競爭性內(nèi)源性RNA在神經(jīng)退行性疾病中作用的研究進(jìn)展

趙 麗，馬 慧，孫 艷*

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)教研室，黑龍江 哈爾濱 150081）

神經(jīng)退行性疾病是大腦和脊髓神經(jīng)元喪失而引起的一類不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，以發(fā)作遲緩和選擇性神經(jīng)元功能障礙為特征表現(xiàn)，是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，主要包括阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森氏病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓氏病(Huntington's disease，HD)、肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)。近年來，神經(jīng)退行性疾病潛在機制的研究進(jìn)展促進(jìn)了其有效治療方案的發(fā)展，進(jìn)而對疾病有效生物標(biāo)記物的需求增加，其中細(xì)胞外分子RNA在神經(jīng)退行性疾病病理過程中的相互作用成為人們關(guān)注的焦點。有證據(jù)揭示，競爭性內(nèi)源性RNA (competing endogenous RNAs，ceRNAs)與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。確定ceRNAs在神經(jīng)退行性疾病發(fā)病機制中的作用，不僅可以加深對這些疾病生理和病理過程的認(rèn)識，而且可以為這些疾病的診斷和預(yù)防提供新的思路和解決方案，這將有助于神經(jīng)退行性疾病的早期診斷和治療監(jiān)測。本文就近年來ceRNAs在神經(jīng)退行性疾病中的相關(guān)研究作一綜述。

1 ceRNA假說概述及組成

ceRNA假說由Salmena等[1]于2011年在Cell雜志上首次提出。該假說認(rèn)為，信使RNA(messenger RNA，mRNA)、長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)、環(huán)狀RNA(circular RNA，circRNA)、假基因(pseudogene)等各類RNA分子能通過相同的微小RNA應(yīng)答元件(microRNA respons elements，MREs)競爭性結(jié)合或共享microRNA(miRNA)來調(diào)控靶基因，從而解除或減少miRNA對靶基因的作用，進(jìn)一步對人類發(fā)育和相關(guān)疾病產(chǎn)生影響[2]。ceRNA假說中，miRNA是核心RNA分子，作為ceRNA分子研究較多的是lncRNA和circRNA。

miRNA是一種小的非編碼RNA分子，能夠靶向大量mRNAs，被認(rèn)為可以調(diào)控30%左右的人類基因，在神經(jīng)發(fā)育和功能方面起重要作用，是AD、PD、HD等神經(jīng)變性疾病的必需調(diào)節(jié)因子[3]。lncRNA是一類具有低蛋白質(zhì)編碼潛力的轉(zhuǎn)錄物，長度大于200個核苷酸，主要參與表觀遺傳、基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后的基因表達(dá)調(diào)控，也參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生與發(fā)展[4]。circRNA是由特定外顯子循環(huán)產(chǎn)生的進(jìn)化上保守的非編碼RNA，在神經(jīng)組織中富集，并在突觸可塑性和神經(jīng)元功能中起著重要作用[5]。假基因是基因家族在進(jìn)化過程中形成的無功能殘留物，與正?；蛳嗨?，但喪失正常功能的DNA序列。Costa等[6]提出，假基因約80%的miRNA結(jié)合位點與其親本基因共享，可能成為新的ceRNA參與神經(jīng)退行性疾病過程。

總之，lncRNA、circRNA、假基因在神經(jīng)退行性疾病中都有著重要作用，并可能通過競爭性結(jié)合miRNA形成復(fù)雜的ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展機制，相比傳統(tǒng)的miRNA-RNA調(diào)控模式來說，ceRNAs的調(diào)控更為精細(xì)及復(fù)雜化。ceRNA假說的提出揭示了一種全新的基因表達(dá)調(diào)控模式，為神經(jīng)退行性疾病的早期診斷和治療監(jiān)測提供了新的線索及研究方向。

2 ceRNA與神經(jīng)退行性疾病

ceRNA在許多疾病中都存在差異性表達(dá)，包括心血管疾病、消化系統(tǒng)腫瘤、呼吸系統(tǒng)腫瘤[7-9]等。lncRNA、circRNA、假基因也通過ceRNA機制參與了神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展過程。

2.1 ceRNA與AD

AD是一種能導(dǎo)致嚴(yán)重殘疾和死亡的慢性疾病，是最常見的神經(jīng)退行性疾病，臨床上以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙為特征，其典型病理特征是細(xì)胞外淀粉樣β蛋白(amyloidβ-protein，Aβ)沉積形成的老年斑及細(xì)胞內(nèi)過度磷酸化的Tau蛋白形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)。

Aβ來源于Aβ淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)，而APP產(chǎn)生Aβ的限速步驟由β位點的APP裂解酶1(betasite app cleaving enzyme 1，BACE 1)介導(dǎo)，BACE 1失調(diào)可導(dǎo)致過量Aβ沉積。Wang等[10]在晚發(fā)型AD患者的顳葉皮質(zhì)中發(fā)現(xiàn)miR-107減少，該miRNA與BACE 1的3′UTR之間存在功能上的相互作用。核富集轉(zhuǎn)錄體1(nuclear paraspeckle assembly transcript 1，NEAT 1)是一種在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的lncRNA，在Aβ處理的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞SH-SY5Y和SK-N-SH細(xì)胞中表達(dá)增強，并通過海綿miR-107加重Aβ誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷[11]。NEAT 1在AD小鼠模型中也明顯上調(diào)，抑制NEAT 1或過表達(dá)NEAT 1能上調(diào)或下調(diào)miR-124的表達(dá)，從而影響B(tài)ACE 1的表達(dá)[12]。

細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶5激活因子1(cyclin-dependent kinase 5 regulatory subunit 1，CDK5R1)參與腦發(fā)育和腦功能，并與AD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。Spreafico等[13]研究了3個潛在的調(diào)控CDK5R1表達(dá)水平的lncRNAs：NEAT 1、Hox轉(zhuǎn)錄反義RNA和轉(zhuǎn)移相關(guān)肺腺癌轉(zhuǎn)錄本1，發(fā)現(xiàn)3個lncRNAs都能正向調(diào)節(jié)miR15/107家族，而miR-15/107家族可反向調(diào)節(jié)CDK5R1的表達(dá)以修飾mRNA的穩(wěn)定性。

神經(jīng)血管功能紊亂已成為多種血管和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制，lncRNA心肌梗死相關(guān)轉(zhuǎn)錄本(myocardial infarction association transcript，MIAT)作為血管功能障礙的調(diào)節(jié)因子，可通過miR-150-5p/血管內(nèi)皮生長因子軸調(diào)節(jié)神經(jīng)和血管細(xì)胞功能，而MIAT基因敲除可導(dǎo)致腦微血管變性、進(jìn)行性神經(jīng)元丟失和神經(jīng)變性等，MIAT可能是治療神經(jīng)血管相關(guān)疾病包括AD的藥理靶點[14]。抑制轉(zhuǎn)化生長因子β激活的長鏈非編碼RNA可通過調(diào)節(jié)miR-200/鋅指基因217軸預(yù)防Aβ誘導(dǎo)的大鼠腎上腺髓質(zhì)嗜鉻瘤細(xì)胞神經(jīng)毒性[15]。

AD與circRNA相關(guān)的ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間也有潛在聯(lián)系。Zhang等[16]在快速老化小鼠模型中獲得235個明顯調(diào)控異常的circRNA轉(zhuǎn)錄本、30個明顯調(diào)控異常的miRNAs和1 202個顯著失調(diào)的mRNAs，并構(gòu)建了較全面的circRNA相關(guān)ceRNA網(wǎng)絡(luò)，該模型中的ceRNA網(wǎng)絡(luò)主要參與Aβ清除和髓鞘功能調(diào)節(jié)。Sekar等[17]利用AD和健康受試者后扣帶回上的整個轉(zhuǎn)錄組測序檢測星形細(xì)胞的circRNA，其中circRNA小腦變性相關(guān)蛋白1反義轉(zhuǎn)錄物具有74個不同miRNAs結(jié)合位點和63個miR-7結(jié)合位點，最終建立了包括4個circRNA、11個miRNAs和49個基因的circRNA-miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

miRNAs通過與靶轉(zhuǎn)錄體上的MREs相互作用來協(xié)調(diào)大腦功能，攜帶MREs的非編碼假基因轉(zhuǎn)錄本(PSG+MRE)在人顳葉神經(jīng)元表現(xiàn)出同源性、進(jìn)化守恒性和較高表達(dá)，與靶向miRNAs能夠雙向協(xié)同調(diào)控，而PSG+MRE在大腦發(fā)育和認(rèn)知中具有功能作用，支持PSG+MRE在人腦神經(jīng)元中對生理的影響[18]。因此，PSG+MRE可能作為ceRNA參與包括AD在內(nèi)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展機制。

2.2 ceRNA與PD

PD也稱為震顫麻痹，是繼AD后的第二常見神經(jīng)退行性疾病，也是中老年人最常見的錐體外系疾病。該病以黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性丟失及胞質(zhì)內(nèi)嗜酸性包涵體即路易小體(Lewy body，LBs)形成為主要特征，臨床表現(xiàn)主要為靜止性震顫、動作遲緩及減少、肌張力增高、姿勢不穩(wěn)等。

α-突觸核蛋白(α-synuclein，SNCA)與PD的發(fā)病機制和相關(guān)功能障礙密切相關(guān)，其異常聚集能導(dǎo)致黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的變性丟失及胞質(zhì)內(nèi)LBs的形成[19]。SNCA是SNCA基因編碼的產(chǎn)物，而SNCA基因是第1個被發(fā)現(xiàn)的與PD相關(guān)的突變基因[20]。circSNCA和SNCA是同源基因，二者具有相同的miR-7靶位點并存在內(nèi)源性競爭。Sang等[21]發(fā)現(xiàn)circSNCA在PD中作為ceRNA與miR-7結(jié)合并上調(diào)其靶基因SNCA，減少促凋亡基因的表達(dá)，而抗凋亡蛋白B淋巴細(xì)胞瘤-2基因和自噬相關(guān)蛋白微管相關(guān)蛋白1輕鏈3B-II的表達(dá)隨著circSNCA的下調(diào)而增加，即circSNCA作為miR-7抑制劑促進(jìn)了PD的病理過程。

鋅鐵調(diào)控蛋白ZIP-2(ZRT，IRT-like protein-2)基因合成的circZIP-2，是Kumar等[22]在轉(zhuǎn)基因線蟲PD模型中鑒定的一種新circRNA分子。ZIP-2沉默導(dǎo)致PD模型中circZIP-2的表達(dá)降低。此外，Kumar等還利用生物信息學(xué)方法鑒定了11個與circZIP-2相互作用的miRNA，其中miR-60-3p是主要的miRNA，并具有經(jīng)過驗證的mRNA靶點。在Chi等[23]用22個健康對照血液樣本和50個PD血液樣本構(gòu)建的ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中，胰島素樣生長因子-1受體是miR-133b和lncRNA X染色體失活特異轉(zhuǎn)錄物的靶點。

編碼溶酶體葡萄糖苷酶的葡萄糖腦苷脂酶(glucocerebrosidase，GBA)基因突變是PD的主要易感因素，GBA與其假基因GBAP 1的高度同源性使假基因成為一種有希望的ceRNA，發(fā)揮miRNA海綿作用。研究發(fā)現(xiàn)，miR-22-3p能夠結(jié)合并下調(diào)GBA和GBAP 1，并將其內(nèi)源性mRNA的水平降低到70%，GBAP 1 3′-非翻譯區(qū)過表達(dá)可隔離miR-22-3p，從而提高GBA mRNA和GBA的表達(dá)水平，提示GBAP 1作為ceRNA發(fā)揮作用[24]。

2.3 ceRNA與其他神經(jīng)退行性疾病

除常見的AD和PD外，HD和ALS也屬于神經(jīng)退行性疾病，非編碼RNA在HD和ALS的疾病過程中也有著重要作用。在HD中，亨廷頓(Huntingtin，Htt)蛋白在細(xì)胞中積累而影響神經(jīng)細(xì)胞的功能。lncRNA Htt反義轉(zhuǎn)錄本在HD患者額葉皮質(zhì)低水平表達(dá)，能導(dǎo)致Htt mRNA的高水平表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)HD的發(fā)生[25]。Chanda等[26]發(fā)現(xiàn)HD細(xì)胞和動物模型中的lncRNAs母系表達(dá)基因3和NEAT1水平均發(fā)生了改變。Muraoka等[27]的研究結(jié)果提示，lncRNA CR18854和人類肉瘤融合蛋白(fused in sarcoma，F(xiàn)US)的果蠅同源體Cabeza之間存在遺傳相互作用，而FUS是ALS的致病基因之一。總之，lncRNAs參與了HD和ALS的發(fā)病機制，但作為ceRNA參與這兩種疾病的機制還有待進(jìn)一步研究。

3 總結(jié)與展望

ceRNAs假說的提出，不僅打破了傳統(tǒng)的基因調(diào)控模式，同時也揭示了lncRNA、circRNA和假基因等非編碼RNA在人類疾病中的功能機制，為研究許多人類疾病發(fā)生發(fā)展的分子機制提供了新的思路。而神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制一直是人類研究和關(guān)注的焦點，雖然非編碼RNA在神經(jīng)退行性疾病中的機制研究取得了一定進(jìn)展，但關(guān)于非編碼RNA作為ceRNA參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生及發(fā)展探索還處于初步階段，需要科研工作者進(jìn)行深入的分子機制研究，進(jìn)一步了解神經(jīng)退行性疾病中ceRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的作用機制，為神經(jīng)退行性疾病的靶向治療提供更多的理論依據(jù)。