宿主lncRNA在病毒感染中的作用研究進(jìn)展

王 晨，杜彥廷，張 瑩

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院/東北畜禽疫病研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110866)

人類基因組計(jì)劃是20世紀(jì)末至21世紀(jì)初最宏偉的基因工程，長鏈非編碼RNA(long non-coding RNAs，lncRNA)作為一種新發(fā)現(xiàn)的具有生物調(diào)控重要作用的關(guān)鍵因素，近年來受到了廣泛的關(guān)注。多種多樣的lncRNA已經(jīng)牽涉到一系列的發(fā)育過程和疾病中，但其作用機(jī)理尚未完全知曉，其功能作用仍存在較多爭議。本文綜述了宿主lncRNA的功能及在病毒感染中的作用，以期為研究宿主lncRNA在病毒感染中的作用提供參考。

1 lncRNA概述

1.1 lncRNA定義與分類

長鏈非編碼RNA(lncRNA)是轉(zhuǎn)錄本長度大于200個核苷酸的非編碼RNA，無開放閱讀框，沒有可識別的蛋白質(zhì)編碼能力，并且有可能主要作為RNA分子發(fā)揮作用[1]。通常情況下，與mRNA結(jié)構(gòu)幾乎相同，但與mRNA相比，lncRNA具有較強(qiáng)的組織特異性、不易表達(dá)和保守性差的特點(diǎn)[1]。lncRNA可以分為5大類：(1)正義型(sense)，另一個轉(zhuǎn)錄本的一個或多個外顯子分別重疊在相同的鏈上；(2)反義型(antisense)，另一個轉(zhuǎn)錄本的一個或多個外顯子分別重疊在相反的鏈上；(3)雙向型(bidirectional)，相鄰的編碼轉(zhuǎn)錄本在相反的鏈上的表達(dá)是在接近基因組的情況下啟動的；(4)內(nèi)含子型(intronic)，完全來源第二個轉(zhuǎn)錄物的內(nèi)含子或可能代表pre-mRNA序列；(5)基因間型(intergenic)，位于兩個基因之間的基因組間隔之內(nèi)[2]。

1.2 lncRNA產(chǎn)生機(jī)制

lncRNA是由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄、剪接，經(jīng)過加帽和加尾形成的，其結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)典的mRNA結(jié)構(gòu)，但因其缺乏閱讀框，所以不編碼蛋白質(zhì)。通常認(rèn)為lncRNA是由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄的，具有一個或多個內(nèi)含子，可以通過剪接消除，并且一些內(nèi)含子可能在其3′端被聚腺苷酸化。lncRNA也可以從獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄本、增強(qiáng)子、啟動子和其他基因的內(nèi)含子及其他基因的反義鏈中產(chǎn)生。目前，對于lncRNA的產(chǎn)生機(jī)制尚不明確，主要有以下幾種觀點(diǎn)：(1)蛋白編碼基因的開放閱讀框破壞，并被轉(zhuǎn)化為功能性lncRNA，且該lncRNA可與前期編碼序列結(jié)合；(2)染色質(zhì)重組之后，兩個已經(jīng)分離完全且未進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的序列區(qū)域并列排列，進(jìn)而產(chǎn)生具有多個外顯子的lncRNA；(3)通過逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座的作用，非編碼基因可以進(jìn)行復(fù)制進(jìn)而產(chǎn)生功能性lncRNA[3]；(4)在非編碼RNA內(nèi)出現(xiàn)相鄰的重復(fù)序列，而在重復(fù)序列的重復(fù)復(fù)制中可產(chǎn)生lncRNA[4]；(5)在基因中插入轉(zhuǎn)錄元件后會產(chǎn)生功能性lncRNA[5]。

1.3 lncRNA的功能

部分lncRNA可作為亞核結(jié)構(gòu)的支架，還可控制蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)或翻譯后修飾。lncRNA 可調(diào)節(jié) mRNA 的穩(wěn)定性及翻譯情況進(jìn)而調(diào)控基因的活性[6]。在病毒感染方面(表1)，lncRNA對病毒的遺傳穩(wěn)定有重要作用，同時還可影響病毒感染后宿主細(xì)胞先天性免疫反應(yīng)的產(chǎn)生[7]。例如，IFN誘導(dǎo)的lnc-Lsm3b可以在先天免疫應(yīng)答的后期使RIG-I失活[8]，而lncRNA-ACOD1通過調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝來促進(jìn)病毒復(fù)制[9]。另外，lncRNA-NRAV通過抑制干擾素刺激的基因轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)抗病毒應(yīng)答[10]，以及l(fā)nc-ISG20通過增強(qiáng)ISG20表達(dá)來抑制甲型流感病毒復(fù)制[11]。

表1 lncRNA對病毒復(fù)制的調(diào)控機(jī)制

2 宿主lncRNA影響病毒復(fù)制機(jī)制

2.1 宿主lncRNA通過天然免疫反應(yīng)影響病毒復(fù)制

天然免疫系統(tǒng)(innate immune system)是生物體在長期種系進(jìn)化中逐漸形成的天然免疫體系，天然免疫應(yīng)答(innate immune response)則是機(jī)體固有免疫細(xì)胞和分子在識別病原體及其產(chǎn)物或體內(nèi)衰老損傷、畸變細(xì)胞等抗原性異物后，迅速活化有效吞噬殺傷、清除病原體或體內(nèi)“非己”抗原性異物產(chǎn)生非特異性免疫防御、監(jiān)視、自穩(wěn)等保護(hù)作用的過程[12]。

2.1.1 IFN介導(dǎo)的天然免疫應(yīng)答 Ⅰ型干擾素(IFN-I)是天然免疫反應(yīng)中的關(guān)鍵成員，可發(fā)揮重要的抗病毒作用。在病毒感染的過程中，主要由胞內(nèi)的PRR視黃酸誘導(dǎo)基因I(RIG-I)識別由病毒RNA在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時所產(chǎn)生的5′-pppssRNA等產(chǎn)物，并通過接頭分子MAVS募集并活化TANK結(jié)合激酶1(TBK1)分子，最終通過磷酸化的干擾素調(diào)節(jié)因子 3(IRF3)分子入核促進(jìn)IFN-1產(chǎn)生[13]。

在IFN-I介導(dǎo)的天然免疫應(yīng)答產(chǎn)生過程中，RIG-I作為識別病毒RNA復(fù)制產(chǎn)物的重要物質(zhì)，其水平與活性也受到lncRNA調(diào)節(jié)。lncRNA ITPRIP-1和lnczc3h7a可調(diào)節(jié)特定核酸傳感器的活性，它們分別增強(qiáng)MDA5和RIG-I的活性；lnc-Lsm3b或lncATV可阻斷RIG-I發(fā)出信號[14]。HCV病毒載量和感染時間受到ITPRIP-1的依賴性誘導(dǎo) 。lncRNA ITPRIP-1能夠增加MDA5和MAVS的表達(dá)以促進(jìn)IRF3的激活，進(jìn)而對IFN途徑激活并影響丙型肝炎病毒 (Hepatitis C virus，HCV)復(fù)制[15]。與lncRNA ITPRIP-1不同，lncRNA NEAT1降低RIG-Ⅰ的水平是通過將轉(zhuǎn)錄阻遏物SFPQ重定位至副斑點(diǎn)，促進(jìn)RIG-Ⅰ、DDX60、IFN-β和IL-8的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)宿主對漢坦病毒(Hantaan virus，HTNV)、禽流感病毒(Avian influenza virus，AIV)、單純皰疹病毒(Herpes simplex virus，HSV)的抗病毒作用[16]。

在RIG-Ⅰ識別病毒RNA復(fù)制產(chǎn)物后，還通過接頭分子MAVS募集并活化TANK結(jié)合激酶1(TBK1)分子，進(jìn)而磷酸化和激活I(lǐng)FN合成途徑中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子IRF3，而lncRNA可調(diào)節(jié)細(xì)胞接頭因子活性并調(diào)控IRF3的磷酸化。

lncRNA-155由RIG-1和TLR3依賴性先天免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，可受到禽流感病毒(Avian influenza virus，AIV)、仙臺病毒(Sendai virus，SeV)、番鴨呼腸孤病毒(Muscovy duck reovirus，MDRV)和單純皰疹病毒(Herpes simplex virus,HSV)等多種病毒的誘導(dǎo)，并且破壞A549細(xì)胞中的lncRNA-155表達(dá)會削弱抗lncRNA-155的AIV抗病毒應(yīng)答。lncRNA-155缺乏會抑制免疫細(xì)胞因子和ISG的產(chǎn)生，敲除lncRNA-155的動物中對AIV感染的敏感性增加[17]。有研究表明，缺失miR的lncRNA-155可抑制PTP1B，進(jìn)而抑制MyD88和TRIF的激活，并影響MAPK、NF-κB、IRF3與IFN的反應(yīng)[18]。

lncRNA Malat1作為IFN-Ⅰ產(chǎn)生的負(fù)調(diào)節(jié)劑，廣泛存在于細(xì)胞核中，但在流感病毒感染后表達(dá)水平顯著下調(diào)。Liu W等發(fā)現(xiàn)lncRNA Malat1直接與細(xì)胞核中的反應(yīng)活性DNA結(jié)合蛋白(TDP43)結(jié)合，并通過阻止活化的caspase-3介導(dǎo)的TDP43裂解為TDP35來阻止TDP43的激活。裂解的TDP35通過結(jié)合和降解Rbck1增加了核IRF3蛋白水平，從而選擇性促進(jìn)抗病毒IFN-Ⅰ的產(chǎn)生。Malat1的缺乏增強(qiáng)了體內(nèi)抗病毒的先天應(yīng)答，并伴隨著IFN-Ⅰ產(chǎn)生的增加和病毒載量的減少[19]。影響核IRF3蛋白水平的還有l(wèi)ncA02830，lncA02830是存在于PRV-II感染細(xì)胞中的功能性lncRNA，lncA02830的低表達(dá)可顯著上調(diào)IRF3、IFNβ和MX1的轉(zhuǎn)錄水平，并抑制PRV-Ⅱ的復(fù)制[20]。

與lncRNA Malat1不同，部分lncRNA可與細(xì)胞內(nèi)其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用。KSHV的RNA的產(chǎn)生部分取決于lncRNA PAN RNA，而 PAN RNA可與胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子IRF-4作用，抑制宿主的天然免疫應(yīng)答反應(yīng)，若PAN RNA缺乏，病毒將無法完成復(fù)制[21]。HUANG X等將傳染性法氏囊炎病毒(Infectious bursal disease virus ,IBDV)感染DF-1細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)lncRNA loc107051710正調(diào)節(jié)的表達(dá)IRF8，并可充當(dāng)抗病毒相關(guān)IFN-α、IFN-β、STAT1、STAT2、OAS、Mx1和PKR的正轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。lncRNA loc107051710的下調(diào)，通過減少干擾素的產(chǎn)生而增強(qiáng)了IBDV的復(fù)制[22]。

同時，lncRNA可作為宿主先天免疫反應(yīng)的正向調(diào)節(jié)劑參與反應(yīng)，Bin Zhou等發(fā)現(xiàn)lnc-EPAV缺陷型小鼠IFN-I表達(dá)水平降低，經(jīng)過內(nèi)源性反轉(zhuǎn)錄病毒(Endogenous retroviruses，ERV)攻毒后發(fā)現(xiàn)，lnc-EPAV缺陷型小鼠病毒載量和死亡率增加，其機(jī)制是lnc-EPAV通過競爭性結(jié)合并取代SFPQ來促進(jìn)RELA的表達(dá)，而RELA是一種在抗病毒應(yīng)答中起關(guān)鍵作用的NF-κB亞基[23]。

2.2.2 NF-κB信號通路 NF-κB通路廣泛地存在于各種真核細(xì)胞中，參與多種病理和生理過程，NF-κB 的活化在病毒感染中也有重要作用，有研究表明，乙型肝炎病毒 (Hepatitis B virus，HBV)、人類皰疹病毒(Epstein-Barr virus，EBV)、人類免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus，HIV)等多種病毒均可通過介導(dǎo) NF-κB 信號通路，促使病毒在宿主體內(nèi)復(fù)制轉(zhuǎn)錄[24]。

關(guān)于參與NF-κB 信號通路的天然免疫應(yīng)答的lncRNA的種類眾多，Hong Wang等發(fā)現(xiàn)lncRNA NKILA通過抑制HIV-1 LTR啟動子活性以NF-κB依賴性方式有效抑制HIV-1復(fù)制。lncRNA NKILA表達(dá)消除了p65在HIV-1 LTR中復(fù)制的NF-κB結(jié)合位點(diǎn)的募集。破壞NF-κB抑制作用的lncRNA NKILA突變體也失去了抑制HIV-1復(fù)制的能力。為促進(jìn)病毒復(fù)制，HIV-1感染或重新激活顯著下調(diào)了T細(xì)胞中l(wèi)ncRNA NKILA的表達(dá)。lncRNA NKILA的下調(diào)主要是由于HIV-1感染降低了lncRNA NKILA啟動子上組蛋白K27的乙?；潭?，從而阻止了NKILA的表達(dá)[25]。王琪研究表明，AIV感染A549細(xì)胞后lncRNA-TSPOAP1-AS1的表達(dá)量顯著上調(diào)，且lncRNA-TSPOAP1-AS1的表達(dá)依賴于NF-κB細(xì)胞通路的激活[26]。

眾多數(shù)據(jù)表明，lncRNA影響病毒的復(fù)制作用機(jī)制并不是單一存在的，例如前文提到的lnc-EPAV，lnc-EPAV不僅僅提高感染EPAV小鼠IFN-I表達(dá)水平，還可促進(jìn)在抗病毒應(yīng)答中起關(guān)鍵作用的NF-κB亞基SFPQ的表達(dá)水平[23]。此外，Betty Lau等發(fā)現(xiàn)，在HCMV感染過程中，RNA1.2可影響NF-κB活性和水平，同時抑制NF-κB活性可減少RNA1.2突變體轉(zhuǎn)染細(xì)胞的IL-6的產(chǎn)生，NF-κB依賴性細(xì)胞因子和趨化因子釋放中發(fā)揮作用，從而影響下游的免疫反應(yīng)，進(jìn)而影響病毒的復(fù)制[27]。

2.3 宿主lncRNA直接參與病毒復(fù)制

在病毒復(fù)制過程中宿主lncRNA發(fā)揮重要作用，宿主細(xì)胞受到病毒感染后，宿主免疫反應(yīng)相關(guān)lncRNA的表達(dá)水平受到影響，進(jìn)而影響病毒在宿主體內(nèi)細(xì)胞的復(fù)制，使之達(dá)到利于病毒增殖和生存的狀態(tài)，但是少數(shù)宿主lncRNA也可直接參與病毒的復(fù)制過程。lncRNA NEAT1作為一種核旁 lncRNA，在HIV的生命周期中起重要作用，研究發(fā)現(xiàn)HIV感染者體內(nèi)NEAT1 lncRNA表達(dá)水平顯著上升，敲低NEAT1 lncRNA會減少核散斑體，從而導(dǎo)致細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的輸出增加以及未剪接的依賴Rev的HIV-1 INS轉(zhuǎn)錄物的表達(dá)，即調(diào)控其mRNA轉(zhuǎn)錄，來抑制 HIV 的復(fù)制[28]。

2.4 宿主lncRNA通過調(diào)控細(xì)胞代謝影響病毒復(fù)制

免疫細(xì)胞發(fā)揮功能在很大程度上依賴于細(xì)胞參與的代謝途徑、激活條件和細(xì)胞微環(huán)境。與此同時，一些細(xì)胞代謝中間轉(zhuǎn)導(dǎo)物具有眾多的信號傳導(dǎo)和效應(yīng)子特性。病毒完全依靠宿主的細(xì)胞能量和分子機(jī)制進(jìn)入、增殖。眾多數(shù)據(jù)表明，在免疫中尤其是抗病毒免疫中，細(xì)胞代謝具有關(guān)鍵性作用[29]。

lncRNA ACOD1可被多種病毒誘導(dǎo)，并促進(jìn)流感病毒在小鼠和人類細(xì)胞中的復(fù)制。胞質(zhì)中的lncRNA-ACOD1直接與代謝酶谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT2)結(jié)合，增強(qiáng)其催化活性。增加病毒復(fù)制所需的關(guān)鍵產(chǎn)物重組GOT2蛋白可在lncRNA-ACOD1缺乏時增加AIV的復(fù)制，并增加致命性[9]。而β 2.7 RNA與GRIM19的結(jié)合可穩(wěn)定線粒體膜電位并導(dǎo)致持續(xù)的ATP產(chǎn)生，這對于成功完成病毒的生命周期至關(guān)重要[30]。Carla Winterling等研究顯示，在lncRNA-VIN敲低后的MDCK細(xì)胞中，AIV感染后病毒濃度滴度降低了10倍以上，并確定lncRNA-VIN通過刺激宿主細(xì)胞核來促進(jìn)病毒的復(fù)制[31]。

2.5 宿主lncRNA與其他非編碼RNA共同影響病毒復(fù)制

在宿主內(nèi)與病毒內(nèi)非編碼RNA不僅僅有l(wèi)ncRNA，還有微小RNA(microRNA，miRNA)和環(huán)狀RNA(circRNA)等，病毒的復(fù)制往往不是孤立存在的，宿主lncRNA調(diào)控的病毒復(fù)制也是如此，有研究表明，lncRNA還可與microRNA或circRNA結(jié)合，甚至三者可結(jié)合為一個復(fù)合體，從而影響病毒的復(fù)制過程。lncRNA與mRNA有時可存在相似序列，因此，lncRNA可作為ceRNA，通過相似序列誘捕miRNA，釋放mRNA，使其發(fā)揮正常的生物學(xué)功能。AIV感染后上調(diào)的lnc-ISG20是一種新型的干擾素刺激基因，lnc-ISG20作為競爭性內(nèi)源RNA結(jié)合miR-326，以減少其對ISG20翻譯的抑制進(jìn)而抑制AIV復(fù)制[32]。LI J等發(fā)現(xiàn)，在RSV感染的患者中，抗病毒應(yīng)答的負(fù)調(diào)控因子lncRNA NRAV的表達(dá)降低，而NRAV的過表達(dá)促進(jìn)了體外RSV的產(chǎn)生，這表明RSV中NRAV的降低感染是宿主抗病毒反應(yīng)的一部分。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，NRAV與囊泡蛋白Rab5c競爭細(xì)胞質(zhì)中的microRNA miR509-3p，以促進(jìn)RSV囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)并加速RSV增殖[33]。

與lncRNA NRAV不同，部分細(xì)胞lncRNA可以與miRNA相互作用。通常情況下，它們表現(xiàn)為螯合的“miRNA海綿”，并導(dǎo)致miR靶基因的上調(diào)。例如，在肝癌中高度表達(dá)的lncRNA HULC，lncRNA HULC在HCC和潛在HBV感染患者的肝臟和血清中的表達(dá)增加，并作為預(yù)后不良的標(biāo)志。 HULC單核苷酸多態(tài)性分析顯示，慢性HBV患者對HCC的敏感性降低。在影響病毒復(fù)制的同時，HULC還可以螯合miR-372，參與多種人類癌細(xì)胞凋亡、侵襲和增殖的調(diào)控[34]。

而circRNA主要通過“miRNA海綿”的作用吸附miR-NA，從而解除miRNA對其靶基因的抑制作用，間接升高靶基因的表達(dá)水平。Huang等人發(fā)現(xiàn)IBDV感染可能激活了JAK-STAT信號通路，NOD樣受體信號通路和細(xì)胞凋亡，差異表達(dá)的基因與產(chǎn)生的lncRNA-mRNA和circRNA-miRNA-mRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間存在相互作用[35]。

3 展望

隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的lncRNA被發(fā)現(xiàn)，也發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境等外界刺激下差異性表達(dá)的不同lncRNA，但對應(yīng)每一種lncRNA的具體作用機(jī)制與功能研究尚不深入。

對lncRNA在病毒感染中的作用和功能的研究仍處于初期階段，需要進(jìn)一步的研究來深入了解感染的細(xì)胞中l(wèi)ncRNA轉(zhuǎn)錄組是如何改變的，以及這些改變是如何影響病毒適應(yīng)性和細(xì)胞存活的。同時，研究表明病毒感染細(xì)胞中l(wèi)ncRNA對病毒復(fù)制有重要作用，因此lncRNA的深入研究對病毒感染以及感染后的治療具有積極作用。此外，在過去的研究中，關(guān)于宿主lncRNA通過天然免疫反應(yīng)影響病毒復(fù)制的研究較多，但是對于細(xì)胞代謝方面研究較少，因此還需要繼續(xù)研究與探索。

lncRNA在病毒感染復(fù)制的過程中發(fā)揮著重要作用，但lncRNA的作用機(jī)制研究的還不夠透徹。一些病毒lncRNA可用作治療靶標(biāo)，這對治療自身免疫性疾病、病毒感染以及癌癥可能具有重大意義。以lncRNA為切入點(diǎn)研究病毒感染與宿主的相互作用，不僅有助于全面深入了解lncRNA功能，而且有助于解析病毒的致病機(jī)制。