耐藥中發(fā)揮著重要作用。過表達(dá)的LncRNA UCA1競(jìng)爭性地與miR-204-5p結(jié)合，抑制miR-204-5p表達(dá)，導(dǎo)致下游基因CREB1上調(diào)，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖和5-氟尿嘧啶耐藥[17]。LncRNA MEG3也競(jìng)爭性地與miR-141結(jié)合，導(dǎo)致程序性細(xì)胞死亡蛋白4（programmed cell death protein,PDCD4）過表達(dá)，誘導(dǎo)奧沙利鉑耐藥。LncRNA、miRNA和mRNA之間的復(fù)雜反饋回路可能為結(jié)直腸癌治療提供一個(gè)新的視角。

2.3 LncRNA-蛋白質(zhì)軸參與結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展

LncRNA可以通過與含有核轉(zhuǎn)錄因子的特定蛋白結(jié)合，參與細(xì)胞的部分活動(dòng)。通過LncRNA-蛋白相互作用，LncRNA可作為結(jié)構(gòu)組分，調(diào)節(jié)蛋白活性或改變蛋白定位。Guttman等通過RNA免疫沉淀（RNA immunoprecipitation,RIP）法分析28種染色質(zhì)復(fù)合物，研究了226種LncRNA，發(fā)現(xiàn)有12種染色質(zhì)復(fù)合物可以與所研究的LncRNA結(jié)合，且至少30%的LncRNA可以與一個(gè)復(fù)合物結(jié)合，然而LncRNA與多個(gè)復(fù)合物結(jié)合是一種廣泛存在的現(xiàn)象[25]。在結(jié)直腸癌中，也有許多LncRNA直接與靶蛋白結(jié)合或間接調(diào)控靶基因的表達(dá)。以Lnc CCAT2為例，Ling等通過RIP分析，通過下調(diào)與轉(zhuǎn)錄因子7類似物2（transcription factor 7-like 2,TCF7L2）蛋白共域的RNA，檢測(cè)Lnc CCAT2與TCF7L2之間的物理相互作用，發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性Lnc CCAT2可與TCF7L2蛋白結(jié)合，進(jìn)而上調(diào)MYC在結(jié)腸癌細(xì)胞中的表達(dá)[26]。因此，一個(gè)LncRNA可能與不同的蛋白結(jié)合，但其功能可能取決于其靶蛋白。

2.4 LncRNA作為偽基因參與結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展

偽基因一直被認(rèn)為是功能基因的“棄兒”。近年來，它們?cè)絹碓绞艿饺藗兊年P(guān)注。它來源的LncRNA是癌癥發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)控因子。如偽基因通過產(chǎn)生一個(gè)縮短的非編碼片段，由同源基因轉(zhuǎn)錄，增加了mRNA的穩(wěn)定性。偽基因還可以通過轉(zhuǎn)錄反義序列影響同源基因的表達(dá)。在結(jié)直腸癌相關(guān)的LncRNA中，磷酸酶和張力蛋白同源物偽基因1（phosphatase and tensin homologue pseudogene1,PTENP1）是一個(gè)抑癌偽基因，它的3’UTR可以與miRNA的調(diào)控區(qū)域結(jié)合，也可以與抑癌基因磷酸酶和張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homologue protein,PTEN）結(jié)合[27]。因此，PTENP1的3’UTR導(dǎo)致PTEN的mRNA表達(dá)下降，也可以被翻譯成腫瘤抑制蛋白PTEN。這些結(jié)果表明，偽基因通過長鏈非編碼RNA參與同源基因的調(diào)控[28]。然而，潛在的機(jī)制仍然存在爭議，需要進(jìn)一步的研究。

3 總結(jié)與展望

LncRNA與小RNA和蛋白質(zhì)一樣，在調(diào)控結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展、診斷和治療中有著廣泛的應(yīng)用。LncRNA在結(jié)直腸癌中的獨(dú)特表達(dá)或過表達(dá)可用于開發(fā)新的腫瘤標(biāo)志物。然而，由于LncRNA的研究仍處于起步階段，對(duì)LncRNA在結(jié)直腸癌中的調(diào)控機(jī)制研究不夠全面以及LncRNA作為結(jié)直腸癌診斷和治療的臨床生物標(biāo)志物仍存在一些未解決的問題。因此，需要對(duì)LncRNA進(jìn)行系統(tǒng)的鑒定，更好地了解其作用機(jī)制。