長鏈非編碼RNA調(diào)控脂肪發(fā)育與代謝研究進展

于樹龍, 張昊, 李岑岑*

1.信陽師范學(xué)院, 河南 信陽 464000; 2.信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院, 河南 信陽 464000

長鏈非編碼RNA(lncRNA)在細胞核、細胞質(zhì)及細胞器中均有分布。通常，lncRNA具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可能帶有polyA尾巴也可能不帶[1]。其結(jié)構(gòu)與mRNA具有一定的相似性，但表達水平低于mRNA，序列保守性也相對較差，許多l(xiāng)ncRNA在組織發(fā)育過程中具有明顯的特異性表達[2]。相對于同樣不編碼蛋白質(zhì)的微小RNA(microRNA，miRNA)，lncRNA具有數(shù)量多、序列長、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息含量豐富等特點。也有研究表明，有些lncRNA可能具有小的開放式閱讀框并且能編碼短肽，這些lncRNA約占總lncRNA的8%[3]。由于lncRNA的數(shù)量和功能等還在不斷的研究中，所以其分類也沒有明確統(tǒng)一的標準。根據(jù)基因組中l(wèi)ncRNA在蛋白質(zhì)編碼基因的相對位置及背景，有些研究者將其分為：基因間lncRNA、內(nèi)含子lncRNA、雙向lncRNA、正義lncRNA、反義lncRNA等5類[4]；而另一些研究者將其分為6類，把增強子lncRNA也單獨歸為一類[5]。起初人們并不重視對lncRNA的研究，但隨著lncRNA位置關(guān)系的推導(dǎo)預(yù)測與研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)lncRNA在基因的表達和調(diào)控過程中發(fā)揮著重要的作用，參與了生物體基本上全部的生物學(xué)過程，特別是在脂肪發(fā)育與代謝的調(diào)控過程中扮演著重要的角色，與肥胖等代謝疾病的產(chǎn)生、發(fā)展有著緊密的聯(lián)系[6]。

脂肪是存在于動植物體中的油性物質(zhì)，由脂肪細胞分化而成，具有儲能、供熱、保護內(nèi)臟器官、提供動力等作用，是生物體的重要組成部分。但是在人和動物體中脂肪沉積過多會導(dǎo)致肥胖，影響人類健康以及動物胴體的品質(zhì)。隨著肥胖人群的不斷增多，人們對于脂肪的形成與調(diào)控的具體機制產(chǎn)生了濃厚的興趣[7]。近年來，越來越多的研究證實lncRNA在脂肪形成過程中扮演著關(guān)鍵的角色?；诖?，本文就lncRNA及其參與脂肪調(diào)控和肥胖等代謝疾病的產(chǎn)生等相關(guān)研究展開綜述，以期為lncRNA調(diào)控脂肪發(fā)育機制的深入研究提供有力參考。

1 lncRNA作用模式

lncRNA在表觀遺傳水平(如基因印跡、染色質(zhì)修飾等)、轉(zhuǎn)錄水平(如轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾等)和轉(zhuǎn)錄后水平(如調(diào)控mRNA剪接和降解、與miRNA相互作用等)3個層面影響著脂肪的形成與代謝。由于lncRNA擁有較長的核苷酸鏈，可形成較為復(fù)雜的二級空間結(jié)構(gòu)，所以其有多種作用模式，主要分為：信號、誘餌、引導(dǎo)和支架4種。這4種作用模式并不是單獨起作用，而是相互協(xié)作。

1.1 作為信號分子

lncRNA可以調(diào)節(jié)其他基因的表達，充當可以調(diào)節(jié)和控制下游基因的轉(zhuǎn)錄或基因剪接的信號分子。某些lncRNA在不同的信號通路給予不同刺激的條件下，能夠特異性的轉(zhuǎn)錄并參與信號傳導(dǎo)。從生物體的角度來看，運用RNA進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控具有較大的優(yōu)勢。因為利用RNA調(diào)控轉(zhuǎn)錄過程不需要進行蛋白質(zhì)的翻譯，這樣就提高了轉(zhuǎn)錄效率。

lncRNA可以以信號分子的方式參與基因組印跡的過程，如Kcnq1ot1、Xist等都可以作為信號分子。Kcnq1ot1一方面與染色質(zhì)結(jié)合，另一方面與G9a(組蛋白去甲基化酶)和多梳蛋白抑制復(fù)合體2(polycomb repressive complex 2，PRC2)結(jié)合，使Kcnq1基因的表達受阻[8]。Xist作用模式類似于Kcnq1ot1，通過招募PRC2形成Xist-PRC2復(fù)合體，該復(fù)合體能使組蛋白H3上第27位的賴氨酸三甲基化，從而使X染色體上相關(guān)基因失活[9]。

1.2 作為分子誘餌

有些lncRNA可以作為分子誘餌，誘導(dǎo)RNA、miRNA或蛋白質(zhì)離開某一特定區(qū)域，來激活或者抑制轉(zhuǎn)錄基因。如在肝細胞癌中l(wèi)ncRNA DLX6-AS1與miR-203a相互作用調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloprotease，MMP-2)的表達，從而影響肝癌的形成[10]。lncRNA PTENP1可以作為miR-17、miR-19b、miR-20a的分子誘餌與這3個miRNAs結(jié)合，提高磷酸酶與張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog，PTEN)、富含亮氨酸重復(fù)序列的蛋白磷酸酶(pH domain leucine-rich repeat protein phosphatase，PHLPP)以及ULK1、ATG7、p62等自噬基因的表達[11]。lncRNA DINO可與p53結(jié)合形成復(fù)合物，并作用于p53靶基因(CDKN1A、FAS、GADD45A等)在DNA損傷過程中發(fā)揮作用[12]。lncRNA ADNCR通過誘餌作用與miR-204結(jié)合，使miR-204不能靶向沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(silent information silent information regulation 2 homolog-1，sirtuin 1，SIRT1)，由此來抑制脂肪的形成[13]。

1.3 引導(dǎo)作用

lncRNA通過引導(dǎo)作用模式介導(dǎo)RNA結(jié)合蛋白質(zhì)到特定的DNA序列上并發(fā)揮功能，通過順式或反式機制改變基因的表達，發(fā)揮分子導(dǎo)向作用。lncRNA HOTTIP與蛋白質(zhì)WDR5及組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶MLL形成復(fù)合物，并將其靶向到HOXA區(qū)域，發(fā)生組蛋白H3第4位賴氨酸(H3K4)甲基化和激活HOXA位點的轉(zhuǎn)錄[14]。TINCR是一種細胞質(zhì)lncRNA，與RNA結(jié)合蛋白STAU1相互作用，并將STAU1轉(zhuǎn)化為mRNA穩(wěn)定因子。TINCR和STAU1結(jié)合能夠形成功能穩(wěn)定的mRNAs編碼結(jié)構(gòu)和終末分化角質(zhì)細胞關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白[15]。lncRNA-p21能夠在基因組的多個位點對基因表達產(chǎn)生影響，可通過反式作用機制繞過上游調(diào)控因子p53來誘導(dǎo)改變基因表達和細胞凋亡[16]。

1.4 作為分子支架

lncRNA具有不同的結(jié)構(gòu)域，可作為分子支架結(jié)合多個轉(zhuǎn)錄因子，相當于一個“中心平臺”，在信號傳導(dǎo)過程中起調(diào)控作用。當多個信號傳導(dǎo)途徑同時被激活時，lncRNA會在同一時間將多個效應(yīng)因子結(jié)合在一起形成復(fù)合物，并對不同途徑之間的信息進行整合，然后選擇性地利用特定的信號對外部信號或刺激做出反饋和調(diào)節(jié)。HOTAIR是一種抑制性lncRNA，它能夠?qū)?種不同的蛋白復(fù)合物靶向至染色體特定位點，在2個不同的染色質(zhì)修飾復(fù)合物之間起支架作用。HOTAIR的5’端可與PRC2結(jié)合以用來調(diào)節(jié)染色體的狀態(tài)，3’端可以與組蛋白去甲基酶1(lysine specific demethylase1，LSD1)相互作用，進而調(diào)控HOXC基因的表達[5]。lncRNA ANRIL可作為分子支架與核心蛋白復(fù)合體PRC1和PRC2結(jié)合，使染色質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變，影響靶基因INK4b位點的轉(zhuǎn)錄[17]。

2 lncRNA調(diào)控脂肪發(fā)育與代謝

起初，研究者們認為lncRNA是RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的副產(chǎn)物，不具有重要的功能，所以對lncRNA研究較少。隨著測序與生物信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的lncRNA被鑒定為在脂肪的形成與代謝過程中發(fā)揮著重要的作用，因此探索在脂肪形成與代謝過程中發(fā)揮作用的lncRNA成為了重要研究內(nèi)容。如利用去除核糖體RNA高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)在牛脂肪細胞分化前后有16個lncRNA差異性表達[13]；采用RNA深度測序和生物信息學(xué)技術(shù)對出生后35、85和120 d兔內(nèi)臟脂肪組織的lncRNA進行分析，證實lncRNA是兔內(nèi)臟脂肪生長的重要調(diào)節(jié)因子，且多數(shù)lncRNA參與早期脂肪調(diào)控[18]。此外，Sun等[7]分析了初級脂肪細胞、前脂肪細胞和脂肪細胞的轉(zhuǎn)錄組，并確定了175個在脂肪形成過程中受到特異性調(diào)控的lncRNA；Luan等[19]鑒定出207個lncRNA在脂肪間質(zhì)細胞的分化過程中有表達差異，通過關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)有26個lncRNA在脂肪相關(guān)組織中上調(diào)。以上研究揭示了lncRNA在脂肪調(diào)控中的重要作用，彌補了相關(guān)研究的不足，同時也為后續(xù)研究提供了新的靶點。

SRA屬于基因間lncRNA，對類固醇激素受體具有選擇性，能夠通過其氨基末端的激活功能介導(dǎo)反式激活[20]。Cooper等[21]發(fā)現(xiàn)lncRNA NEAT1在3T3-L1脂肪細胞向脂肪細胞分化過程中呈時間性波動，并在脂肪形成的主要轉(zhuǎn)錄因子PPARγ mRNA可變剪切中發(fā)揮重要的作用。具有類似作用的還有l(wèi)ncRNA U90926、Paral1、Gm15290、Plnc1等，其通過控制關(guān)鍵的脂肪形成轉(zhuǎn)錄因子PPARγ來調(diào)控脂肪的形成[22-25]。HoxA-AS3在骨髓間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)中受到抑制時，脂肪的形成及脂肪標志物的表達都會下降，證明HoxA-AS3在脂肪形成過程中發(fā)揮著作用[26]。lncRNA AK079912在脂肪組織中高表達，并且隨著脂肪組織的發(fā)育其表達量逐漸升高，在脂肪組織棕色化過程中起著重要的作用[27]。以上研究證實lncRNA在脂肪調(diào)控中起著重要作用，但是其具體調(diào)控機制還有待深入研究。

近年來，隨著技術(shù)水平的提高以及研究的深入，有些lncRNA調(diào)控脂肪形成的通路被證實。lncRNA ADINR從脂肪產(chǎn)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子C/EBPα基因上游450 bp的位置轉(zhuǎn)錄而來，可通過順式調(diào)控C/EBPα在人間充質(zhì)干細胞向脂肪細胞分化過程中發(fā)揮作用[28]。lncRNA MIR31HG可降低脂肪形成相關(guān)基因FABP4啟動子中活性組蛋白標志物H3K4me3和AcH3的富集，從而抑制其表達和脂肪生成[29]；lncRNA GM2788可與Pur_β蛋白相互結(jié)合降低脂代謝相關(guān)基因(FASN、SCD1、GPAD1等)的表達來降低甘油三酯的含量從而調(diào)控脂代謝[30]。除轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子和脂肪形成相關(guān)基因外，部分lncRNA是通過調(diào)控miRNA來影響脂肪的代謝和形成的。如MEG3是一種具有腫瘤抑制作用的lncRNA，但也可通過調(diào)控miR-140-5p參與人脂肪源性干細胞的成脂分化[31]。Liu等[32]發(fā)現(xiàn)lncRNA GAS5的異位表達能顯著降低miR-21a-5p水平，抑制3T3-L1前脂肪細胞的增殖，在脂肪形成過程中發(fā)揮重要作用。

3 lncRNA與肥胖等代謝相關(guān)疾病

肥胖是由于機體內(nèi)能量代謝失衡、脂肪沉積過多而導(dǎo)致的體重過度增長的一種慢性代謝疾病，不僅影響外在體型還威脅著機體健康[33]。近年來肥胖問題日益嚴重并且趨向于年輕化，已經(jīng)成為威脅人類健康的主要公共衛(wèi)生問題。通過lncRNA作用機制來研究肥胖產(chǎn)生與發(fā)展的過程對于解決肥胖問題具有重要的意義。

Chen等[34]以雄性C57BL/6-J小鼠為材料進行研究，表明lncRNA AK142386和AK133540可通過不同的轉(zhuǎn)錄因子起作用以調(diào)節(jié)Hoxa3和Acad10轉(zhuǎn)錄，從而影響脂肪生成和能量代謝。脂聯(lián)素(adiponectin，AdipoQ)是一種脂肪細胞衍生的激素，對全身糖脂代謝具有積極作用。研究表明，AdipoQ AS lncRNA對高脂飲食小鼠的白色脂肪組織、棕色脂肪組織和肝甘油三酯均有調(diào)控作用[35]。Nuermaimaiti等[36]發(fā)現(xiàn)，lncRNA HOXA11-AS1在肥胖患者中高表達，并在脂肪細胞分化過程中顯著升高。隨后，從患者脂肪組織中分離人脂肪源性干細胞(human adipose-derived stem cells，hADSCs)，進行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)敲除HOXA11-AS1能夠抑制脂肪細胞的分化和成脂基因的轉(zhuǎn)錄，同時降低hADSCs脂質(zhì)沉積。lncRNA MEG3在肥胖人群內(nèi)臟脂肪組織中表達量顯著增加并且與人群體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)呈正相關(guān)，是肥胖防治的潛在靶點[37]。在生物體內(nèi)，lncRNA H19的超表達能夠抑制肥胖的產(chǎn)生、改善胰島素敏感性和促進線粒體生物合成[38]。lnc-ORA可通過調(diào)節(jié)PI3K/AKT/mTOR信號通路來調(diào)節(jié)脂肪細胞分化，并為肥胖相關(guān)的代謝疾病提供新的潛在治療靶點[39]。

此外，肥胖與糖尿病、心血管病等代謝性疾病有密切關(guān)系，常常會導(dǎo)致并發(fā)癥的發(fā)生。大量的研究證實lncRNA與糖尿病、心血管病、高血脂等代謝性疾病相關(guān)，并且在這些代謝性疾病中起著重要的作用(表1)。

表1 與糖尿病、心血管病等代謝相關(guān)的lncRNATable1 lncRNA that related to metabolism such as diabetes and cardiovascular diseases

4 展望

脂肪發(fā)育是生物體內(nèi)關(guān)鍵且復(fù)雜的過程，對生命活動具有重要意義。lncRNA在脂肪調(diào)控過程中起著重要的作用，對于調(diào)控脂肪發(fā)育的lncRNA的研究可以了解脂肪形成的機制，不僅能為動物生產(chǎn)提供研究方向，還能為治療人類代謝疾病提供新的方法。雖然隨著研究的深入，人們對脂肪發(fā)育相關(guān)的lncRNA有了更深的認識。但是，目前大量的研究成果集中在人類癌癥等相關(guān)領(lǐng)域，對于與脂代謝以及改善動物肉質(zhì)相關(guān)的lncRNA研究成果相對較少。因此，仍需對生物體脂代謝及肉質(zhì)相關(guān)的lncRNA進行深入研究，尤其是其精確作用機制及生物學(xué)過程。