長(zhǎng)鏈非編碼RNA HOX轉(zhuǎn)錄反義RNA對(duì)成骨分化及骨性疾病影響的研究進(jìn)展

徐昌超，孫紅，，藍(lán)奉軍，吳鴻斌，楊華

隨著全基因組和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)鏈非編碼RNAs（lncRNAs）受到了越來越多的關(guān)注［1］。lncRNAs 是一類被定義為轉(zhuǎn)錄本長(zhǎng)度超過200 nt 的非編碼RNA，是一種沒有或具有低的蛋白質(zhì)編碼潛力的一種RNA［2］。它在包括但不限于細(xì)胞增殖、凋亡、分化和遷移在內(nèi)的許多生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用［3］。也可以通過組蛋白修飾、染色質(zhì)甲基化、與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合等表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后機(jī)制來調(diào)控這些許多重要的生物過程［4-5］。

HOX 轉(zhuǎn)錄反義RNA（HOX transcript antisense RNA，HOTAIR）是在RNA聚合酶Ⅱ的作用下生成有2 158個(gè)核苷酸的非編碼RNA，定位于12號(hào)染色體，包含6 232 個(gè)堿基對(duì)［6］。人類的HOX 基因家族分為四個(gè)亞家族：HOXA、HOXB、HOXC、HOXD，分別成簇分布于染色體。HOX 基因家族編碼的蛋白均具有一個(gè)由61個(gè)氨基酸組成的保守的同源結(jié)構(gòu)域，它們不僅與人類的胚胎發(fā)育密切相關(guān)，而且在成人器官和組織中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用［7］。根據(jù)相關(guān)研究，HOTAIR 是癌癥生物學(xué)中一種特征明確的致癌基因［8］，能通過抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞凋亡而在參與乳腺癌［9］、卵巢癌［10］、結(jié)腸癌［11］、肝細(xì)胞癌［12］、胃癌［13］等多種癌癥的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。而HOTAIR 在骨性疾病中的功能與作用機(jī)制的研究尚處于初步階段，但現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)HOTAIR 表達(dá)的上升或下降可以調(diào)控干細(xì)胞成骨分化［14-15］，也可以參與如骨關(guān)節(jié)炎、骨肉瘤、椎間盤退變等多種骨性疾病的發(fā)生和發(fā)展，這可能與Wnt/β-catenin，HOTAIR/miR-17-5p/SMAD7等多種通路有關(guān)。

因此，本研究就HOTAIR 對(duì)成骨分化及骨性疾病影響的研究進(jìn)展作一綜述，以期為未來骨與關(guān)節(jié)疾病的防治提供新的思路。

1 lncRNA HOTAIR 在成骨分化中的作用

間充質(zhì)干細(xì)胞中的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是一組位于中胚層的多能干細(xì)胞，能在不同條件下可分化為脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和肌細(xì)胞等多種細(xì)胞［16-17］，參與生理變化，其中成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞參與骨性疾病的發(fā)生與發(fā)展，因此，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞被認(rèn)為是治療一系列人體骨骼疾病理想的種子細(xì)胞［18-19］。

Shen等［20］研究表明HOTAIR在骨質(zhì)疏松癥病人中高表達(dá)，過表達(dá)HOTAIR 后可增減少堿性磷酸酶活性，并通過抑制Wnt 通路相關(guān)蛋白的表達(dá)來抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞的分化。Wang 等［21］研究表明骨質(zhì)疏松癥病人中HOTAIR 的表達(dá)上調(diào)，靶向抑制miR-378g，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。畢鳳江等［22］研究表明過表達(dá)lncRNA HOTAIR 能降低骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中成骨相關(guān)基因的表達(dá)，降低成脂相關(guān)基因的表達(dá)，與骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制有一定關(guān)系。畢鳳江等人研究表明過表達(dá)lncRNA HOTAIR 能降低骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中成骨相關(guān)基因的表達(dá)，降低成脂相關(guān)基因的表達(dá)，與骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制有一定關(guān)系［22］。因此，對(duì)HO?TAIR的研究有望成為改善骨質(zhì)疏松的新靶點(diǎn)。

lncRNA 在間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化過程中起表觀遺傳調(diào)控作用［23］，黃濤等［14］通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)表明ln?cRNA HOTAIR 可以抑制脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化能力，抑制脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化能力。Yuan 等［24］研究表明HOTAIR 過表達(dá)可抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化及成骨相關(guān)基因RUNX2、OCN、ALP 的表達(dá)，而增加成脂分化的表達(dá)。HO?TAIR 的過表達(dá)能促進(jìn)脂質(zhì)積累，減少成骨分化，進(jìn)而影響骨缺損的修復(fù)。Wei 等［25］研究表明HOTAIR在非創(chuàng)傷性股骨頭壞死病人中表達(dá)增加，抑制HO?TAIR表達(dá)導(dǎo)致miR-17-5p表達(dá)增加，miR-17-5p的靶基因SMAD7的表達(dá)也同步降低，同時(shí)成骨分化標(biāo)志物RUNX2 和COL1A1 的表達(dá)均提高，證實(shí)了HO?TAIR抑制miR-17-5p在非創(chuàng)傷性股骨頭壞死中發(fā)揮成骨分化和增殖的作用。其次，miRNAs 是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的小的非編碼內(nèi)源性核糖核酸。LncRNAs可以通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)微小核糖核酸，主要是通過作為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源性微小核糖核酸海綿發(fā)揮作用，降低細(xì)胞內(nèi)可利用的微小核糖核酸水平，從而負(fù)面調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)［26］。以上的研究表明，HOTAIR 能通過多種途徑調(diào)控成骨分化過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨代謝平衡，影響骨性疾病。

2 HOTAIR 在骨性疾病中的作用

隨著老齡化的發(fā)展，骨性關(guān)節(jié)炎（OA）、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）以及椎間盤退變（IDD）等骨性疾病的防治已成為目前世界衛(wèi)生組織亟待解決的難題之一［27-29］。近年來，已有許多研究證實(shí)lncRNAs 通過多種途徑及機(jī)制參與骨性疾病的發(fā)生、發(fā)展［5，30］。隨著lncRNAs 作用于骨代謝性疾病的深入研究，HOTAIR 受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。最新的研究表明，HOTAIR 在干細(xì)胞的成骨分化及腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)中異常表達(dá)，進(jìn)而參與OA、骨肉瘤（OS）、RA及IDD等疾病進(jìn)程［31-33］。

2.1 HOTAIR 與OA 的關(guān)系OA 是一種常見的與年齡相關(guān)的退行性疾病，涉及整個(gè)關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)周圍結(jié)構(gòu)，包括軟骨、滑膜和軟骨下骨等［27］。其特征是關(guān)節(jié)間隙變窄，肌肉力量減弱，活動(dòng)受限，甚至引起殘疾［34］。OA 主要影響50 歲以上的病人，在年齡大于65 歲的人群中發(fā)病率更高［35］。目前，OA 已經(jīng)成為一個(gè)重大的公共衛(wèi)生問題［36］。OA 的發(fā)生和發(fā)展與關(guān)節(jié)軟骨分子水平炎癥引起的軟骨損傷密切相關(guān)，近年來，已有許多研究表明lncRNAs 在OA 的發(fā)生和發(fā)展中起重要作用［37-39］。與軟骨細(xì)胞炎癥相關(guān)的lncRNA PACER 在OA 中表達(dá)下調(diào)，lncRNA PAC?ER可通過下調(diào)促進(jìn)OA的HOTAIR 來抑制軟骨細(xì)胞凋亡，從而改善OA［40］。增加我們對(duì)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制的理解可能是識(shí)別新的疾病生物標(biāo)志物或治療靶點(diǎn)以幫助治療骨關(guān)節(jié)炎的關(guān)鍵。

HOTAIR 在OA 中的過表達(dá)介導(dǎo)軟骨細(xì)胞的凋亡［31］，加速OA 的發(fā)生與發(fā)展。Yang 等［41］證明了與正常軟骨細(xì)胞相比，OA 中HOTAIR 的表達(dá)顯著升高，在OA軟骨細(xì)胞中HOTAIR 通過抑制Wnt抑制因子1（WIF-1）激活了Wnt/β-連環(huán)蛋白增加軟骨細(xì)胞的分解代謝基因表達(dá)，最終促進(jìn)軟骨降解，加重OA。有研究證實(shí)脂多糖（LPS）是與OA 發(fā)病相關(guān)的關(guān)鍵促炎性因子，暴露的LPS 可以誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞活力降低，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞凋亡增加［42］。Chen 等［43］證明HOTAIR 的過表達(dá)可負(fù)調(diào)控表達(dá)miR-17-3p，導(dǎo)致促進(jìn)成紅細(xì)胞轉(zhuǎn)化特異性易位變體1（ETV1）的過表達(dá)，導(dǎo)致軟骨細(xì)胞的細(xì)胞活力降低、細(xì)胞凋亡和炎性細(xì)胞因子內(nèi)流，而抑制了HOTAIR 后則減輕了軟骨細(xì)胞的損傷。

在另一方面，HOTAIR 在促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡的同時(shí)也可以促進(jìn)ECM 降解進(jìn)而加重OA。Hu 等［44］研究表明在骨關(guān)節(jié)炎中，miR-17-5p 的表達(dá)下調(diào)，而FUT2 基因的表達(dá)增加，HOTAIR 和FUT2 的表達(dá)通過調(diào)節(jié)Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑的活性可加重ECM 降解和軟骨細(xì)胞凋亡，這種作用可被miR-17-5p 逆轉(zhuǎn)，表明HOTAIR/miR-17-5p/FUT2 軸通過Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展。Mao等［45］研究表明沉默HOTAIR 后可以通過抑制Wnt/β-catenin途徑的激活從而降低骨關(guān)節(jié)炎大鼠的滑膜炎癥和滑膜細(xì)胞增殖，并抑制細(xì)胞凋亡。HOTAIR 在軟骨細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨組織中上調(diào)，并伴隨miR-20b 的下調(diào)以及PTEN 基因的表達(dá)增加。HOTAIR 的過表達(dá)抑制了軟骨細(xì)胞的增殖，并促進(jìn)了細(xì)胞凋亡和ECM 降解，HOTAIR 可以負(fù)調(diào)控miR-20b，PTEN 是miR-20b 的靶基因。HOTAIR 可能通過miR-20b/PTEN 軸參與通過促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡和ECM 降解而影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展［46］。

HOTAIR 在骨關(guān)節(jié)炎中上調(diào)，并且上調(diào)了MMP家族包括MMP-1、MMP-3、MMP-9 的表達(dá)，并促進(jìn)軟骨細(xì)胞的凋亡加速OA 的惡化［47］。HOTAIR 的過度表達(dá)可以激活miR-130a-3p，miR-130a-3p 可抑制軟骨細(xì)胞自噬來誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡進(jìn)而加重膝關(guān)節(jié)OA，抑制HOTAIR 過表達(dá)介導(dǎo)的軟骨細(xì)胞凋亡可能是膝關(guān)節(jié)OA 基因治療的潛在機(jī)制［48］。孫強(qiáng)等［49］證明了HOTAIR 在OA 軟骨組織和軟骨細(xì)胞中明顯高表達(dá)，并能夠通過靶向結(jié)合miR-130a-3p 抑制OA 中軟骨細(xì)胞的增殖和分化而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的加重。

同時(shí)，HOTAIR還可通過促進(jìn)軟骨降解加重OA。證據(jù)表明，聚蛋白多糖酶5（ADAMTS-5）的降低可以改善軟骨退化、軟骨降解，HOTAIR 可通過增強(qiáng)腫瘤壞死因子-α 促進(jìn)ADAMTS-5 的表達(dá)，進(jìn)而加速軟骨退化、軟骨降解，進(jìn)一步惡化OA，表明抑制HOTAIR、ADAMTS-5可能是OA治療的有效靶點(diǎn)［50-53］。

綜上所述，研究表明HOTAIR 促進(jìn)了軟骨細(xì)胞的凋亡、軟骨降解，加速了OA 的發(fā)生與發(fā)展。因此，HOTAIR可能成為OA的潛在治療靶點(diǎn)。

2.2 HOTAIR 在OS 中的作用HOTAIR 作為致癌基因，主要可通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)動(dòng)力學(xué)和癌細(xì)胞行為參與癌癥的發(fā)展［8］，例如卵巢癌［9］、結(jié)腸癌［10］、肝細(xì)胞癌［11］、乳腺癌［12］、胃癌［13］以及人類其他腫瘤。病人存活率低，進(jìn)一步明確HOTAIR 在腫瘤中的作用尤為重要。骨肉瘤是常見的原發(fā)性惡性骨腫瘤之一，在青少年生長(zhǎng)突增期顯示出較高的發(fā)病率，嚴(yán)重影響［54-55］。常用的治療方法是手術(shù)聯(lián)合多種藥物化療，如順鉑、異環(huán)磷酰胺、阿霉素、甲氨蝶呤等。已有不少證據(jù)表明，多種遺傳和環(huán)境因素在OS 的發(fā)生、發(fā)展中起著關(guān)鍵作用［56-57］。Guo 等［58］研究表明，HO?TAIR在對(duì)順鉑耐藥OS組織和OS細(xì)胞中上調(diào)。該研究證實(shí)了HOTAIR 通過miR-106a-5p/STAT3 軸影響OS 細(xì)胞細(xì)胞增殖、侵襲和凋亡，增強(qiáng)了Saos2/DDP、MG-63/DDP 和U2OS/DDP 細(xì)胞的耐藥性。有研究通過體外研究發(fā)現(xiàn)HOTAIR 作為一種致癌lncRNA，可以促進(jìn)OS細(xì)胞的增殖和抑制OS細(xì)胞的凋亡［32］。

Li等［59］發(fā)現(xiàn)HOTAIR 在OS 細(xì)胞中高表達(dá)，敲除HOTAIR 后，miR-126 表達(dá)增加，DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1（DDNMT1）下調(diào)，以致DNA 甲基化水平整體下降，增強(qiáng)了CDKN2A 基因的表達(dá)，HOTAIR 通過HO?TAIR-miR-126-DNMT1-CDKN2A 軸調(diào)控OS 細(xì)胞存活和凋亡，增加OS細(xì)胞對(duì)DNMT1抑制劑的敏感性。

Zhou 等［60］在研究中發(fā)現(xiàn)，HOTAIR rs7958904 的C等位基因可以降低OS風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可降低HOTAIR的表達(dá)水平。此外，體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)HOTAIR 在OS組織中的表達(dá)明顯高于鄰近的正常組織，而rs7958904 CC基因型的受試者HOTAIR RNA水平明顯低于其他基因型。相關(guān)研究表明HOTAIR 通過表觀遺傳抑制組織非特異性堿性磷酸酶（ALPL），敲除HOTAIR可增加ALPL 啟動(dòng)子區(qū)組蛋白H3K4 甲基化水平，進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞的骨肉瘤細(xì)胞礦化［61］，這項(xiàng)研究支持了生理骨形成是由lncRNA表觀遺傳調(diào)控的觀點(diǎn)。

Li 等［62］發(fā)現(xiàn)HOTAIR 在OS 組織中的表達(dá)較正常組織顯著上調(diào)。使用特異性小干擾RNA（siRNA/siR）沉默HOTAIR，siR-HOTAIR 可抑制人骨肉瘤細(xì)胞的增殖，抑制人骨肉瘤細(xì)胞中的HOTAIR 可以顯著減少骨肉瘤細(xì)胞的遷移和侵襲。同時(shí)表明在沉默HOTAIR 之后，OS 細(xì)胞中的AKT/mTOR 信號(hào)通路及其多個(gè)下游信號(hào)被抑制，骨肉瘤的發(fā)生被抑制。Wang等［63］研究表明脂多糖可通過TLR4受體介導(dǎo)的HOTAIR 表達(dá)促進(jìn)骨肉瘤發(fā)生與發(fā)展。Wang 等［64］表明HOTAIR 在骨肉瘤中普遍過度表達(dá)，敲除HO?TAIR能明顯抑制骨肉瘤細(xì)胞的增殖，并且抑制骨肉瘤細(xì)胞侵襲，降低MMP-2 和MMP-9 的分泌，與腫瘤高組織學(xué)分級(jí)和不良預(yù)后顯著相關(guān)。綜上所述，HOTAIR 可能通過多種途徑與骨肉瘤的發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)歸均有關(guān)，因此lncRNA HOTAIR 可能成為OS的潛在治療靶點(diǎn)。

2.3 HOTAIR 在RA 中的作用類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis，RA）是一種嚴(yán)重影響人類健康的全身性自身免疫性慢性多滑膜關(guān)節(jié)炎及關(guān)節(jié)病變［29］。其特征是全身炎癥、滑膜炎、炎性關(guān)節(jié)液、關(guān)節(jié)軟骨破壞、關(guān)節(jié)損傷和骨侵蝕，常導(dǎo)致關(guān)節(jié)畸形和功能喪失［65］。Shaker等［66］通過實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)檢測(cè)血清中HOTAIR 的表達(dá)水平后發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，RA 病人血清中HOTAIR 的表達(dá)顯著上調(diào)，認(rèn)為HOTAIR 血清表達(dá)水平可作為診斷的無創(chuàng)生物標(biāo)志物。Song 等［67］研究表明類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病人外周血單個(gè)核細(xì)胞和血清中HOTAIR 的表達(dá)水平顯著升高，導(dǎo)致巨噬細(xì)胞遷移進(jìn)一步加速了RA 的發(fā)展，HOTAIR 可以通過激活RA 滑膜細(xì)胞中的MMP-2 和MMP-13 促進(jìn)RA 的發(fā)生。Zhang 等［68］證明了HOTAIR 的過度表達(dá)通過增加細(xì)胞增殖和抑制體內(nèi)外炎癥來發(fā)揮保護(hù)軟骨細(xì)胞的作用，HO?TAIR 可以靶向抑制miR-138 表達(dá)，miR-138 過表達(dá)可部分逆轉(zhuǎn)HOTAIR 過表達(dá)對(duì)軟骨細(xì)胞的保護(hù)作用，這可能與miR-138 表達(dá)和NF-kB 信號(hào)通路的調(diào)節(jié)有關(guān)。綜上所述，大多數(shù)研究表明HOTAIR 影響著類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生與發(fā)展。

2.4 HOTAIR 在IDD 中的作用椎間盤退變（in?tervertebral disc degeneration，IDD）是慢性下腰背部疼痛的主要原因。這種情況對(duì)病人生活質(zhì)量有嚴(yán)重的負(fù)面影響，同時(shí)也帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)［29］。椎間盤退變是一種涉及椎間盤細(xì)胞的細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡［69］。椎間盤組織包括中央髓核、外纖維環(huán)和軟骨終板［70］。Yu 等［33］通過實(shí)驗(yàn)表明lncRNA HO?TAIR 通過調(diào)節(jié)miR-34a/Bcl-2 軸，抑制IDD 病人的NP 細(xì)胞凋亡，進(jìn)而延緩、抑制椎間盤的退變。Shao等［71］研究表明HOTAIR 可以靶向抑制miRNA-34a-5p通過靶向Notch1基因降解來延緩NP細(xì)胞凋亡。

但是Zhan等［72］通過體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)證明了HO?TAIR 促進(jìn)NP 細(xì)胞凋亡、衰老和ECM 分解代謝。有研究通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)證明了HOTAIR 的過表達(dá)通過激活Wnt/β-連環(huán)蛋白通路，可促進(jìn)NP 細(xì)胞的衰老、凋亡和ECM 的降解加速IDD［73］。Hiyama 等［74］證明了MMP-3、MMP-9和MMP-10的表達(dá)隨著Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑的激活而增加，并促進(jìn)NP 細(xì)胞的衰老，加速IDD。綜上所述，進(jìn)一步明確HOTAIR在椎間盤退變中的作用，HOTAIR可能成為IDD的潛在治療靶點(diǎn)。

3 結(jié)論

大量研究表明，lncRNAs 是參與多種基因表達(dá)的新型調(diào)控因子。HOTAIR 參與干細(xì)胞的成骨分化過程，并與OA、OS、RA、IDD 等骨與關(guān)節(jié)疾病關(guān)系密切，對(duì)其的研究為骨與關(guān)節(jié)疾病的靶向治療提供新的可能。HOTAIR 主要通過與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合、與miRNAs 相互作用以及參與染色質(zhì)修飾等調(diào)控干細(xì)胞的成骨分化過程。研究者們已證實(shí)HOTAIR 在OA、OS 等骨性疾病的發(fā)病過程中呈現(xiàn)差異性表達(dá)。但目前關(guān)于HOTAIR 在骨相關(guān)疾病中的作用機(jī)制研究較少，仍需更深入的研究來進(jìn)一步闡明HOTAIR在骨與關(guān)節(jié)疾病中所參與的分子生物調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這也有助于臨床工作者對(duì)其在骨與關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生與發(fā)展中所起的作用有更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，可以更好地指導(dǎo)HOTAIR的臨床應(yīng)用和科學(xué)研究。