LncRNA 調(diào)控細胞自噬的分子機制及在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進展

李發(fā)靖陳 鵬楊仁華陳德云楊 媛何 波沈志強

(昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院暨云南省天然藥物藥理重點實驗室,昆明 650500)

長鏈非編碼 RNA (long non-coding RNA,LncRNA)是一種數(shù)量龐大而多樣化的RNA 分子,其異常表達或功能失調(diào)可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生和發(fā)展,包括腫瘤、自身免疫性疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[1]。自噬作為細胞的一種自我保護機制,可通過清除錯誤折疊蛋白或受損的細胞器來維持細胞自身穩(wěn)態(tài)[2]。近年來研究證實,在腦卒中、帕金森病和阿爾茲海默癥等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病中,LncRNA通過影響細胞自噬發(fā)揮作用[3],然而具體的調(diào)控機制卻未見系統(tǒng)報道,因此,總結(jié)LncRNA 調(diào)控細胞自噬的分子機制及在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用,可能是研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理發(fā)病機制和發(fā)現(xiàn)藥物潛在治療靶點的重要方向和內(nèi)容。本文綜述了最新的LncRNA 調(diào)控細胞自噬的分子機制,闡述了LncRNA 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用,為將深入理解LncRNA 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用及其分子機制提供了理論依據(jù)。

1 長鏈非編碼RNA

LncRNA 是一類非編碼RNA,其長度超過200個核苷酸,廣泛分布于哺乳動物細胞中[4]。既往研究發(fā)現(xiàn),LncRNA 在自身免疫性疾病、腫瘤、心血管和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。雖然LncRNAs 與編碼蛋白質(zhì)的mRNA在序列上存在重合區(qū)域,但其保守性較差,表達量也較低[5]。根據(jù)LncRNA 與蛋白編碼基因的位置關(guān)系或功能不同, LncRNA 可被分為以下幾類:(1)正義LncRNA,LncRNA 序列與蛋白編碼基因重疊;(2)反義LncRNA,LncRNA 序列源于轉(zhuǎn)錄互補鏈;(3)內(nèi)含子LncRNA,LncRNA 序列來源于轉(zhuǎn)錄物的內(nèi)含子,可能是mRNA 前體的加工產(chǎn)物或真正獨立的轉(zhuǎn)錄物;(4)雙向非編碼LncRNA,源于雙向蛋白編碼基因的轉(zhuǎn)錄;(5)基因間LncRNA,LncRNA 序列位于蛋白編碼基因之間,但不與蛋白編碼基因重疊[6-7]。根據(jù)LncRNA 的作用方式,也可將LncRNA 分為以下幾類:(1) 信號LncRNAs,接受細胞信號以及其他刺激, 從而影響下游信號的表達; (2) 引導(dǎo)LncRNAs,將酶活性或調(diào)節(jié)蛋白直接導(dǎo)入基因組中的適當位置,從而引起基因的表達式的改變;(3)誘餌LncRNAs,可作為分子庫,限制調(diào)節(jié)因子的可用性并調(diào)節(jié)基因表達;(4)支架LncRNAs,為調(diào)節(jié)因子和酶復(fù)合物提供了一個短暫的組裝平臺[8-9]。

研究發(fā)現(xiàn),LncRNA 主要通過以下幾個途徑參與調(diào)控基因的表達:(1)轉(zhuǎn)錄水平上,LncRNAs 通過引導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子到目標基因的啟動子區(qū)域以調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄,并且作為轉(zhuǎn)錄激活劑或抑制因子介導(dǎo)基因轉(zhuǎn)錄;(2)轉(zhuǎn)錄后水平,LncRNAs 調(diào)節(jié)負責生物功能的基因的表達通過調(diào)節(jié)mRNA 的穩(wěn)定性、翻譯和降解[10];(3)通過對翻譯水平的調(diào)控,LncRNA 可以通過輔助mRNA 翻譯或抑制翻譯進行翻譯調(diào)控;(4)LncRNA 對表觀遺傳水平的調(diào)控,包括 LncRNA 對DNA 甲基化、 組蛋白及微小 RNA (microRNA,miRNA)修飾的影響,以及LncRNA 與染色體修飾復(fù)合物相互作用引起染色體重塑。有研究證據(jù)表明LncRNA 的異常表達參與到神經(jīng)系統(tǒng)性疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中[11]。

2 LncRNA 與細胞自噬

2.1 細胞自噬

細胞自噬(autophagy)是一個將細胞質(zhì)成分包裹在雙膜囊泡中,運送到溶酶體進行降解的過程[12]。當機體受到各種環(huán)境壓力(如營養(yǎng)剝奪和缺氧)、化學(xué)和物理損傷時,可通過自噬來維持細胞穩(wěn)態(tài)[13-14]。自噬的整個過程包括如下幾個連續(xù)的步驟[15]:首先,自噬起始于unc-51 樣激酶(unc-51-like kinase, ULK)復(fù)合物的誘導(dǎo),該復(fù)合物主要由ULK1/2、200 ×103質(zhì)量的粘著斑激酶家族相互作用蛋白(focal adhesion kinase family interacting protein with a 200×103mass, FIP200)、ATG101、ATG13 組成。其次,由磷脂酰肌醇3-激酶空泡蛋白分選34(phosphatidylinositol 3-kinase vacuolar protein sorting 34, VPS34)和 VPS15、ATG14、Beclin-1 組成磷脂酰肌醇-3 激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)復(fù)合物,PI3K 復(fù)合物的激活有助于囊泡成核,形成自噬 體[16]。然 后 在 LC3-II - 磷 脂 酰 乙 醇 胺(phosphatidylethanolamine, PE) 和 ATG12-ATG5-ATG16 復(fù)合物兩個泛素化樣蛋白系統(tǒng)的相互協(xié)作下進行囊泡延伸[17]。其中,ATG12-ATG5-ATG16 復(fù)合物表現(xiàn)出E3 連接酶樣活性,有助于LC3 與PE 結(jié)合反應(yīng)的刺激和定位。ATG4 能促使LC3 脫羥基生成 LC-I,LC-I 通過 E1 樣酶 ATG7 和 E2 樣酶 ATG3催化兩種連續(xù)泛素化樣反應(yīng)方式與PE 結(jié)合形成LC-II。LC-II 主要位于自噬體膜上,其表達的增加常作為自噬體形成的標志,因而通常將形成的LCII/LC-I 比值作為自噬體形成的標志[18]。自噬體成熟后與溶酶體小室融合形成自噬溶酶體,可將自噬體內(nèi)變性的蛋白質(zhì)和受損的細胞器降解。在降解過程中產(chǎn)生的氨基酸等小分子物質(zhì)既可為細胞提供能量、營養(yǎng),也可為細胞的新陳代謝提供原料。p62 蛋白可通過與LC3 相互作用,并在自噬溶酶體系統(tǒng)中持續(xù)降解。當自噬不足時,p62 蛋白可在細胞中積累,進一步抑制自噬[19]。

2.2 LncRNAs 調(diào)控細胞自噬

細胞自噬可受多種因素調(diào)控,包括非編碼RNA(如 miRNA 和 LncRNA)轉(zhuǎn)錄因子。近年來研究表明,LncRNA 可通過對miRNA 及相關(guān)靶基因進行調(diào)控,影響細胞自噬的進程[20]。我們可以根據(jù)其作用方式的不同,將LncRNA 對自噬的調(diào)控方式分為:通過LncRNA-miRNA 軸調(diào)控細胞自噬以及LncRNA通過其他途徑靶向調(diào)控細胞自噬。

2.2.1 LncRNA-miRNA 軸與自噬

近年來研究發(fā)現(xiàn),LncRNA 可通過 LncRNA-miRNA 軸調(diào)控細胞自噬。由于miRNA 被認為是在轉(zhuǎn)錄后水平控制基因表達中起到關(guān)鍵作用,因而其作為mRNA 基因表達或裂解的抑制因子而被廣泛研究[21]。在細胞自噬的調(diào)控過程中,miRNA 可以與自噬相關(guān)基因(autophagy-related genes, ATG)和其他參與自噬調(diào)節(jié)的基因的mRNA 靶向結(jié)合而形成自噬基因表達的關(guān)鍵介質(zhì)[22]。有研究證實,miR-30a 的下調(diào)可通過促進Beclin1/Atg6 的mRNA 和蛋白質(zhì)的表達從而促進 Beclin1 介導(dǎo)的細胞自噬[23-24]。也有研究表明,miR-126 通過靶向 3′-UTR使mTOR 基因沉默[25];增強miR-101 可抑制mTOR的表達并促進自噬的進程[26]。

隨著深入的研究,研究者通過LncRNA 生物信息學(xué)技術(shù),研究了LncRNA 的分子作用方式及其分子機制,發(fā)現(xiàn)并證實LncRNA 序列上可有miRNA 識別元件(miRNA recognition elements, MREs)[27],提示LncRNA 可通過 MREs 對 miRNA 進行直接轉(zhuǎn)錄調(diào)控?，F(xiàn)階段認為LncRNA-miRNA 軸主要通過以下三種方式進行調(diào)控:作為競爭性內(nèi)源性 RNA(competitive endogenous RNAs, ceRNAs)、與 miRNA競爭 mRNA 的結(jié)合位點或者表達生成 miRNAs。(1)LncRNAs 與 mRNA 競爭 miRNA 的結(jié)合,充當ceRNAs 作為miRNA 誘餌或海綿,在轉(zhuǎn)錄后水平抑制靶基因[28]。有研究發(fā)現(xiàn)LncRNA 肝細胞核因子1 alpha 反 義 鏈 1 (hepatocyte nuclear factor1alphaantisense1, HNF1A-AS1) 可 充 當 miR-30b-3p 的ceRNA,通過抑制 miRNA-30b-3p 的表達,導(dǎo)致其靶基因 PIK3CD 的表達下調(diào)[29]。Xie 等[30]發(fā)現(xiàn)LncRNAX 染色體失活特異轉(zhuǎn)錄物(long non-coding RNA X-inactive specific transcript, LncRNA XIST)可充當miR-29b 的競爭性內(nèi)源性RNA,增加高遷移率族蛋白-1 的表達,從而使肝星狀細胞活化和自噬增強;(2) LncRNA 與miRNA 競爭與mRNA 的結(jié)合發(fā)揮調(diào)控作用[31]。有研究證明,LncN-ras 功能 RNA(Lnc N-ras functional RNA, ncNRFR)可與類似let-7 家族的miRNA 結(jié)合,從而抑制了腫瘤抑制因子let-7 的功能[32];(3) LncRNA 可以表達生成miRNAs,從而對 mRNA 進行負調(diào)控[33]。有研究表明,LncRNA 肌肉特異性(muscle-specific, MD1)分別從一個內(nèi)含子和一個外顯子生成 miR-206 和miR-133b,參與了肌肉的分化過程[34]。也有文獻報道,LncRNA H19 外顯子中包含miR-675,可以通過調(diào)控miR-675 抑制出生前胎盤的生長[35]。

2.2.2 LncRNA 調(diào)控細胞自噬的其他途徑

除了通過LncRNA-miRNA 軸調(diào)控外,也有研究發(fā)現(xiàn)LncRNA 可以直接影響自噬相關(guān)基因的表達,發(fā)揮調(diào)控細胞自噬的作用。Gao 等[36]報道,LncRNA 母源表達基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)通過提高c-fos 表達和激活細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)通路來增加LC3-II/LC3-I 和Beclin 1 的表達,從而參與了嗎啡引起的 HT22 細胞自噬。同樣,Tong等[37]在心肌缺血/再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)損傷模型中發(fā)現(xiàn),過表達LncRNA FOXD3 反義RNA 1(FOXD3 antisense RNA 1, FOXD3-AS1)可上調(diào) LC3 II、Beclin1 和 ATG5 的表達,同時下調(diào) p62 的表達,激活自噬的表達。

3 LncRNAs 在自噬誘導(dǎo)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

3.1 LncRNAs 在自噬誘導(dǎo)的腦卒中的作用

有關(guān)LncRNA 在腦卒中疾病中的作用研究越來越多,已有研究發(fā)現(xiàn)在腦卒中的病理過程中,LncRNA 可通過LncRNA-miRNA 軸調(diào)控細胞自噬而發(fā)揮作用。LncRNA 轉(zhuǎn)移相關(guān)的肺腺癌轉(zhuǎn)錄本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1) 可直接與miR-200c-3p 結(jié)合而下調(diào)miR-200c-3p 的表達,并減少與 SIRT1 的 3′UTR 結(jié)合從而促進腦微血管內(nèi)皮細胞(brain microvascular endothelial cells, BMECs) 的 自 噬[38]。同 時,LncMALAT1 可作為miR-26b 的競爭性內(nèi)源性RNA,激活 LncMALAT1 可下調(diào) miR-26b 的表達并促進miR-26b 靶標ULK2 的表達,從而促進OGD/R 下的BMEC 自噬及增加細胞存活[39]。此外,也有研究發(fā)現(xiàn)LncMALAT1 還可以作為miR-30a 的分子海綿負調(diào)控miR-30a 的表達,靶向升高Beclin1 的水平參與腦卒中的發(fā)病[40]。

除LncMALAT1 外,其他 LncRNA 也與相應(yīng)的miRNA 結(jié)合發(fā)揮調(diào)控細胞自噬作用。最近研究顯示,敲除LncRNA 鉀電壓門控通道亞家族Q 成員1對側(cè)鏈1(potassium voltage-gated channel subfamily Q member 1 opposite strand 1,KCNQ1OT1)可以顯著促進miR-200a 的表達,從而抑制下游ATG7 的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子叉頭盒O3(forkhead box O3, FOXO3)的表達,減輕腦卒中的損傷[41]。此外,Luo 等[42]證實了,在缺血性卒中神經(jīng)元中,LncMEG3 與miR-378 特異性結(jié)合,上調(diào)Grb2 的表達,進而抑制Akt/mTOR 通路的激活,促進自噬的發(fā)生。

除LncRNA-miRNA 軸外,LncRNA 也可通過直接調(diào)控自噬來影響腦卒中。研究發(fā)現(xiàn)[43]OGD/R處理SH-SY5Y 細胞模型,LncRNA 小核仁RNA 宿主基因 12 ( small nucleolar RNA host gene 12,SNHG12)的上調(diào)可升高LC3-II/I 比值和Beclin-1 表達并降低p62 的表達,從而誘導(dǎo)自噬激活[43]。進一步研究發(fā)現(xiàn),沉默LncRNASNHG12 還可通過激活PI3K/AKT/mTOR 信號通路,來減少I/R 處理的大鼠腦微血管內(nèi)皮細胞(brain microvascular endothelial cells, BMECs) 的 凋 亡 和 自 噬 發(fā) 生[44]。表 明,LncRNASNHG12 可直接影響腦卒中的自噬信號通路的表達。

也有研究顯示,LncRNAH19 在腦卒中疾病中發(fā)揮了重要的作用。曹雯等[45]發(fā)現(xiàn)在氧糖剝奪條件下的永生化人腦微血管內(nèi)皮細胞系hCMEC/D3 中,敲低LncRNA H19 后抑制了 hCMEC/D3 細胞的增殖、遷移、成管能力,促進hCMEC/D3s 細胞凋亡并激活細胞自噬,從而抑制腦卒中后血管新生。同時,也有學(xué)者在I/R 處理的大鼠和 OGD/R 處理的SH-SY5Y 細胞體內(nèi)外模型上,過表達LncRNAH19后可促進LC3-II 的表達,而給予H19 siRNA 處理可抑制OGD/R 誘導(dǎo)的自噬激活[46]。這些研究均揭示了,LncRNA 可靶向調(diào)控miRNA 或者直接干擾自噬相關(guān)蛋白影響自噬的發(fā)生發(fā)展過程。

3.2 LncRNAs 在自噬誘導(dǎo)的帕金森病中的作用

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是由黑質(zhì)致密部位區(qū)域中多巴胺能神經(jīng)元的進行性退化引起的,與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。研究發(fā)現(xiàn),HOXD 反義生長相關(guān)長非編碼 RNA (HOXD antisense growth-associated long non-coding RNA,HAGLROS)的表達在 1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridine, MPP)誘導(dǎo)的 SH-SY5Y 細胞損傷模型和小鼠 PD 模型中均上調(diào),同時,HAGLROS 可負向調(diào)控 miR-100 的表達并升高ATG10 的表達,促進自噬的發(fā)生,參與PD 發(fā)生的病理過程[47]。也有研究發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)外的PD 模型中,LncRNA 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子反義(brain-derived neurotrophic factor anti-sense, BDNF-AS)的表達上調(diào)和miR-125b-5p 的表達下調(diào)。雙熒光素酶報告基因驗證了BDNF-AS 與miR-125b-5p 之間具有負相關(guān)性。敲除BDNF-AS 通過上調(diào) miR-125b-5p 的水平,從而抑制PD 模型的自噬和凋亡[48]。另有研究發(fā)現(xiàn), LncSNHG1 可與miR-221/222 簇競爭性結(jié)合,從而間接上調(diào)了p27/mTOR 的表達[49]。以上研究提示,在帕金森的病理發(fā)病機制過程中,多種LncRNA 可通過LncRNA-miRNA 軸調(diào)控自噬。

此外,LncRNA 還可以直接作用于自噬,影響PD 疾病的發(fā)生發(fā)展過程。Yan 等[50]通過向小鼠腹腔注射 MPTP 建立 PD 模型,證實在 PD 小鼠中LncRNANEAT1 通過抑制同源性磷酸酶-張力蛋白誘導(dǎo)的假定激酶1 (phosphatase and tensin homolog induced putative kinase 1, PINK1)蛋白降解來促進PINK1 的表達、促進LC3-II/ I 蛋白的表達水平,加重PD 的發(fā)病過程。以上研究均表明, LncRNA 可通過作用于miRNA 或者直接調(diào)控自噬的過程,是PD 的潛在生物標志物以及可能的干預(yù)靶點。

3.3 LncRNAs 在自噬誘導(dǎo)的其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

一些 LncRNA 也可通過 LncRNA-miRNA 軸調(diào)節(jié)自噬參與除腦卒中和PD 外的其他神經(jīng)系統(tǒng)性疾病的病理發(fā)生發(fā)展過程。Wu 等[51]報道,LncRNAMALAT1 的下調(diào)使得miR-101 表達增多,激活PI3K/Akt 信號通路,從而保護癲癇大鼠海馬神經(jīng)元免受自噬和凋亡的影響。此外,脊髓損傷(spinal cord injury, SCI)是一種嚴重的神經(jīng)系統(tǒng)性疾病,可引起一些破壞性癥狀,包括運動功能異常和自主神經(jīng)功能紊亂。研究發(fā)現(xiàn),在H2O2引起PC-12 細胞損傷處理復(fù)制的SCI 的細胞模型中,INK4 基因座中的反義非編碼RNA(the antisense non-coding RNA in the INK4 locus, ANRIL)的表達水平增加,ANRIL 抑制了miR-499a 的表達從而靶向促進細胞程序性細胞死亡因子(programmed cell death protein 4,PDCD4) 的 表 達, 進 而 抑 制 PI3K/Akt/mTOR/p70S6K 通路并促進自噬,加重 SCI 的程度[52]。同樣,在脊髓損傷模型大鼠脊髓組織和缺氧缺糖誘導(dǎo)的SY-SH-5Y 細胞模型中,出現(xiàn)LncRNA 結(jié)構(gòu)家族成員2 (tectonic family member 2, TCTN2)的表達下調(diào)和microRNA-216B (miR-216B)的表達上調(diào)。過表達TCTN2 可通過靶向miR-216B-Beclin-1 通路增強自噬,從而善神經(jīng)元凋亡,減輕脊髓損傷[53]。

多種LncRNA 可通過直接調(diào)控自噬的過程影響神經(jīng)系統(tǒng)的其他疾病。Wang 等[54]證實過表達的LncRNA17 A 可促進LC3-II 的表達進而促進自噬,誘導(dǎo)神經(jīng)退變,并使GABAB 信號失活。在AD 動物模型中,LncRNANEAT1 可以與神經(jīng)前體細胞表達發(fā)育性下調(diào)4 樣 (Neural precursor cell expressed developmentally downregulated 4-like, NEDD4L) 相互作用,促進PINK1 的泛素化和降解,進而抑制依賴于PINK1 的自噬并促進 AD 的發(fā)生[55]。此外研究者用相關(guān)動物模型研究并發(fā)現(xiàn)了多種直接調(diào)控自噬參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的LncRNA。如Mai 等證實了LncRNA Lethe 通過增加LC3-II 并降低自噬蛋白SQSTM1 表達促進皮層神經(jīng)元自噬,并對膿毒癥腦損傷(sepsis-induced brain injury, SIBI)小鼠發(fā)揮保護作用[56]。另有研究表明LncRNA 漿細胞瘤變異易位1(plasmacytoma variant translocation 1,PVT1)激活細胞自噬,對糖尿病認知障礙患者海馬神經(jīng)元具有保護作用[57]。

4 總結(jié)與展望

越來越多的研究證明,LncRNA 能夠在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平以及翻譯水平影響基因的表達,廣泛參與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的生理病理過程。最近的研究顯示,LncRNA 可通過LncRNA-miRNA軸和直接作用于自噬過程兩種途徑在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用,部分LncRNA 可作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛在生物標志物和干預(yù)靶點,為我們后續(xù)的研究提供了重要的方向。然而現(xiàn)階段大部分新發(fā)現(xiàn)的LncRNA 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用仍處于基礎(chǔ)研究階段,仍需要進一步的進行臨床實驗的驗證。對LncRNA 的深入研究可為探討神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的發(fā)病機制和發(fā)現(xiàn)潛在的治療新靶點提供理論依據(jù)。