長鏈非編碼RNA在眼部疾病的研究進(jìn)展

鄭久勝，姚靜虹，劉光明，李淑婷

0引言

近年來隨著基因組計(jì)劃的完成、分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及新的基因檢測技術(shù)日趨成熟和完善，新的研究發(fā)現(xiàn)，長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)廣泛參與生物體內(nèi)多種重要的生理及病理過程，而其異常表達(dá)與人類多種重大疾病的發(fā)生及進(jìn)展過程密切相關(guān)[1]，如惡性腫瘤、炎癥、免疫性疾病等。最近的研究顯示，lncRNA與眼科疾病也息息相關(guān)，本文旨在對近年來關(guān)于lncRNA的異常表達(dá)與眼部疾病的研究現(xiàn)狀做一綜述。

1 lncRNA概述

lncRNA是指長度大于200個(gè)核苷酸且不參與蛋白質(zhì)編碼過程的RNA，隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)其具有多種多樣的重要生物學(xué)功能。

1.1 lncRNA結(jié)構(gòu)及其特征根據(jù)GENECODE數(shù)據(jù)庫分析統(tǒng)計(jì)顯示，人類目前有13870個(gè)基因可以通過轉(zhuǎn)錄生成lncRNA，其lncRNA目前已知數(shù)量達(dá)到24000多條[2]，lncRNA可在任何基因組部位進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，類似于mRNA，具有5’帽子結(jié)構(gòu)和3’多聚腺苷尾結(jié)構(gòu)，但其開放閱讀框較短或者不存在，在生物細(xì)胞內(nèi)整體水平表達(dá)較低，約為mRNA的1/10，具有復(fù)雜的二級或三級結(jié)構(gòu)，無較高的序列保守性[3]。

lncRNA根據(jù)其生物學(xué)功能，主要分為兩大類：調(diào)控性非編碼RNA和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性非編碼RNA。lncRNA屬于調(diào)控性非編碼RNA中的一類。小非編碼RNA包括小干擾RNAs、微小RNAs(microRNAs)等，其中microRNAs是近年來研究較熱門，轉(zhuǎn)錄本長度約由19～24個(gè)核苷酸組成的內(nèi)源性單鏈小RNA[4]。與其相關(guān)的microRNAs相比較，lncRNA轉(zhuǎn)錄本序列更長、空間結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此其所包含的信息量也更加豐富。lncRNA依據(jù)其在基因組上的位置關(guān)系，可分為基因區(qū)間、雙向型、天然反義、天然順義及內(nèi)含子區(qū)等5種類型，具有重要的生物學(xué)功能，對其進(jìn)行深入研究將有助于我們更好地探索相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制，并為相關(guān)疾病的治療提供新的策略和思路。

1.2 lncRNA的生物學(xué)功能lncRNA的生物學(xué)功能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)通過招募染色質(zhì)重塑復(fù)合體到特定的基因組位點(diǎn)使其發(fā)生催化活性，從而介導(dǎo)表觀遺傳發(fā)生變化。如人體內(nèi)的二氫葉酸還原酶基因DHFR，其上游啟動子啟動lncRNA的轉(zhuǎn)錄并補(bǔ)充下游啟動子的堿基以形成復(fù)合物的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可以阻止啟動子與TFIIB結(jié)合，最終抑制下游基因轉(zhuǎn)錄[5]。也可以通過組蛋白修飾以遠(yuǎn)程調(diào)控的方式沉默基因的轉(zhuǎn)錄[6]。(2)通過影響增強(qiáng)子和啟動子的轉(zhuǎn)錄過程等作用機(jī)制在轉(zhuǎn)錄水平發(fā)揮重要的調(diào)控作用。其調(diào)控基因表達(dá)的方式非常多樣化，既可以通過參與組蛋白修飾、mRNA拼接的方式，又可以通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子來激活或抑制目的基因的表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞被破壞，應(yīng)激反應(yīng)通過啟動細(xì)胞周期蛋白D1基因的上游lncRNA轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物可與結(jié)合蛋白TLS結(jié)合，通過其結(jié)合后的變構(gòu)效應(yīng)來調(diào)控蛋白CBP/p300并抑制組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，進(jìn)而進(jìn)一步抑制細(xì)胞周期蛋白D1的轉(zhuǎn)錄[7]。(3)lncRNA參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控。作為直接的轉(zhuǎn)錄激活因子或轉(zhuǎn)錄抑制因子參與靶基因的調(diào)控。lncRNA Evf-2[8]與Dlx-2特異性協(xié)作以提高Dlx-5/6增強(qiáng)子的靶轉(zhuǎn)錄活性和同源異型結(jié)構(gòu)特異性方式。Evf-2和Dlx-2蛋白的穩(wěn)定復(fù)合物在體內(nèi)形成，表明Evf-2通過直接影響Dlx-2活性來激活轉(zhuǎn)錄活性。(4)lncRNA也可以通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，包括轉(zhuǎn)錄后的剪切、拼接、轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊、翻譯及降解等多個(gè)步驟，如mRNA-Zeb2，受lncRNA直接調(diào)控，其翻譯起始點(diǎn)位于非編碼區(qū)的內(nèi)含子中，lncRNA可與其互補(bǔ)而保護(hù)其不受剪切，以此調(diào)控Zeb2基因的表達(dá)[9]。

1.3 lncRNA與microRNAs的相互作用近年研究表明，lncRNA可以通過競爭內(nèi)源性RNA與microRNAs而相互干擾，影響mRNA與microRNAs的結(jié)合。如在肝纖維化[10]發(fā)展過程中l(wèi)ncRNA與microRNAs共同參與了肝纖維化中蛋白質(zhì)編碼基因表達(dá)的調(diào)節(jié)，研究肝纖維化中失調(diào)的lncRNA表達(dá)和lncRNAs-microRNAs相互作用機(jī)制，將有助于開發(fā)新的肝纖維化治療靶標(biāo)和生物標(biāo)記物。在膽囊癌[11]中l(wèi)ncRNA PVT1通過其對miR-143的競爭內(nèi)源性RNA活性正調(diào)控HK2的表達(dá)，即PVT1/miR-143/HK2軸通過調(diào)節(jié)膽囊癌細(xì)胞中的有氧葡萄糖代謝來促進(jìn)細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移，這可能為膽囊癌提供新的治療靶標(biāo)。

2 lncRNA與人類疾病

2010年，作為在乳腺癌中判斷預(yù)后及轉(zhuǎn)移的重要指標(biāo)—HOTAIR[12]的發(fā)現(xiàn)使人們將疾病發(fā)病機(jī)制的研究轉(zhuǎn)向lncRNA，隨后的研究發(fā)現(xiàn)，越來越多的疾病與lncRNA的差異表達(dá)密切相關(guān)。研究最多的是lncRNA與腫瘤發(fā)病之間的關(guān)系，涉及肺癌[13]、肝癌[14]、結(jié)直腸癌[15]、宮頸癌[16]、乳腺癌[17]、膀胱癌[18]、白血病[19]等多種惡性腫瘤疾病的發(fā)生。此外，研究表明，lncRNA與糖尿病及其并發(fā)癥(如糖尿病性腎病、糖尿病性視網(wǎng)膜病變)、自身免疫性疾病(如系統(tǒng)性紅斑狼瘡)、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如阿爾茨海默氏病)等多種疾病的發(fā)生發(fā)展也息息相關(guān)。

3 lncRNA與眼科相關(guān)疾病

目前，lncRNA與眼部疾病的相關(guān)研究表明，lncRNA參與視網(wǎng)膜發(fā)育，其異常表達(dá)可能與角膜新生血管的形成、翼狀胬肉、青光眼、白內(nèi)障、增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變(PVR)、糖尿病性視網(wǎng)膜病變、年齡相關(guān)性黃斑變性(ARMD)、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤、葡萄膜黑色素瘤(UM)等的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。

3.1 lncRNA與角膜新生血管正常角膜是透明無血管的，當(dāng)角膜遭受病原體感染、外傷或炎癥等因素刺激時(shí)會導(dǎo)致角膜新生血管的形成。已有研究表明，角膜新生血管的形成是多種炎癥因子及細(xì)胞因子共同作用的病理過程。Huang等[20]通過建立鼠角膜新生血管模型，采用微陣列分析發(fā)現(xiàn)，炎癥性新生血管的鼠角膜與正常透明的鼠角膜相比，有154個(gè)lncRNA表達(dá)差異顯著，其中包括60個(gè)下調(diào)的lncRNA和94個(gè)上調(diào)的lncRNA，提示角膜新生血管形成可能與相關(guān)lncRNA異常表達(dá)有關(guān)，其可能成為角膜新生血管疾病預(yù)防和治療的潛在靶點(diǎn)。

3.2 lncRNA與翼狀胬肉翼狀胬肉的確切發(fā)病機(jī)制尚不明確，其可能的發(fā)病因素有以下幾個(gè)：(1)血管內(nèi)皮生長因子受體(VEGFR)[21]控制病理性血管生成并增加眼內(nèi)血管通透性；(2)白細(xì)胞介素[22]；(3)基質(zhì)金屬蛋白酶及基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子[23]，基質(zhì)金屬蛋白酶可促進(jìn)翼狀胬肉的生長，而基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子與基質(zhì)金屬蛋白酶功能恰恰相反；(4)腫瘤抑制基因[24]，如P53的異常表達(dá)能夠促進(jìn)翼狀胬肉細(xì)胞增殖；(5)增殖相關(guān)蛋白[25]，如Ki-67、細(xì)胞周期蛋白D1在翼狀胬肉細(xì)胞增殖過程中發(fā)揮重要作用。Liu等[26]發(fā)現(xiàn)在翼狀胬肉組織中l(wèi)ncRNA參與調(diào)節(jié)關(guān)鍵基因表達(dá)，并提出相關(guān)lncRNA可能是治療翼狀胬肉的新型分子靶點(diǎn)。

3.3 lncRNA與青光眼青光眼是一組以視神經(jīng)萎縮和視野缺損為特征的疾病，是致盲的主要原因之一，具有一定的遺傳性。病理性眼壓升高是青光眼的一個(gè)重要的危險(xiǎn)因素。lncRNA CDKN2B-AS又稱為ANRIL，是一種以CDKN2A和CDKN2B的反義方向轉(zhuǎn)錄的lncRNA。這些基因座上多態(tài)性的發(fā)生改變了調(diào)節(jié)細(xì)胞周期或通過表觀遺傳機(jī)制對靶基因的表達(dá)，隨后誘導(dǎo)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡和誘發(fā)青光眼的發(fā)生[27]。另有研究表明，lncRNA MALAT1可以通過激活PI3K/Akt信號通路抑制青光眼中的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡[28]。

3.4 lncRNA與白內(nèi)障Shen等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與年齡相匹配的透明晶狀體受檢者相比，白內(nèi)障患者有38個(gè)lncRNA表達(dá)異常，lncRNA在白內(nèi)障患者的全血血漿和房水中的表達(dá)量明顯增加；而敲除MIAT可通過氧化應(yīng)激反應(yīng)影響人晶狀體上皮細(xì)胞的凋亡、增殖、遷移，敲除MIAT可抑制腫瘤壞死因子-α的異常表達(dá)及晶狀體上皮細(xì)胞的遷移，在后發(fā)性白內(nèi)障的發(fā)病過程中可能具有重要作用。

3.5 lncRNA與增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變Zhou等[30]利用微陣列分析研究顯示，PVR患者的視網(wǎng)膜前膜中有78個(gè)lncRNA存在異常表達(dá)(48個(gè)上調(diào)，30個(gè)下調(diào))。PVR患者外周血細(xì)胞和血漿部分lncRNA MALAT1明顯上調(diào)；PVR術(shù)后患者M(jìn)ALAT1表達(dá)明顯減少，體外實(shí)驗(yàn)提示MALAT1調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)細(xì)胞的增殖和遷移，這對于視網(wǎng)膜前膜形成具有關(guān)鍵作用，表明MALAT1可能作為PVR的診斷和潛在預(yù)后指標(biāo)，也可能成為PVR基因治療的潛在靶點(diǎn)。

3.6 lncRNA與糖尿病性視網(wǎng)膜病變Liu等[31]在鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠動物模型中發(fā)現(xiàn)，lncRNA MALAT1在視網(wǎng)膜的表達(dá)量明顯上調(diào)，提示糖尿病血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙與其相關(guān)。Yan等[32]通過建立STZ誘導(dǎo)的糖尿病性視網(wǎng)膜病變大鼠動物模型發(fā)現(xiàn)，早期糖尿病性視網(wǎng)膜病變大鼠存在303個(gè)lncRNA異常表達(dá)(214個(gè)表達(dá)下調(diào)，89個(gè)表達(dá)上調(diào))，提示lncRNA可能通過多個(gè)致病途徑介導(dǎo)糖尿病性視網(wǎng)膜病變的發(fā)病機(jī)制，其中MALAT可能是早期診斷、治療及判斷其預(yù)后的一個(gè)潛在治療靶標(biāo)。

3.7 lncRNA與年齡相關(guān)性黃斑變性RPE細(xì)胞去分化已被認(rèn)為是萎縮性ARMD病理變化的關(guān)鍵因素。因此，阻斷RPE去分化是治療萎縮性AMRD的有效策略。Chen等[33]使用微陣列篩選出217個(gè)差異表達(dá)的lncRNA。其中l(wèi)ncRNA ZNF503-AS1在RPE細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)，且ZNF503-AS1表達(dá)水平與RPE分化一起持續(xù)上調(diào)，并且在萎縮性ARMD患者的RPE脈絡(luò)膜中被下調(diào)。該研究表明ZNF503-AS1失調(diào)與萎縮性ARMD的RPE去分化和病理過程有關(guān)，提示其可作為萎縮性ARMD的生物標(biāo)志物和治療靶標(biāo)。

3.8 lncRNA與眼部腫瘤

3.8.1 lncRNA與視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA MEG3啟動子的高甲基化及MEG3的失活與視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤患者的預(yù)后相關(guān)，該研究揭示MEG3是視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤中的腫瘤抑制基因，并通過調(diào)節(jié)Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑的活性抑制視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤細(xì)胞的增殖[34]。另有研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA H19可通過結(jié)合miR-17-92簇的位點(diǎn)抑制視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤的進(jìn)展，這有望成為視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤的治療策略[35]。

3.8.2 lncRNA與葡萄膜黑色素瘤UM是成人中最常見的原發(fā)性眼部惡性腫瘤，可導(dǎo)致嚴(yán)重的視覺障礙。Xu等[36]研究發(fā)現(xiàn)遺傳擴(kuò)增和DNA甲基化是UM中異常lncRNA PVT1表達(dá)的機(jī)制，提示lncRNA PVT1的表達(dá)可能在UM的發(fā)生發(fā)展過程中具有重要意義，其可作為特異性的預(yù)后生物標(biāo)志物。Zheng等[37]研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA FTH1P3的表達(dá)與UM組織中miR-224-5p表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，miR-224-5p的異位表達(dá)降低了UM細(xì)胞的增殖，阻滯細(xì)胞周期和抑制細(xì)胞遷移，表明lncRNA FTH1P3在UM中起關(guān)鍵作用。

4展望

隨著研究的深入，大量lncRNA功能逐漸被挖掘，為明確相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提供了可能，然而lncRNA研究前景仍然存在著眾多挑戰(zhàn)：(1)lncRNA功能及作用機(jī)制研究。lncRNA類似于mRNA，具有5’帽子結(jié)構(gòu)和3’多聚腺苷尾結(jié)構(gòu)，但其開放閱讀框較短或者缺失，在生物細(xì)胞內(nèi)整體水平上表達(dá)較低，約為mRNA的1/10，具有復(fù)雜的二級或三級結(jié)構(gòu)，無較高的序列保守性，這在極大程度上限制了對lncRNA功能的詳盡闡述和研究。(2)lncRNA基因測序的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)的lncRNA篩選方法效率低下，假陽性率高，目前研究lncRNA的高通量技術(shù)手段主要有芯片、二代測序、三四代測序。然而基因芯片雖然具有覆蓋全面、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，但lncRNA的表達(dá)量遠(yuǎn)低于mRNA。此外，利用測序的方法需要特異性建庫和較高的數(shù)據(jù)量，這使得測序的準(zhǔn)確性要求更加嚴(yán)格。(3)lncRNA特異性表達(dá)仍未完全闡明。隨著技術(shù)的快速發(fā)展，人們對lncRNA的差異性表達(dá)認(rèn)識也日趨完善，但在眼部疾病方面研究較少，仍需要進(jìn)一步闡明和完善。

5總結(jié)

隨著對lncRNA研究的深入，對基因的定義又有了更加深入的認(rèn)識，分子遺傳學(xué)的經(jīng)典理論“中心法則”的內(nèi)容變得更加豐富，人們對生命的運(yùn)行規(guī)律，包括正常和疾病狀態(tài)下的認(rèn)知，也將會隨著越來越多的lncRNA的發(fā)現(xiàn)而變得更加豐富。研究lncRNA與眼部疾病發(fā)生發(fā)展之間的關(guān)系，將有助于人們對眾多眼部疾病的發(fā)病機(jī)制、診斷、預(yù)后及轉(zhuǎn)歸予以新的認(rèn)識，并對眼部疾病的治療藥物開發(fā)提供新的策略。