長非編碼RNA在抑郁癥中的變化特征及其意義

孫夢云，高 云

(南昌大學基礎(chǔ)醫(yī)學院生理教研室，江西 南昌 330006)

人類基因組中有超過4/5的基因是活躍轉(zhuǎn)錄的，但是，其中只有2%-3%的基因可以被翻譯成蛋白質(zhì)，這意味著人類基因組中絕大多數(shù)基因僅參與轉(zhuǎn)錄卻不參與翻譯，這部分轉(zhuǎn)錄輸出幾乎都是非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNA)[1]。根據(jù)ncRNA的序列長度可以將其分為小ncRNA和長ncRNA，后者又是ncRNA中最豐富的一類[2]。長非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)是一組缺乏編碼蛋白質(zhì)功能的核苷酸轉(zhuǎn)錄本，他們中的大多數(shù)沒有用于蛋白質(zhì)翻譯的開放閱讀框，因此幾乎不具有表達蛋白質(zhì)的能力。但是，它們可以在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后加工和翻譯等過程參與調(diào)節(jié)基因的表達。

研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的lncRNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)高表達，并參與細胞識別、應(yīng)激反應(yīng)、可塑性機制以及精神障礙的發(fā)生和發(fā)展等重要的生物學過程。LncRNA參與腦的正常生理功能的維持以及正常生理功能遭到破壞后所引發(fā)的一系列神經(jīng)精神類疾病，例如抑郁癥[3]。

遺傳因素和環(huán)境因素均與抑郁癥的易感性有關(guān)?；蚝铜h(huán)境的相互作用一直被認為會影響多種精神疾病的發(fā)生和發(fā)展，并且遺傳因素包含未知數(shù)目的基因集[4]。有報道，DNA甲基化、組蛋白修飾及染色質(zhì)構(gòu)像變化等表觀遺傳因素都參與了抑郁癥的基因失調(diào)[5]。基于檢測到lncRNA在抑郁癥患者體內(nèi)的差異性表達，提示lncRNA在一定程度上可以作為抑郁癥臨床診斷生物標志物和抗抑郁治療的潛在靶標。

1 抑郁時lncRNA在基因表達水平上的變化

非編碼RNA在整個精神類疾病基因中占很大比例。在7個精神類疾病的性狀中鑒定出的1 132個獨特基因中有132個(占27.6%)是非編碼性基因,8個風險基因中有六個是非編碼基因，其中，作為長基因間非編碼RNA的LINC00461，被認為是涉及5個精神特質(zhì)最多效性基因。敲低LINC00461，小鼠胚胎中受損的神經(jīng)元出現(xiàn)遷移，表明LINC00461參與了胚胎發(fā)育的特異性調(diào)節(jié)，進一步支持了大多數(shù)精神疾病病因的神經(jīng)發(fā)育假說[6]。在許多人類疾病中，包括重度抑郁癥(major depressive disorder，MDD)在內(nèi)，均觀察到了lncRNA的異常表達。從比較基因組學研究可知，靈長類譜系中已有1/3的lncRNA被發(fā)現(xiàn)，并且，其中約40%的lncRNA具有大腦特異性，這表明，lncRNA在維持大腦高級功能的進化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

通過利用全基因組關(guān)聯(lián)(genome-wide association，GWA)研究方法，能夠在每個基因樣本中分析出超過一百萬個單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism，SNP)，有43%的性狀-疾病相關(guān)SNP是位于基因間的，而且基因間區(qū)域的大部分變體與MDD密切相關(guān)。然而，這些基因間的變體是如何促使MDD的發(fā)生發(fā)展目前尚不清楚，與MDD相關(guān)的基因座可能通過調(diào)節(jié)lncRNA的表達來促進MDD的發(fā)病，證明基因間變體可能通過調(diào)節(jié)這些變體的lncRNA的表達來促進MDD的發(fā)病[7]。

現(xiàn)在已知人類基因組中約有49 500個獨立的lncRNA基因，其中約54%位于基因間區(qū)域[8]。最近有GWA研究的結(jié)果支持了有關(guān)lncRNA參與抑郁癥發(fā)病機制的總體假設(shè)：許多l(xiāng)ncRNA基因組的基因座和抑郁癥的發(fā)生發(fā)展有關(guān)[9],以及l(fā)ncRNA基因內(nèi)的SNP與抑郁癥風險個體有關(guān)[7]。同時 lncRNA能夠參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄、RNA加工和翻譯等過程，lncRNA可以優(yōu)先定位于細胞核，通過與染色質(zhì)修飾復合物結(jié)合后充當染色質(zhì)修飾劑的支架而完成調(diào)控任務(wù)，也可以通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合和裝配來控制其他基因的轉(zhuǎn)錄。

有臨床研究發(fā)現(xiàn)，抑郁癥患者有30%差異表達的基因是lncRNA, MDD患者的大腦組織中與突觸相關(guān)的大多數(shù)基因被下調(diào)[10]。另有研究報道，與健康對照組相比，MDD患者中l(wèi)ncRNA的表達出現(xiàn)異常改變，其中上調(diào)了1 556個，下調(diào)了441個。通過RT-PCR定量了4個上調(diào)的基因，并驗證了單個基因表達的變化。LIND00998在MDD患者外周血的表達明顯低于正常人，而LINC01108的表達明顯高于健康對照者[7]。動物實驗中，抑郁癥大鼠海馬中的lncRNA uc.80-被明顯下調(diào)，而uc.80-過表達則很好地改善了慢性輕度不可預(yù)見性溫和應(yīng)激(chronic unpredictable mild stress，CUMS)大鼠的抑郁樣行為，也有效地挽救了CUMS大鼠海馬神經(jīng)元的凋亡[11]。

表觀遺傳學將遺傳學與環(huán)境和疾病聯(lián)系起來，是指基于非基因序列改變所致基因表達水平的變化，如DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)構(gòu)象變化等[12]。劇烈的環(huán)境和行為事件可能會促使特定基因位點的表觀遺傳學變化，進而影響抑郁癥的病理改變[7]。早期有報道，MDD患者死后的腦組織以及抑郁癥模型小鼠的腦組織中觀察到表觀遺傳機制基因的表達發(fā)生了改變，這種改變很有可能是由于lncRNA與表觀遺傳調(diào)控因子相互作用而致[13]。LncRNA在后期進化階段的物種呈特異性表達，在控制表觀遺傳過程中起著關(guān)鍵作用，被認為參與了包括精神活動在內(nèi)的大腦高級功能，進而可能影響MDD，有報道證實MDD患者的表觀遺傳控制與常人不同[14-15]，可作為對此觀點的支持。

2 LncRNA的表達在抑郁癥中的性別差異

LncRNA在抑郁癥發(fā)生發(fā)展的病理生理過程中的表達顯示出明顯的性別特異性，在臨床診斷上，女性的抑郁癥患病率明顯高于男性[16]。遺傳研究發(fā)現(xiàn)，性染色體中，X染色體的失活通常會導致患者出現(xiàn)精神癥狀[17]。X染色體失活特異轉(zhuǎn)錄因子(X-inactive specific transcript，XIST)為19 kb的lncRNA，這是調(diào)節(jié)lncRNA X染色體失活(X chromosome inactivation，XCI)唯一的RNA片段。XIST在MDD患者的淋巴母細胞中明顯過表達，這可能是由于XCI缺乏引起的代償性反應(yīng)[18]。

抑郁癥患者中有30%差異表達的基因是lncRNA[10],其在女性患者中的表達更為失調(diào)，而且lncRNA對基因表達的調(diào)控作用在女性中比男性更明顯。LncRNA可以被切成片段更小的miRNA,有36種獨特的miRNA僅在女性抑郁癥患者的多個大腦區(qū)域中差異表達[19]。產(chǎn)后抑郁癥是女性特有的疾病，有臨床研究發(fā)現(xiàn)，在孕婦的胎盤中也有l(wèi)ncRNA的表達[20]。作為目前臨床上廣泛應(yīng)用的抗抑郁癥藥物，氟西汀是一種選擇性的5-羥色胺(5-hydroxytryptamine，5-HT)再攝取抑制劑，有證據(jù)表明lncRNA參與了氟西汀的作用機理，在治療效果上，女性比男性對此類藥物的反應(yīng)要好[21]。

對大腦的研究發(fā)現(xiàn)，女性的相關(guān)lncRNA-蛋白質(zhì)編碼基因(protein coding gene，PCG)對的數(shù)量比男性的要多，表明女性中l(wèi)ncRNA-PCG相互作用更強。人類神經(jīng)元中的LINC00473在女性抑郁癥患者中被下調(diào)，LINC00473可能通過影響突觸功能和內(nèi)側(cè)前額葉皮層中的轉(zhuǎn)錄譜導致女性對應(yīng)激行為反應(yīng)發(fā)生改變，同時，LINC00473在雌性小鼠中有選擇性地影響神經(jīng)元的突觸前和突觸后的功能特性，這種作用與它在控制抑郁樣行為中的性別特異性相似[10]。

3 LncRNA作為抑郁的診斷標記物

采用微陣列分析研究[22]檢測到了MDD患者中l(wèi)ncRNA的差異性表達。2 649個lncRNA被差異表達，有534個表達上調(diào)和2 115個表達下調(diào)。從其中選擇10個使用RT-PCR方法來進一步驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在MDD患者的外周血單核細胞(peripheral blood mononuclear cell，PBMC)中差異表達了8種(TCONSL200001212、NONHSAT102891、TCONS00019174、ENST00000566208、NONHSAG045500、ENST00000517573、NONHSAT034045和NONHSAT142707)。評估52名MDD患者外周血中的lncRNAgsk3βAS1-3的表達水平，分析它們與89名輕癥患者之間的臨床特征的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)：MDD患者中l(wèi)ncRNA-gsk3βAS3的表達明顯降低，lncRNAgsk3βAS2和3通過降低磷酸化水平而影響MDD的發(fā)展進程，進而發(fā)揮下調(diào)GSK3β的作用[23]。有一組研究報告指出，PBMC中下調(diào)的lncRNA比例較大[24]，而另一組報告則顯示：抑郁癥患者全血中l(wèi)ncRNA上調(diào)的比例較高[18]。

研究發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者血液中l(wèi)ncRNA存在異常,lncRNA可以作為MDD的診斷性生物標記物。例如，與健康人對照相比，在MDD患者的外周血細胞中LINC01108的表達水平顯著升高，而LINC00998的表達水平顯著下降[7]。研究發(fā)現(xiàn)[25]，相較于健康受試者，MDD患者外周血白細胞中有5種lncRNA表達水平存在差異性變化。其中，RMRP(一種核DNA編碼的lncRNA)的表達水平較低，而MER11C，PCAT1，PCAT29和Y5的表達水平較高。在抑郁癥模型小鼠的血液中檢測到RMRP的表達水平呈下降趨勢。這些結(jié)果表明了5種lncRNA(特別是RMRP)在某種程度上的潛在用途，可以作為抑郁癥的生物標記物。

4 LncRNA作為治療抑郁的靶標

由于發(fā)現(xiàn)lncRNA具有診斷抑郁癥的潛在意義，其在治療方面的研究也隨之受到重視。與差異表達的lncRNA反義并重疊的3個差異表達的基因(LY6E、IRF2和HMBOX1)均參與干擾素(interferon, IFN)信號傳導過程，IFN信號傳導過程在CNS穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)精神類疾病(包括MDD)中都發(fā)揮著重要作用[26]。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)抗抑郁藥物治療后，抑郁癥患者的血白細胞中LY6E表達明顯上調(diào)，可能提示lncRNA在抑郁癥中對IFN信號傳導有一定的影響[27]。有研究分析了在3個不同時間點(接受抗抑郁治療前，治療3周和治療6周)MDD患者的PBMC中8個lncRNA的表達情況。結(jié)果顯示，經(jīng)過6周的治療，7個下調(diào)的lncRNA的表達水平顯著上調(diào)，同時，對通路的分析表明，與差異表達的lncRNA相關(guān)的基因參與了中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。從接受抗抑郁治療的許多患者身上也證實了6種lncRNA(TCONS00019174、ENST00000566208、NONHSAG045500、ENST00000517573、NONHSAT034045和NONHSAT142707)與抗抑郁藥物的作用機理有關(guān)[22]。其中，NONHSAG045500的表達失調(diào)可能參與了5-HT傳遞功能障礙的病理改變，通過作用于MDD患者的血清素轉(zhuǎn)運蛋白SERT來發(fā)揮抗抑郁治療的作用[28]。MDD患者經(jīng)氟西汀治療后，52個上調(diào)的lncRNA和29個下調(diào)的lncRNA被逆轉(zhuǎn)表達[21]。這些研究表明lncRNA參與了抗抑郁藥物的作用機制,可以作為抗抑郁治療的潛在靶標。

5 總結(jié)和展望

作為世界范圍內(nèi)導致殘疾的主要原因，抑郁癥參保者的總醫(yī)療保健費用遠高于非抑郁癥參保者[29]。下一代測序技術(shù)從根本上改變了我們看待基因組的態(tài)度，以前被視為“垃圾DNA”的基因逐漸引起了人們的注意。人類基因組中大多數(shù)帶注釋的基因座都是非編碼的，而研究人的基因與環(huán)境的相互作用顯然是很困難的，因為在環(huán)境中存在著許多無法控制或測量的變量因素[30]。LncRNA介導的基因差異性表達和表觀遺傳調(diào)控與抑郁癥的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。另外，lncRNA在抑郁癥患者的性別上也是有明顯特異性的，基于上述可以推斷l(xiāng)ncRNA在抑郁癥方面具有診斷生物標志物和治療靶標的潛能。

目前，對于lncRNA在抑郁癥方面確切的作用機制的研究尚處于萌芽狀態(tài)；受lncRNA研究方法所限，其自身的功能特征還有待更深入地研究；抑郁癥動物模型缺乏直觀特異的檢測標準；現(xiàn)階段，絕大多數(shù)動物模型依然用的是雄性鼠，這就限制了性別差異性的研究；抑郁癥是高度異質(zhì)性疾病，這在一定程度上也給研究造成困難。隨著這些問題的解決和更多研究成果的出現(xiàn)，預(yù)計未來將改善我們對抑郁癥發(fā)病機理中l(wèi)ncRNA作用的理解，這會促使我們找到抑郁癥新穎的臨床診斷方法和治療靶標。