lncRNA與miRNA相互作用對中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的影響

趙培源 陳少昀 劉喜紅

河南中醫(yī)藥大學(xué)1醫(yī)學(xué)院，2第二臨床醫(yī)學(xué)院（鄭州 450046）

人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）是高度進(jìn)化的生物系統(tǒng)，由神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞亞型組成，它們負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)CNS 的復(fù)雜功能。人類基因組中非編碼基因占比高達(dá)98%，機(jī)體復(fù)雜性狀的差異可能即源于非編碼轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的不同［1］。非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）包括微小RNA（microRNA，miRNA）、長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和核仁小分子RNA等。miRNA 是20-23 nt 構(gòu)成的單鏈RNA，通過與靶mRNA 結(jié)合來降解或抑制其翻譯；lncRNA 是長度至少200 nt 的非蛋白編碼轉(zhuǎn)錄本，它與mRNA 穩(wěn)定性、競爭性內(nèi)源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）和翻譯活性有關(guān)［2］。特異性lncRNA 和miRNA 的動(dòng)態(tài)和時(shí)空表達(dá)參與了神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化，神經(jīng)突起生長，突觸穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和髓鞘形成等［3］，本文就lncRNA 與miRNA 的相互調(diào)控作用對CNS 發(fā)育的影響進(jìn)行介紹。

1 lncRNA 與miRNA 的相互調(diào)節(jié)作用

1.1 lncRNA 調(diào)控miRNA

1.1.1 lncRNA 作為miRNA 的來源50%的miRNA 由非編碼轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生，lncRNA 基因內(nèi)含子或外顯子中含有嵌入的miRNA 序列，可作為miRNA 前體，通過細(xì)胞內(nèi)RNA 剪接產(chǎn)生特定miRNA，并增強(qiáng)對靶mRNA 的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控。如miR-15a 位于宿主基因lncRNA DLEU2 的內(nèi)含子中，過表達(dá)DLEU2能以miR-15a 依賴方式阻止腫瘤細(xì)胞增殖［4］。lncRNA MIR155HG 外顯子中含有miR-155 基因，它能通過增強(qiáng)miR-155 的轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)喉癌細(xì)胞的增殖、遷移［5］。

1.1.2 lncRNA作為miRNA的“海綿”分子lncRNA可作為miRNA 的負(fù)調(diào)節(jié)因子，通過miRNA 應(yīng)答元件競爭性結(jié)合靶miRNA，抑制miRNA 靶基因降解，調(diào)節(jié)其表達(dá)，此即ceRNA 機(jī)制，這種競爭性結(jié)合miRNA 的作用為miRNA 海綿作用。如lncRNA SNHG1 能夠靶向miR-7，作為ceRNA 調(diào)節(jié)NLRP3，促進(jìn)小鼠腦神經(jīng)元損傷［6］；lncRNA HOTAIR 通過ceRNA 機(jī)制結(jié)合miR-126-5p，調(diào)控RAB3IP 抑制神經(jīng)元自噬并促進(jìn)神經(jīng)元死亡［7］。

1.1.3 lncRNA 與miRNA 競爭性結(jié)合miRNAlncRNA 可以競爭性地與miRNA 靶基因的3'UTR結(jié)合，來抑制miRNA 對靶基因的負(fù)向調(diào)控。如miR-485-5p 和lncRNA BACE1-AS 在β-分泌酶-1（β-secretase-1，BACE1）轉(zhuǎn)錄本的外顯子擁有共同結(jié)合位點(diǎn)，BACE1-AS 通過掩蓋BACE1 中的共同結(jié)合位點(diǎn)阻止miR-485-5p 降解BACE1，增強(qiáng)BACE1的穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)其調(diào)控作用［8］。

1.2 miRNA 調(diào)控lncRNA

1.2.1 miRNA降低lncRNA的穩(wěn)定性及表達(dá)lncRNA有著類似于mRNA 的轉(zhuǎn)錄過程，因此miRNA 能以類似調(diào)節(jié)mRNA 的方式，通過堿基互補(bǔ)配對結(jié)合靶l(wèi)ncRNA 的3'UTR，調(diào)控其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性［1］。miR-21 可以調(diào)控靶基因PTEN 和TPMl 的表達(dá)，lncRNA GAS5 與miR-21 競爭性結(jié)合能延長PTEN 和TPMl 的半衰期，而兩者結(jié)合后，miR-21 又能減弱lncRNA GAS5 的穩(wěn)定性，加速lncRNA GAS5降解。miRNA 可引起lncRNA 衰變，如miR-217 能通過Ago2 蛋白抑制lncRNA MALAT1，引起其衰變［9］。

1.2.2 miRNA增強(qiáng)lncRNA表達(dá)胞質(zhì)中的miRNA可以重新回到細(xì)胞核并調(diào)節(jié)lncRNA 的轉(zhuǎn)錄［10］。miR-140 可以促進(jìn)脂肪的生成，敲除該基因后lncRNA NEAT1 水平下調(diào)，同時(shí)脂肪干細(xì)胞成脂能力降低，研究表明miR-140 可以進(jìn)入細(xì)胞核，通過特異性結(jié)合lncRNA NEAT1，促進(jìn)NEAT1 表達(dá)，提高其核穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)脂肪生成［11］。

2 lncRNA 與miRNA 相互作用對CNS 發(fā)育的影響

CNS 發(fā)育過程中，lncRNA 與miRNA 的相互調(diào)節(jié)作用對大腦的發(fā)育和認(rèn)知能力至關(guān)重要，它們不僅參與神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、分化與凋亡，還調(diào)節(jié)神經(jīng)突起生長、突觸穩(wěn)定性和髓鞘形成等多個(gè)過程（表1）。

表1 lncRNA-miRNA 相互調(diào)控在CNS 發(fā)育中的作用Tab.1 The Roles of LncRNA-miRNA Interaction on the Development of the CNS

2.1 調(diào)節(jié)神經(jīng)干/祖細(xì)胞的增殖、分化與凋亡胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESCs）是神經(jīng)細(xì)胞分化發(fā)育的起源，miR-145 可以靶向核心轉(zhuǎn)錄因子Oct4、Sox2 抑制ESCs 分化，而linc-RoR 能以ceRNA方式競爭性結(jié)合miR-145，調(diào)節(jié)ESCs 的分化［12］。

miRNA 和lncRNA 可以維持神經(jīng)祖細(xì)胞池。研究發(fā)現(xiàn)，LncND 能作為miR-143-3p 的海綿分子，miR-143-3p 可以靶向Notch-1 和Notch-2，神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞敲除LncND 可以下調(diào)Notch-1 和Notch-2水平，促進(jìn)細(xì)胞分化為神經(jīng)元，這與Notch 在神經(jīng)元分化中的功能一致。此外，LncND 在人皮質(zhì)放射狀膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，并通過Notch 信號通路在大腦皮層擴(kuò)張過程中起到維持神經(jīng)祖細(xì)胞池的作用［13］。

LncRNA Gm21284 可作為ceRNA 結(jié)合miR-30e-3p，抑制海馬神經(jīng)干細(xì)胞的增殖，并促進(jìn)其向膽堿能神經(jīng)元分化［14］。Sox6 是關(guān)鍵的神經(jīng)分化基因，miR-96 和miR-467a-3p 都可以靶向Sox6 3'UTR，lncRNA Rik-201 和Rik-203 則以ceRNA 作用分別吸附miR-96 和miR-467a-3p，抑制其與Sox6 的結(jié)合，進(jìn)一步調(diào)節(jié)神經(jīng)分化［15］。Rik-203 還可以與miR-101a-3p 相互作用，以ceRNA 機(jī)制調(diào)控下游靶標(biāo)GSK-3β 從而促進(jìn)神經(jīng)分化［16］。LncRNA 1604在神經(jīng)分化過程中高度表達(dá)，它是miR-200c 的ceRNA，通過調(diào)控核心轉(zhuǎn)錄因子ZEB1 和ZEB2 促進(jìn)神經(jīng)分化［17］。

一些ncRNA 在膠質(zhì)細(xì)胞成熟中發(fā)揮重要作用，如沉默lncRNA UCA1 能抑制神經(jīng)干細(xì)胞向星形膠質(zhì)細(xì)胞分化并促進(jìn)其向神經(jīng)元分化，研究表明UCA1 以ceRNA 機(jī)制通過miR-1/Hes1 軸調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化［18］；miR-128-3p 在腦內(nèi)過表達(dá)能抑制神經(jīng)元分化并增強(qiáng)膠質(zhì)細(xì)胞分化，lncRNA MEG3 作為miR-128-3p 的負(fù)向調(diào)節(jié)因子通過CREB 通路促進(jìn)神經(jīng)元分化［19］。

miRNA 和lncRNA 還可以調(diào)節(jié)神經(jīng)祖細(xì)胞的凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，miR-9 可以與促凋亡基因Bcl2l11結(jié)合，抑制神經(jīng)細(xì)胞凋亡，而lncRNA TUG1 通過ceRNA 方式與miR-9 結(jié)合，促進(jìn)Bcl2l11 表達(dá)，加速神經(jīng)祖細(xì)胞凋亡［20］。

綜上所述，通過精準(zhǔn)調(diào)控ncRNA 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，靶向下游基因和通路，可以調(diào)控神經(jīng)祖細(xì)胞活性，誘導(dǎo)神經(jīng)元分化，未來可能在神經(jīng)元損傷相關(guān)疾病中作為潛在治療靶點(diǎn)。

2.2 調(diào)節(jié)神經(jīng)突起生長神經(jīng)突起的生長參與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立。Spastin 是一種調(diào)節(jié)神經(jīng)突起生長的蛋白，Spastin 表達(dá)水平受到lncRNA MALAT1/miR-30 軸調(diào)控，過表達(dá)miR-30，Spastin 表達(dá)和促神經(jīng)突起生長作用被抑制；而過表達(dá)MALAT1 能夠逆轉(zhuǎn)該抑制，MALAT1 能吸附miR-30 調(diào)節(jié)Spastin 表達(dá)，影響神經(jīng)突起生長［21］。因此，對MALAT1/miR-30/Spastin 軸的深入研究可能為治療遺傳性痙攣性截癱和其他神經(jīng)元功能障礙性疾病開辟潛在的新途徑。

2.3 調(diào)節(jié)突觸穩(wěn)定性神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，形成穩(wěn)定的突觸很重要，小腦肽1（cerebellin-1，Cbln1）是形成和維持突觸的重要分子。lncRNA Synage 在小腦中富集，其基因座與Cbln1 基因座相鄰，miR-325-3p 能同時(shí)結(jié)合Cbln1 和Synage，過表達(dá)miR-325-3p 能降低Cbln1 和Synage 的水平，證實(shí)Synage作為miR-325-3p 的海綿分子調(diào)節(jié)Cbln1 的表達(dá)從而調(diào)節(jié)小腦突觸穩(wěn)定性［22］。因此，調(diào)節(jié)Synage/miR-325-3p 信號軸可以影響突觸功能和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響神經(jīng)元的生長，針對該信號軸的治療策略將對緩解小腦神經(jīng)發(fā)育障礙具有重要意義。

2.4 調(diào)節(jié)髓鞘的形成少突膠質(zhì)細(xì)胞（oligodendrocyte，OL）形成髓鞘并確保CNS 神經(jīng)電信號的快速傳導(dǎo)。一項(xiàng)測序鑒定了在少突膠質(zhì)前體細(xì)胞（oligodendrocyte progenitor cell，OPC）分化期間高表達(dá)的lncRNA（lncOL 1-4），敲低任何一種lncRNA 均能導(dǎo)致髓鞘相關(guān)蛋白表達(dá)降低［23］。此外，miR-219在促進(jìn)OL 分化中有重要作用，而miR-219-2 基因位于lncOL4 的內(nèi)含子中，lncOL4 的敲低導(dǎo)致miR-219 下調(diào)［24］，這表明lncOL4 通過調(diào)節(jié)miR-219 控制OL 分化，調(diào)控髓鞘形成。lncRNA Gm7237 位于OPC 胞質(zhì)中，過表達(dá)Gm7237 能增強(qiáng)髓鞘堿性蛋白的水平，它通過ceRNA 機(jī)制與miR-142a 結(jié)合，調(diào)節(jié)髓鞘基因調(diào)控因子（myelin gene regulatory factor，MRF）進(jìn)而促進(jìn)CNS 髓鞘形成［25］。

OL中miRNA水平存在差異，miR-23a是OL中的小RNA 之一，miR-23a 能增強(qiáng)OL 分化，過表達(dá)miR-23a可以消除核纖層蛋白B1對OL的不良影響。miR-23a 的靶標(biāo)包括lncRNA 2700046g09Rik 和PTEN，miR-23a能上調(diào)2700046g09Rik的轉(zhuǎn)錄并抑制PTEN表達(dá)，而2700046g09Rik反過來可以延長miR-23a的半衰期。這提示了miR-23a 可能與2700046g09Rik協(xié)同作用，通過介導(dǎo)PTEN/PI3K/AKT/mTOR 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)來調(diào)節(jié)CNS的髓鞘形成［26］。

綜上所述，lncRNA-miRNA 調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在OL 分化和髓鞘形成中有著獨(dú)特的表達(dá)模式，突出了ncRNA 在神經(jīng)退行性疾病如多發(fā)性硬化和阿爾茨海默病中作為促進(jìn)髓鞘再生分子療法的治療潛力，尤其是干預(yù)OL 中特異性表達(dá)的ncRNA 對其他細(xì)胞類型影響較小，未來將降低該療法可能引起的副作用。

3 展望

lncRNA/miRNA 在CNS 中相互作用的深入研究有助于完善對復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識。目前ceRNA 仍是lncRNA-miRNA 相互作用在CNS 發(fā)育中的主要調(diào)控機(jī)制，未來可以通過空間轉(zhuǎn)錄組測序和單細(xì)胞測序等新方法獲取對于ncRNA 時(shí)空差異性表達(dá)的信息。然而目前在海量測序數(shù)據(jù)中識別lncRNA-miRNA 相互作用仍較困難，最近研究提出lncRNA 和miRNA 關(guān)聯(lián)預(yù)測的計(jì)算模型，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)健性［27］，但仍需更多的基礎(chǔ)研究明確ncRNA 的確切機(jī)制；另外，將反義寡核苷酸和siRNA 有效遞送到大腦以調(diào)控ncRNA 的水平將是未來RNA 靶向治療的重要研究方向。揭示lncRNA 與miRNA相互作用并開發(fā)相應(yīng)的口服腦滲透劑靶向藥物將對CNS 發(fā)育異常及退行性疾病的治療產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。