長鏈非編碼RNA與相關信號通路的研究進展

邵子益，薛琳琳，計 紅*，邵百卉，詹雪龍，牛春陽，郭景茹，李士澤，楊煥民

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 動物科技學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江職業(yè)學院，黑龍江 雙城 150111)

長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)作為一種具有200個以上核苷酸的非編碼轉(zhuǎn)錄物，其首次由OKAZAKI等[1]于2002年在小鼠全長cDNA文庫大規(guī)模測序中描述，其種類繁多，占哺乳動物基因組的80%[2]，但功能明確者甚少，曾被認為是基因組中的暗物質(zhì)。而在2007 年，RINN等[3]報道了 1 條長 2 200 bp 的功能性lncRNA 基因(HOTAIR)，并發(fā)現(xiàn) HOTAIR RNA 可與蛋白復合體 polycomb 相互作用，修飾染色質(zhì)，抑制HOX 基因的轉(zhuǎn)錄，進而調(diào)節(jié)生物體的生長發(fā)育。由于新一代高通量基因測序技術的發(fā)展與應用，近年來lncRNA受到越來越多研究者的廣泛關注，并提供了豐富的試驗依據(jù)。目前認為，lncRNA可涉及轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞內(nèi)物質(zhì)運輸和染色體重塑等重要的生物學功能，并參與細胞分化、生長發(fā)育、應激反應和疾病發(fā)生發(fā)展等多種生物學進程[4]。

盡管lncRNA在各種細胞過程中已經(jīng)成為一種關鍵的調(diào)控因子，但其在激酶信號轉(zhuǎn)導中的潛在參與仍然未知[5]。lncRNA表達的失調(diào)可能導致體內(nèi)穩(wěn)態(tài)喪失，并與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病有關。lncRNA不僅能參與X染色體失活、端粒生物學、染色體修飾以及基因組印記等多種生物學活性的調(diào)控，而且與人類各種疾病的發(fā)生發(fā)展相關。此外，大量的資料顯示其參與了哺乳動物許多重要生理、病理過程，并起到了至關重要的生物學作用[6]。有研究顯示，lncRNA是一種重要的信號通路調(diào)節(jié)因子，在轉(zhuǎn)錄時、轉(zhuǎn)錄后以及表觀遺傳學水平上調(diào)節(jié)如P53、NF-κB和MAPK等信號通路的基因表達。現(xiàn)對lncRNA與相關信號通路的生物學功能研究進展進行綜述。

1 lncRNA對基因表達的調(diào)控

lncRNA介導的基因調(diào)控機制多種多樣，這可能歸因于其與DNA、RNA或蛋白質(zhì)相互作用的能力有關。例如，lncRNAs可作為促進轉(zhuǎn)錄的信號、抑制轉(zhuǎn)錄的誘餌以及表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，最后還可以與各種蛋白質(zhì)伙伴相互作用而形成核糖核蛋白復合物的支架[7-9]。根據(jù)基因表達水平，lncRNA介導的基因表達可能在轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)生。

1.1 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控在轉(zhuǎn)錄時，lncRNA能夠受轉(zhuǎn)錄復合物或DNA元件(如參與轉(zhuǎn)錄的啟動子)的影響并與其相互作用，從而直接參與轉(zhuǎn)錄過程。lncRNA通過招募染色質(zhì)修飾酶而間接地參與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)過程，并導致了大量基因的表達或抑制。例如：根據(jù)靶蛋白的性質(zhì)，DNA結(jié)合蛋白通過與lncRNA的相互作用可以阻止蛋白質(zhì)與DNA識別元件的結(jié)合從而誘導或抑制轉(zhuǎn)錄過程。KINO等[10]研究表明，GAS5通過占據(jù)糖皮質(zhì)激素受體的DNA結(jié)合域并與DNA上的糖皮質(zhì)激素反應元件競爭，而阻止糖皮質(zhì)激素受體進入靶DNA。

此外，MELLER等[11]報道，lncRNA可以招募染色質(zhì)修飾酶，從而影響其表觀遺傳學水平的表達。其中一個顯著的例子就是HOTAIR，它通過與多克隆抑制復合物2(polycomb repressive complex 2，PRC2)的相互作用對癌癥轉(zhuǎn)移方面起著關鍵作用[12]。由于受到HOTAIR的影響，組蛋白(H3K27)的甲基化模式與基因表達會發(fā)生改變，進而促進了腫瘤細胞的侵襲。此外，HOTAIR被抑制后可以導致細胞入侵的減少。這主要是因為HOTAIR作為組蛋白修飾酶的支架而影響了特定基因的表達[13]。

1.2 轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控主要涉及mRNA的穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、亞細胞定位和翻譯調(diào)控等過程。以c-Myc為例，mRNA的轉(zhuǎn)化是轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的一種主要機制，部分通過3′-非翻譯區(qū)(3′-UTR)中的AU富集元件和ARE結(jié)合因子(如AUF1)進行的結(jié)合，因為AUF1的結(jié)合與靶基因的mRNA穩(wěn)定性有關[14]。為了驗證這一觀點，HUANG等[15]的研究表明，Linc-RoR與異質(zhì)核核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein，hnRNP)和AUF1的相互作用影響了c-Myc的穩(wěn)定性。因此，Linc-RoR參與了如c-Myc等特定基因的mRNA穩(wěn)定性的選擇性調(diào)控。

而lncRNA介導基因表達的另一種機制是翻譯調(diào)控。YOON等[16]研究顯示，lincRNA-p21作為JunB和β-catenin翻譯的抑制劑，具有強烈的依賴性。mRNA-UTRs通常作為翻譯控制的調(diào)節(jié)因子。例如，反義lncRNA(UCHL1)通過增強5′重疊感覺蛋白編碼mRNA與活性多聚體的相互作用促進UCHL1蛋白的合成[17]。HALABY等[18]研究顯示，p53的翻譯是可以通過其5′或3′UTR進行調(diào)控。除此之外，ZHANG等[19]發(fā)現(xiàn)，Linc-RoR能夠通過與磷酸化的hnRNP I相互作用來抑制p53翻譯，并阻斷其與p53 5′-UTR的相互作用。

2 lncRNA與相關信號通路的研究進展

2.1 lncRNA與NF-κB信號通路NF-κB 作為一種蛋白質(zhì)復合物，是由 p50、p65和IκB 組成的異源三聚體，可以控制轉(zhuǎn)錄的DNA、細胞存活和細胞因子的產(chǎn)生。NF-κB可以在所有動物細胞類型中存在并參與細胞對刺激的反應和介導多種生物學過程。NF-κB在調(diào)節(jié)免疫反應、炎癥反應以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展中均具有不可或缺的作用。NF-κB調(diào)節(jié)參與許多過程的基因表達，這些過程在癌癥的發(fā)生和發(fā)展中起著關鍵作用，如增殖、遷移和凋亡等[20]。

lncRNA可以直接或間接地調(diào)控多種NF-κB途徑。lncRNA-Lethe是第一個被鑒定參與調(diào)節(jié)NF-κB信號通路的lncRNA。RAPICAVOLI等[21]研究結(jié)果顯示，Lethe在調(diào)節(jié)NF-κB通路中起積極作用，并通過典型的負反饋機制參與炎癥反應?；罨腘F-κB促進了Lethe的表達，并通過與RelA相互作用直接抑制了該途徑，從而減少了各種炎癥蛋白的產(chǎn)生[21]。核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB相互作用lncRNA(NKILA)是通過分析人類乳腺癌組織中的大量lncRNA所發(fā)覺的，其通過與NF-κB信號通路作用來抑制乳腺癌的轉(zhuǎn)移。NF-κB與NKILA的負反饋在防止炎癥刺激的乳腺上皮細胞中NF-κB通路的過度活化起著關鍵作用。NKILA的表達是受NF-κB通過與NKILA的啟動子結(jié)合所影響而上調(diào)的，而大量的NKILA可以與NF-κB、IκB結(jié)合形成穩(wěn)固的復合物，為了防止IκB降解需要通過抑制IκB磷酸化所達成，從而抑制了NF-κB途徑的傳導[22]。而位于細胞核內(nèi)與lncRNA p50相關的COX-2外源RNA(PACER)，則可以直接與游離的p50結(jié)合，進而抑制同源二聚體的形成，促進異源二聚體的形成，提升轉(zhuǎn)錄增強效應，并提高COX-2的表達水平[23]。

此外，還有一些lncRNA作為下游的效應因子來間接地調(diào)節(jié)該信號通路。據(jù)報道，HOTAIR在卵巢癌中的異常表達通過抑制DNA損傷反應中的IκB-α來誘導NF-κB活化。它還可以增加NF-κB的關鍵靶基因MMP-9和IL-6的表達，并在DNA損傷反應，細胞衰老和化學療法抗藥性中發(fā)揮重要作用[24]。ZHANG等[25]研究結(jié)果顯示，HOTAIR在類風濕關節(jié)炎(RA)中是通過提高增殖速率和抑制炎癥反應所表現(xiàn)保護作用，這可能與miR-138的表達和NF-κB信號通路的調(diào)節(jié)呈相關性。MALAT1可以通過與p65-p50異源二聚體相互作用來抑制下游TNF/IL-6的表達。生物信息學分析表明，MALAT1在上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中影響NF-κB/RelA的活性。lncRNA功能性基因間重復RNA元件(FIRRE)與OGD/R損傷相關。基于分子生物技術，證明了FIRRE可以激活NF-κB信號通路。此外，NF-κB的活化對經(jīng)OGD/R處理的腦小膠質(zhì)細胞中FIRRE的表達產(chǎn)生促進作用。因此，F(xiàn)IRRE和NF-κB形成一個正反饋環(huán)，以促進NLRP3炎性小體，從而促進了腦小膠質(zhì)細胞的OGD/R損傷[26-27]。

2.2 lncRNA與P53信號通路在正常細胞中，腫瘤抑制因子p53能夠保持在無法檢測到的低水平狀態(tài)。響應激活信號(例如DNA損傷)而穩(wěn)定的蛋白質(zhì)會導致p53水平快速升高，并隨后抑制細胞生長[28]。而在這其中，lncRNA在p53調(diào)控途徑中也起到了非常重要的作用。

SCHMITT等[29]證明，DNA損傷受p53介導的影響下使lncRNA-DINO的轉(zhuǎn)錄發(fā)生激活。lncRNA-DINO通過參與p53依賴的基因表達、細胞周期停滯和細胞凋亡以響應DNA損傷。在沒有DNA損傷的情況下，DINO的過表達可以有效地激活DNA損傷反應途徑和細胞周期停滯。相反，當抑制DINO的表達時，細胞對p53信號的反應則減弱。DINO與p53蛋白的相互作用，增加其穩(wěn)定性并介導p53自動擴增環(huán)。通過敲除小鼠體內(nèi)的DINO基因或滅活啟動子可抑制p53信號傳導，并緩解體內(nèi)急性放射綜合征。反饋環(huán)是經(jīng)可誘導的lncRNA通過其同源轉(zhuǎn)錄因子所產(chǎn)生的，其作用是使細胞信號網(wǎng)絡得以放大。lncRNA能夠調(diào)節(jié)p53，并影響細胞周期進程。而p53的降解則是MDM2通過泛素-蛋白酶體途徑發(fā)生的。在翻譯水平上，MDM2與異質(zhì)核核糖核蛋白Ⅰ(hnRNPⅠ)的相互作用使p53的活性直接受到抑制。lncRNA-ROR攜帶一個hnRNPⅠ結(jié)合結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域作用于p53 mRNA的5′-非翻譯區(qū)以抑制p53的翻譯，從而抑制p53介導的細胞周期停滯和凋亡。阿霉素治療后p53的誘導增加ROR的表達水平，p53的異位表達誘導ROR的產(chǎn)生，從而導致ROR-p53的自主調(diào)控反饋回路[30]。

某些天然反義轉(zhuǎn)錄物是重要的lncRNAs，可與互補RNA配對形成反義雙鏈RNA，其能夠引起靶mRNA的降解或翻譯抑制。例如，lncRNA-Wrap53是p53的天然反義轉(zhuǎn)錄物。高度保守的Wrap53可調(diào)節(jié)內(nèi)源性p53 mRNA水平，并通過靶向p53 mRNA的5′-非翻譯區(qū)進一步誘導p53蛋白表達[31]。DNA損傷活化P21相關非編碼RNA(p21-associated lncRNA DNA-damage activated，PANDA)是一種位于CDKN1A-TSS基因上游約5 kB處的lncRNA，由特異性DNA損傷誘導。PANDA也是一種p53相關的調(diào)節(jié)性lncRNA，參與細胞周期進展和凋亡[32]。lncRNA的異位表達與許多疾病過程有關，不過其潛在的分子機制尚不完全清楚。

2.3 lncRNA與NOTCH信號通路Notch信號通路對細胞的分化、凋亡或增殖等各種影響高度依賴于信號強度和細胞環(huán)境，在許多組織和細胞類型的正常發(fā)育中起關鍵作用。由于在分化、存活或增殖調(diào)控中的擾動是惡性轉(zhuǎn)化的基礎，因此Notch信號可能以幾種不同方式促進癌癥的發(fā)展[33]。其中，lncRNA對Notch相關分子的功能和基因表達有較強的影響，可影響腫瘤等疾病的易感性，可作為潛在的生物標志物和治療靶點[34]。

T細胞急性淋巴細胞白血病(T-ALL)是未成熟T細胞中的一種侵襲性腫瘤。在T-ALL 中，lncRNA-LUNAR1的上調(diào)表達可以通過NOTCH通路的活化來增加，并通過順勢激活(cis)的方式維持高表達水平的胰島素樣生長因子受體1(insulin-like growth factor 1，IGF1R)，從而使細胞增殖加快。因此IGF1R是Notch1的靶點，Notch1信號轉(zhuǎn)導是維持T-ALL細胞IGF1R高水平表達的必要條件[35]。TRIMARCHI等[36]認為，由于Notch調(diào)控的lncRNA-LUNAR1具有增強IGF1R的能力，因此它們需要在體內(nèi)和體外進行有效的T-ALL增殖，從而證實lncRNA是Notch信號傳導途徑的重要下游靶標，另外它們是T-ALL中致癌狀態(tài)的關鍵調(diào)節(jié)劑。

除此之外，在T-ALL中，NALT表達的增加顯著促進了細胞增殖。當T-ALL發(fā)病后，lncRNA-NALT會受到NOTCH通路的影響，其表達水平也是明顯升高的，并隨后通過轉(zhuǎn)錄激活的方式顯著促進細胞惡性增殖[37]?；罨腘otch1能夠誘導特定的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞系中的lncRNA-TUG1發(fā)生表達，在膠質(zhì)瘤干細胞內(nèi)促進干細胞的自我更新，提示NOTCH信號通路參與干細胞干性維持的調(diào)控作用。在細胞質(zhì)中，miR-145經(jīng)TUG1誘變后能夠?qū)毎晕腋庐a(chǎn)生促進作用。在細胞核中，TUG1通過募集多梳狀復合物與YY1結(jié)合，從而允許位點特異性H3K27組蛋白甲基化，從而抑制基因突變。此外，將TSG1與反義寡核苷酸靜脈內(nèi)給藥可在體內(nèi)誘導神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細胞系的分化，并有效抑制其增殖[38]。

2.4 lncRNA與MAPK信號通路細胞增殖分化、轉(zhuǎn)化和凋亡等過程均能被MAPK信號通路所調(diào)控。MAPK途徑與包括炎癥和腫瘤在內(nèi)的各種疾病的發(fā)生均相關。MAPK信號傳導主要包括4個途徑：ERK、JNK/SAPK、P38和ERK5/BMK1。這些途徑可以被不同的刺激激活，并且這些途徑之間存在廣泛的串擾，導致它們之間的相互協(xié)同或抑制。作為重要的調(diào)控基因，許多l(xiāng)ncRNA已經(jīng)被證實可以調(diào)控MAPK通路[39]。

WANG等[40]研究結(jié)果表明，miR-181a受SNHG12沉默而上調(diào)來抑制MAPK1和MAP2K1的表達，從而通過降低磷酸化的MAPK1(p-MAPK1)、磷酸化的MAP2K1(p-MAP2K1)和Slug水平來抑制MAPK/Slug途徑。KONG等[41]認為，lncRNA-XIST通過microRNA發(fā)揮作用來影響途徑的激活。XIST通過靶向miR-194-5p樣ceRNA并降低其表達來調(diào)節(jié)MAPK1。沉默的XIST抑制肝癌細胞的增殖并降低其侵襲性。

單獨的肺腺癌轉(zhuǎn)錄本1(MALAT1)的過表達顯著增加了p38/MAPK和NF-κB的水平。據(jù)報道，MALAT1通過激活p38/MAPK/NF-κB介導心力衰竭的發(fā)展和炎癥反應。此外，在敗血癥的炎癥反應中，p38/MAPK/NF-κB可能在MALAT1信號的下游[42]。也有研究顯示，H19過度表達可導致p38和p65的升高，MAPK和NF-κB信號通路的關鍵因素分別是p38和p65，提示lncRNA H19可激活HUVEC和VSMC中的MAPK和NF-κB信號通路，說明lncRNA H19具有促進血管平滑肌細胞遷移的作用。MAPK和NF-κB信號通路均參與動脈粥樣硬化的調(diào)節(jié)[43]。

3 總結(jié)與展望

到目前為止，lncRNA 與相關信號通路的生物學功能研究提高了我們對細胞生物學調(diào)控網(wǎng)絡的理解，尤其是在腫瘤方面。然而在許多類型的癌癥和慢性疾病中，lncRNA的差異表達已經(jīng)揭示了lncRNA相互作用的復雜分子機制。盡管lncRNA目前作為治療癌癥的潛在靶標處于研究的早期階段，但某些小分子lncRNA已作為靶向藥物進入臨床試驗。預計在不久的將來會有更多與各種信號通路相關的lncRNA被識別出來。預期lncRNA的靶向治療將會在臨床上的應用變得廣泛，改善生活質(zhì)量并延長患者的生存期。因此，lncRNA可以更好地被研究，并有助于癌癥和其他疾病的診斷、治療和預后。