長鏈非編碼RNAs在人類疾病及機體發育中的作用及機制

孫牧男，許淑芬，方艷秋，譚 巖

（吉林省人民醫院 腫瘤生物治療中心，吉林 長春130021）

非編碼 RNAs（non－coding RNAs，ncRNAs），包括以miRNA、siRNA和piRNA等為代表的短小RNA 和 長 鏈 非 編 碼 RNAs （long non－coding RNAs，lncRNAs）。近20年來，ncRNAs的發現和功能研究，大大改變了人們對RNA分子的認識。ncRNAs不僅承擔了遺傳信息中間載體的輔助性角色，而且在發育和基因表達調控中發揮著復雜而精確的功能[1]。目前，關于ncRNAs在疾病發生、發展和防治中的作用已有大量文獻報導，研究主要集中于短ncRNAs在腫瘤、自身免疫病等疾病中的表達和調控作用[2]。雖然關于lncRNAs與疾病之間關聯的研究還處于起步階段，但其調控作用已經開始引起人們廣泛的關注。

1 lncRNAs概述

哺乳動物基因組序列中4%－9%的序列產生的轉錄本是lncRNAs（相應的蛋白編碼RNA的比例是1%），數量多達1000多種，長度超過200nt，可由蛋白質編碼序列轉變或去除了外顯子的基因序列轉錄而來，其表達具有組織和時空特異性[3，4]。lncRNAs起初被認為是RNA聚合酶II轉錄的副產物，不具有生物學功能。然而，近年來的研究表明，lncRNAs具有mRNA樣結構，經過剪接，具有polyA尾與啟動子結構，并在分化過程中有動態的表達與不同的剪接方式。lncRNAs上沒有編碼氨基酸的閱讀框，不編碼任何蛋白，但其能夠以RNA的形式在多種層面上調控基因的表達水平，如能夠與修飾組蛋白的蛋白復合體相互作用并影響其活性，從而控制基因的激活或抑制狀態。此外，研究發現lncRNAs能夠參與X染色體沉默，基因組印記以及染色質修飾，轉錄激活，蛋白質的核內運輸、調控生物體的胚胎發育、組織分化等多種重要的調控過程[5]。雖然近年來關于lncRNAs的研究取得了很大進展，但是大部分lncRNAs的功能仍然不明確。

2 lncRNAs在疾病中的作用

2.1 lncRNAs參與腫瘤發生發展過程

惡性腫瘤是人類健康的一大頑疾，其致癌的復雜性使得人們必須從基因水平、蛋白水平等不同角度進行探索。近期的研究表明，lncRNAs可參與多種腫瘤的發生發展過程，對腫瘤細胞周期、凋亡及轉移均具有調節作用。

Sven等[6]首次開發了在體外培養的肺癌細胞中選擇性沉默長鏈非編碼RNA的方法，將相應的信號肽序列整合到DNA中，使lncRNA MALAT1的RNA轉錄本一經形成就會立刻遭到破壞。他們把這些細胞注入小鼠，發現MALAT1缺陷型腫瘤細胞的遷移能力受到損害，更難入侵周圍組織，這些細胞在小鼠肺部形成的腫瘤遠小于對照組。同時，針對MALAT1的特異反義寡核苷酸鏈也被注入到肺癌的小鼠模型中，并成功抑制了癌轉移的形成，這些小鼠肺部的腫瘤與未用反義鏈處理的對照組相比體積更小。研究發現，MALAT1能夠調節許多與癌轉移有關的基因，其表達量與癌轉移和疾病惡化的機率成正相關，是多種肺癌的疾病進程標志，因此MALAT1已經成為了反義鏈RNA治療肺癌的潛在靶標，在阻止肺癌擴散方面具有廣闊的應用空間。

在乳腺癌的研究中發現，調控端粒酶TERT基因的lncRNAs異常表達可提高端粒酶活性，維持乳腺癌細胞的生長并抑制其凋亡[7]；乳腺癌患者中lncRNA HOTAIR則可以通過PRC2依賴的方式促進腫瘤的侵襲[8]。此外，基因超級保守區域來源的ncRNAs與人的白血病發生密切相關，而lncRNA LOC134466在Ⅱ型漿液性卵巢癌CpG島存在高達81%的甲基化，在其他不同類型的卵巢癌中僅為7.7%[9]。

2.2 lncRNAs參與對HBV的調控

乙型病毒性肝炎是導致肝癌的首要因素，乙肝病毒（HBV）表達的HBx蛋白能促肝癌的形成，但其分子機制仍不清楚。

研究人員分別對6只HBx轉基因小鼠和對照組小鼠肝臟的lncRNAs表達譜進行研究，篩選出差異表達的長鏈非編碼RNA，其中lncRNA Dreh表達量在所有年齡和性別的轉基因小鼠中都顯著下調。進一步研究發現，lncRNA Dreh能結合中間絲蛋白并抑制其表達，通過改變細胞骨架結構和形態，阻止癌細胞的轉移。同時臨床數據顯示，lncRNA Dreh在癌組織中表達量比正常組織低，并且和病人的預后相關，lncRNA Dreh表達量高的病人復發率低并且生存期長[10]。

Yang[11]等在5例感染 HBV的患者肝癌組織與5例癌旁組織樣本中找到了一個肝癌細胞高表達的lncRNA（lncRNA HEIH），并且在大量樣本（50例肝癌和正常組織，20例肝硬化組織和正常肝組織）驗證了lncRNA HEIH的特異性。通過基因共表達網絡圖和病人生存時間等臨床數據關聯分析，發現lncRNA HEIH與HBV感染型肝癌的復發有較高的相關性，可以作為一個獨立的判斷病人生存時間的預后指標。lncRNA HEIH的功能研究提示它可能通過與EZH2結合來招募PRC2，進而抑制下游靶基因的表達從而發揮其在細胞周期調控中的作用。因此lncRNA HEIH有望成為病毒型肝癌的一個新的早期診斷標志或治療靶點。

2.3 lncRNAs與其他疾病

在體內，lncRNA tie－1AS可選擇性地結合tie－1 mRNA，調控tie－1mRNA的轉錄，使內皮細胞之間發生黏附缺陷，最終導致血管類疾病的發生[12]。在阿爾茨海默病的研究中發現，lncRNA BACE1AS可增加β分泌酶mRNA的穩定性，進而增加β淀粉樣蛋白的累積[13]。位于CdKn2A基因區域的lncRNA ANRIL可以引起冠心病[14]，而lncRNA MIAT失常則可能引起心肌梗死[15]。

3 lncRNAs在機體發育中的作用

在胚胎發育過程中，多能干細胞會分化形成許多不同的組織和器官。之前的研究大多數集中于組織特異性轉錄因子對這一分化過程的調控，隨著非編碼RNA研究領域的進展，人們發現不編碼蛋白質的RNA分子也參與了上述過程，lncRNAs是胚胎發育過程必不可少的調節因子。Grote等[16]發現在心臟和腹側體壁祖細胞中特異性存在的一種lncRNA——Fendrr，在小鼠中下調Fendrr將使小鼠的心臟和腹側體壁發育遭到破壞，發生畸形，并由此導致小鼠胚胎死亡。一般轉錄因子所導致的胚胎發育畸形會在相應基因失活后迅速出現，而這種lncRNAs異常導致的發育畸形則是在祖細胞中Fendrr下調的幾天后出現，這可能是由lncRNAs的特殊調控機制造成的，即lncRNAs通過影響修飾組蛋白的蛋白復合體，進而再對目的基因進行表觀遺傳學調控。因此，研究人員指出，組織特異性轉錄因子負責控制組織和器官發生，而lncRNAs則參與了對這些轉錄因子的調節，lncRNAs是胚胎發育中不可或缺的重要調控因素。

Sun等[17]檢測了在小鼠脂肪細胞中處于活躍狀態的lncRNAs，并在脂肪前體細胞中分別下調這些靶基因，他們發現其中有10個lncRNAs在脂肪細胞中扮演著重要角色。當這些lncRNAs表達減少時，脂肪前體細胞中的脂滴比正常對照組體積減小，前體細胞中的一些基因無法啟動，最終無法發育成為成熟的白色脂肪細胞。這項研究揭示了在脂肪細胞形成過程中可能存在lncRNAs相關的調控通路。

4 lncRNAs的調控機制

lncRNAs可在多個水平，通過多種途徑調節基因的表達，主要方式有以下幾種：1）.在編碼基因的上游啟動子區轉錄，干擾下游基因的表達[18]，或者通過誘導染色質重塑及組蛋白修飾，對編碼基因進行正向調節[19]。2）.lncRNAs可在 Dicer酶的作用下也可產生內源性siRNA，干擾目的mRNA的剪切[20]。3）.與特定蛋白質結合，調節相應蛋白的活性。如HSF1只有與lncRNA HSR1形成復合物時，才可在熱應急條件下誘導熱休克蛋白質的表達[21]。4）.作為結構組分與蛋白質形成核酸蛋白質復合體，如CCND1啟動子區來源的lncRNAs可作為RNA結合蛋白TLS的變構效應因子，上調這些lncRNAs的表達水平，引起下游的級聯反應[22]。5）.與轉錄因子直接結合，改變該蛋白質的細胞定位，從而阻止轉錄因子入核發揮功能，如lncRNA NRON可通過結合質核轉運蛋白，特異性抑制NFAT在核內的積累[23]。

另外，除了可以結合于特異基因的啟動子區，lncRNAs的啟動子區同樣具有多種轉錄因子，如Oct4，Nanog，CREB，Sp1，c－myc，Sox2與p53的結合位點[24]。lncRNAs的調控涉及一個復雜的網絡信號，其確切的機制需要進一步探索。

5 lncRNAs研究展望

lncRNAs作為重要的基因表達調控子，其在修飾染色質、增強轉錄、促進信使RNA降解等方面的作用已被普遍承認。迄今為止人們已經鑒定出100余種與疾病或機體發育相關的lncRNAs，隨著研究的推進，各類lncRNAs不斷被大量發現，其功能與調控機制研究將為科學家提供一個新的突破點，拓展人們對機體基因調控網絡的認識。目前lncRNAs的主要分析方法集中于生物信息學和基因沉默，如何從生物信息學獲得的大量數據中更有效的分析出有意義的數據，以及如何利用多種分子生物學技術鑒定出與lncRNAs相互作用的基因和蛋白，排除其他因子的干擾將是未來需要解決的問題。

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