長鏈的非編碼RNA生長停滯特異性轉(zhuǎn)錄本5在骨關(guān)節(jié)炎中的研究進(jìn)展

張曉彤，郝婧婧，李芳，紀(jì)斌平，張芳芳

作者單位：1山西醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030000；

2山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院風(fēng)濕免疫科，山西 太原 030000；

3山西華晉骨科醫(yī)院骨科，山西 太原030400

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis，OA）是一種可致殘的慢性、退行性疾病。據(jù)估計，全世界有3 億人患有OA［1］。作為最常見的關(guān)節(jié)炎，OA 與多種危險因素有關(guān)，大體可分為兩類：關(guān)節(jié)因素，如創(chuàng)傷、異常機(jī)械應(yīng)力及對線不良，以及非關(guān)節(jié)因素，如衰老、肥胖、性別和遺傳，在以上一系列因素的獨(dú)立或相互作用下，機(jī)體出現(xiàn)代謝異常、關(guān)節(jié)內(nèi)穩(wěn)態(tài)破壞、氧化應(yīng)激、免疫紊亂及炎癥等異常反應(yīng)而導(dǎo)致OA 的發(fā)生。關(guān)節(jié)疼痛、僵硬及腫脹為其典型癥狀，隨著病情的發(fā)展，關(guān)節(jié)活動性和功能終將喪失。隨著老齡化進(jìn)程的加快和預(yù)期壽命的延長，未來OA 的患病率將不斷增加，這不僅加重了人類的健康負(fù)擔(dān)，甚至對衛(wèi)生系統(tǒng)及社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大影響。

長鏈的非編碼RNA（long noncoding RNA，LncRNAs）是由RNA 聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄而成，具有高度保守性的長度≥200 個核苷酸的核糖核酸。在過去，lncRNAs 被認(rèn)為是在功能上不能定性的“暗物質(zhì)”。然而，LncRNAs 通常位于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，經(jīng)轉(zhuǎn)錄后修飾，在眾多生物學(xué)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，比如調(diào)控表觀遺傳、調(diào)節(jié)基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄、組織蛋白復(fù)合物、傳遞細(xì)胞間通訊以及參與核亞結(jié)構(gòu)的形成。研究報道，lncRNAs 是多種慢性疾病發(fā)病機(jī)制中的關(guān)鍵參與者，例如癌癥、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?-3］。先前還有研究表明，大量的lncRNAs 參與了OA的主要病理過程［4］。一項研究利用Illumina測序平臺在OA 軟骨中檢測出多種差異性表達(dá)的lncRNAs，其中包括Lnc RNA 生長停滯特異性轉(zhuǎn)錄本5（growth arrest-specific 5，Gas5）［5］。可見LncRNA Gas5 是影響OA 發(fā)生發(fā)展的重要物質(zhì)?，F(xiàn)對LncRNA Gas5 在OA 中的研究進(jìn)行綜述，為OA 的分子機(jī)制提供參考依據(jù)。

1 LncRNA Gas5概述與其生理學(xué)功能

LncRNA Gas5 基因最初是從小鼠基因組DNA中分離出來的，因存在于生長停滯細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中而命名。該基因位于染色體1q25.1上，由12個外顯子和11個內(nèi)含子組成，內(nèi)含子通過剪接產(chǎn)生兩個成熟的LncRNAs（Gas5a 和Gas5b）與多個小核仁RNA（small nucleolar RNA，SnoRNAs）。盡管LncRNA Gas5 帶有一個短的開放閱讀框架，但它不能編碼蛋白質(zhì)，從而成為SnoRNAs 的宿主。由于終止密碼子的存在，沒有轉(zhuǎn)錄本被翻譯成蛋白質(zhì)，它們通過衰變途徑被降解。Gas5 的水平由其降解控制，而不是由其轉(zhuǎn)錄程度控制［6-8］。LncRNA Gas5 具有不同的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)和多種剪接形式［9］。這一特點(diǎn)尤其可以解釋LncRNA Gas5可以發(fā)揮多種生物學(xué)功能。

近年來，LncRNA Gas5 被證明與人類許多疾病有關(guān)，特別是癌癥，其表達(dá)水平在多種惡性腫瘤中下調(diào)，包括包括非小細(xì)胞肺癌、乳腺癌、肝細(xì)胞癌、食管癌、胃癌、結(jié)腸癌、胰腺癌、宮頸癌、卵巢癌、腎細(xì)胞癌。在功能上，LncRNA Gas5參與細(xì)胞增殖、凋亡、遷移、侵襲和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化以及DNA 修復(fù)。這些功能是通過 多種分子機(jī)制調(diào)節(jié)靶基因?qū)崿F(xiàn)的，比如（1）核轉(zhuǎn)錄抑制類固醇激素調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄；（2）序列結(jié)合DNA 形成RNA-DNA 三鏈復(fù)合體，觸發(fā)或抑制基因表達(dá)；（3）結(jié)合蛋白以表觀遺傳方式調(diào)控靶基因表達(dá)的啟動子組蛋白甲基化；（4）特異結(jié)合miRNAs，發(fā)揮競爭性內(nèi)源RNA 的功能，調(diào)控mRNAs 的表達(dá)；（5）通過激酶信號調(diào)節(jié)途來調(diào)節(jié)基因表達(dá)［10］。令人感興趣的是，近來越來越多的研究提示LncRNA Gas5與OA的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

2 LncRNA Gas與OA

2.1 LncRNA Gas5 與OA 的軟骨細(xì)胞凋亡參與OA 發(fā)病機(jī)制的主要過程是關(guān)節(jié)軟骨退化，軟骨細(xì)胞凋亡在其中起重要作用。在正常情況下，軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡過程在軟骨組織中以有序的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)軟骨細(xì)胞發(fā)生過度凋亡時，會發(fā)生軟骨內(nèi)部紊亂，導(dǎo)致軟骨功能異常。Blanco等［11］證明，OA 軟骨中凋亡軟骨細(xì)胞的比例明顯高于正常組織中的比例（11%比5.1%，P＜0.01），這證實了軟骨細(xì)胞凋亡與OA 相關(guān)。Gao等［12］的實驗結(jié)果顯示，Gas5在OA 病人血清和軟骨中表達(dá)上調(diào)，并通過下調(diào)miR-137 誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞凋亡和抑制其增殖。在OA的軟骨損傷中，軟骨細(xì)胞的增殖和凋亡打破動態(tài)平衡，軟骨細(xì)胞啟動自噬機(jī)制，促進(jìn)溶酶體分解受損的細(xì)胞和細(xì)胞器，抑制細(xì)胞凋亡。Ji 等［13］的研究進(jìn)一步證明，LncRNA Gas5 在OA 軟骨組織中高表達(dá)，并隨著OA 的進(jìn)展而增加。LncRNA Gas5 抑制軟骨細(xì)胞自噬并促進(jìn)其凋亡，其抑制自噬作用是通過競爭性地與miR-144 結(jié)合，調(diào)節(jié)mTOR 的表達(dá)實現(xiàn)的。此外，他們的另一研究通過雙熒光素酶檢測得到驗證，LncRNA Gas5 通過miR-34a/Bcl2 軸調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的生物學(xué)行為， miR-34a 過表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡，LncRNA Gas5 被敲除后，miR-34a 水平顯著上調(diào)，Bcl2 水平顯著下調(diào)，，從而抑制軟骨細(xì)胞凋亡［14］。研究表明，miR-21 會刺激軟骨細(xì)凋亡，并抑制一些自噬復(fù)合體的表達(dá)，而LncRNA Gas5 的異位表達(dá)能夠抑制miR-21的誘導(dǎo)［15］。在體外實驗中，當(dāng)軟骨細(xì)胞受到脂多糖刺激時，軟骨細(xì)胞凋亡顯著，而LncRNA Gas5的過表達(dá)可以通過抑制核因NF-kB 和Notch 信號通路減輕脂多糖引起的小鼠軟骨細(xì)胞細(xì)胞凋亡及炎癥反應(yīng)［16］。由此可見，LncRNA Gas5 是維持軟骨細(xì)胞正常代謝的重要物質(zhì)，可以調(diào)控不同的下游靶點(diǎn)及通路進(jìn)而調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞凋亡。

2.2 LncRNA Gas5 與OA 的軟骨基質(zhì)代謝軟骨基質(zhì)的代謝平衡是保證軟骨組織正常功能的關(guān)鍵條件。軟骨組織由軟骨細(xì)胞和軟骨基質(zhì)共同構(gòu)成。在健康關(guān)節(jié)中，軟骨細(xì)胞嵌入軟骨基質(zhì)并負(fù)責(zé)其成分的合成與分泌，基質(zhì)的主要成分是Ⅱ型膠原和蛋白聚糖。在OA 中，軟骨細(xì)胞釋放炎性細(xì)胞因子繼而誘導(dǎo)基質(zhì)降解酶基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）和金屬蛋白酶域蛋白（a disintegrin and metal- loproteinase with thrombospondinmotifs ，ADAMTS）的表達(dá)來降解軟骨ECM，進(jìn)而導(dǎo)致軟骨退變。lncRNA GAS5在調(diào)節(jié)軟骨基質(zhì)的動態(tài)平衡方面發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，LncRNA Gas5 的過表達(dá)增加了幾種MMPs 的表達(dá)水平，如MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13 和ADAMTS-4［16］，這一作用會刺激軟骨基質(zhì)降解。一項動物實驗結(jié)果表明，抑制LncRNA Gas5 的表達(dá)會下調(diào)MMP-9、MMP-13 的表達(dá)，上調(diào)金屬蛋白酶抑制劑（tissueinhibitorofmetalloprotein-ase，TIMP）-1、TIMP-3 和Ⅱ型膠原的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的動態(tài)平衡［17］。TIMP-3 被證明參與軟骨基質(zhì)的修復(fù)與重建，在OA 病人的軟骨細(xì)胞中有表達(dá)，且能抑制MMPs 對軟骨基質(zhì)的降解［18］。何小文等［19］的實驗發(fā)現(xiàn)，TIMP-3 在軟骨組織中低表達(dá)，而LncRNA Gas5 為高表達(dá)；LncRNA Gas5經(jīng)富集DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶，抑制了TIMP-3 的表達(dá)，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞膠原蛋白降解。Zheng 等［20］的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械刺激可顯著增加MMP-13 和LncRNA Gas5 的表達(dá)，促進(jìn)軟骨基質(zhì)的降解。另外，他們驗證了miR-27a 是LncRNA Gas5 的靶點(diǎn)，miR-27a 的過表達(dá)下調(diào)了MMP-13 的表達(dá)，對機(jī)械刺激誘導(dǎo)的基質(zhì)降解起到保護(hù)作用。也就是說，LncRNA Gas5 可通過調(diào)控軟骨細(xì)胞中MMP-9、MMP-13、ADAMT-5以及TIMP-3等的表達(dá)維持軟骨基質(zhì)的代謝平衡。

2.3 LncRNA Gas5 與OA 的成骨分化在正常的骨組織中，成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收通常處于動態(tài)平衡以維持骨穩(wěn)態(tài)。在OA中，成骨細(xì)胞功能失調(diào)，破壞了骨形成與骨吸收間相互作用的平衡，導(dǎo)致軟骨下硬化，骨贅形成。成骨細(xì)胞是間充質(zhì)細(xì)胞的衍生細(xì)胞，在早期骨形成和骨重建中負(fù)責(zé)成骨和礦化。多項研究顯示，LncRNA Gas5是成骨分化的重要調(diào)節(jié)因子。Li等［21］的研究表明，LncRNA Gas5 的表達(dá)與成骨細(xì)胞的分化呈正相關(guān)。從機(jī)制上講，Smad7 在成骨分化中起負(fù)向調(diào)節(jié)的作用，LncRNA Gas5 通過特異性結(jié)合和聚集UPF1，加速Smad7 的降解，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。Runx2、Col1a1 和骨鈣素是關(guān)鍵的成骨標(biāo)記基因，ALP活性是成骨的早期標(biāo)志。在Wang等［22］的實驗中，LncRNA Gas5 的上調(diào)顯著增加了Runx2、Col1a1 和骨鈣素的表達(dá)，并增加了ALP 活性和基質(zhì)礦化， 并通過海綿miR-135a-5p 正向調(diào)節(jié)FOXO1 的表達(dá)，促進(jìn)BMSCs 的成骨能力。miR-222-3p 低表達(dá)可通過 IGF- 1 / ERK 途徑和 Smad5-Runx2 信號軸促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化。郭燁等［23］的研究發(fā)現(xiàn)，人牙周膜干細(xì)胞（human periodontal ligament stem cells，PDLSCs）成骨分化后LncRNA Gas5 表達(dá)上調(diào)，LncRNA Gas5低表達(dá)的hPDLSCs中miR-222-3p表達(dá)升高，LncRNA Gas5 通過結(jié)合miR-222-3p 靶向調(diào)控hPDLSCs 成骨分化?？梢?，LncRNA Gas5 在間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化過程中起正向調(diào)控作用。間充質(zhì)干細(xì)胞具有分化多種細(xì)胞的潛能，主要是向成骨細(xì)胞分化，對調(diào)控骨組織重建和代謝有重要作用，LncRNA Gas5 有望通過靶向調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化對OA產(chǎn)生影響。

2.4 LncRNA Gas5 與OA 的治療目前OA 無法治愈，直至疾病終末期，侵入性的外科治療不可避免。因此，非常有必要研發(fā)治療OA 的有效方案，進(jìn)而阻止發(fā)病關(guān)節(jié)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)性的破壞，從而改善疾病預(yù)后。鄭若曦等［24］的實驗表明，OA 組中LncRNA Gas5 表達(dá)高于正常組，miR-21 低于正常組，MMP -3、MMP -9、MMP -13、ADAMTS -5mRNA 表達(dá)上升，經(jīng)獨(dú)活寄生湯和鹽酸氨基葡萄糖膠囊治療，MMP-3、MMP-9、MMP-13、ADAMTS-5 表達(dá)均下調(diào)，且獨(dú)活寄生湯效果優(yōu)于鹽酸氨基葡萄糖。也就是說獨(dú)活寄生湯可能通過調(diào)控LncRNAGas5/miR-21，延緩軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解，對OA 起到治療作用。與之相似，榮筋拈痛同樣經(jīng)調(diào)控LncRNAGas5/miR-21 下調(diào)MMP-3、MMP -9，上調(diào)TIMP-3、Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖的表達(dá)，延緩軟骨基質(zhì)降解，減輕軟骨組織形態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞。因此，LncRNA Gas5有望成為有效治療OA的新的靶點(diǎn)。

3 小結(jié)與展望

OA 是一種高度致殘的骨骼肌肉疾病，不僅給病人帶來極大痛苦，也給家庭及社會造成重大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前沒有特異性治療方法能夠抑制或延緩OA 的進(jìn)展，針對OA 的治療僅限于早期疾病的鎮(zhèn)痛和晚期疾病的手術(shù)關(guān)節(jié)置換。近年來，越來越多的研究證明lncRNA Gas5的異常表達(dá)與OA 緊密相關(guān)。依據(jù)上述研究結(jié)果，LncRNA Gas5 通過調(diào)控軟骨細(xì)胞凋亡、軟骨基質(zhì)代謝和成骨分化進(jìn)而影響OA 的病變發(fā)展，但具體調(diào)控機(jī)制錯綜復(fù)雜。另外，LncRNA Gas5 可能作為一種新的標(biāo)志物在OA 診斷及治療中發(fā)揮作用。LncRNA Gas5 在OA 中的研究尚處于初始階段，未來的研究領(lǐng)域?qū)⒅赜谔剿鱈ncRNA Gas5 及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在OA 發(fā)病機(jī)制中作用，尋求治療OA的有效靶點(diǎn)。