長(zhǎng)鏈非編碼RNA在先天性心臟病中的研究進(jìn)展

摘要： 先天性心臟病是新生兒中最常見的出生缺陷，是兒童非感染性死亡的主要原因，其病因尚未完全明了。長(zhǎng)鏈非編碼RNA為通過調(diào)控基因表達(dá)控制細(xì)胞過程的一類新的非編碼RNA。目前越來越多的研究表明長(zhǎng)鏈非編碼RNA在心臟發(fā)育及先天性心臟病中發(fā)揮著重要作用，現(xiàn)將長(zhǎng)鏈非編碼RNA的結(jié)構(gòu)功能及在先天性心臟病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：先天性心臟病；長(zhǎng)鏈非編碼RNA；發(fā)病機(jī)制

心臟發(fā)育是在時(shí)間和空間上基因的精確表達(dá)下進(jìn)行的[1]，其中由眾多轉(zhuǎn)錄因子參與的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制著正常心血管發(fā)育所需的信號(hào)通路，而這些信號(hào)通路的異常就可能引起先天性心臟病[2]（congenital heart disease，CHD）。在過去的十幾年里，由于分子生物學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子NKX2.5[3]、Tbx5[4]和GATA4[5，6]等在心臟發(fā)育及先心病的發(fā)生中具有重要作用。而隨著下一代測(cè)序技術(shù)（next generation sequencing，NGS）和芯片技術(shù)的發(fā)展及運(yùn)用[7]，長(zhǎng)鏈非編碼RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）被確定為通過調(diào)控基因表達(dá)控制細(xì)胞過程的一類新的非編碼RNA（non-coding RNAs，ncRNAs），其表達(dá)紊亂與神經(jīng)精神疾病、代謝性疾病和腫瘤等疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[8，9]。目前越來越多的研究表明lncRNAs在心臟發(fā)育及先天性心臟病中發(fā)揮著重要作用，本文就lncRNAs的結(jié)構(gòu)功能及在先天性心臟病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1長(zhǎng)鏈非編碼RNA

1.1 長(zhǎng)鏈非編碼RNA的結(jié)構(gòu) 在人類基因組中約80%的基因參與了與RNA和染色質(zhì)有關(guān)的編碼，但是只有2%的基因可以翻譯為蛋白，其余約91%的基因組序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生ncRNAs。根據(jù)RNA翻譯的長(zhǎng)度，可將ncRNAs分為小分子ncRNAs（small non-coding RNAs，<200bp）和長(zhǎng)鏈ncRNAs（>200bp）。lncRNAs為內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄RNA，至少包含200個(gè)核苷酸[10]，體內(nèi)數(shù)量約7000～23000個(gè)，位于細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核內(nèi)。大多數(shù)lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生，盡管其不具有編碼蛋白質(zhì)的功能，但lncRNAs具有與mRNA相似的生物學(xué)特征，如5'端帽結(jié)構(gòu)、多聚腺苷酸尾和剪接模式[11，12]。然而，并不是所有的lncRNAs具有mRNA的典型特征。和編碼蛋白質(zhì)的基因相比，lncRNAs缺少蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和關(guān)鍵的開放閱讀框（ORFs）。根據(jù)lncRNAs編碼序列在基因組上相對(duì)于蛋白編碼基因的位置，lncRNAs可劃分為：①雙向lncRNAs：轉(zhuǎn)錄于蛋白質(zhì)編碼基因的兩條反向互補(bǔ)鏈；②基因間IncRNAs：來源于兩條蛋白質(zhì)編碼基因的基因間隔區(qū)；③內(nèi)含子IncRNAs：來源于蛋白質(zhì)編碼基因的內(nèi)含子序列；④正義鏈IncRNAs：其轉(zhuǎn)錄于蛋白質(zhì)編碼基因的正義鏈；⑤反義鏈lncRNAs：其由蛋白質(zhì)編碼基因的反義鏈轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生。這種位置關(guān)系對(duì)于推測(cè)lncRNAs的功能有很大的幫助。

1.2長(zhǎng)鏈非編碼RNA的功能 由于lncRNAs的數(shù)量和種類眾多，所以其對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的方式也多種多樣。lncRNAs通過順式或反式作用的方式參與細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化及凋亡等生物學(xué)過程，同時(shí)還可調(diào)節(jié)組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等，對(duì)基因表達(dá)在表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平及轉(zhuǎn)錄后水平進(jìn)行調(diào)控[13，14]。在印記控制、免疫應(yīng)答和染色體動(dòng)力學(xué)中也有著重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs似乎并沒有通過共同的途徑發(fā)揮作用，因此，根據(jù)它們的一級(jí)序列或二級(jí)結(jié)構(gòu)來預(yù)測(cè)它們的功能是不可行的。

2長(zhǎng)鏈非編碼RNA與心臟發(fā)育及先天性心臟病

2.1長(zhǎng)鏈非編碼RNA與心臟發(fā)育 在胚胎發(fā)育過程中，lncRNAs是胚胎干細(xì)胞基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的組成部分，改變lncRNAs的表達(dá)可以改變胚胎干細(xì)胞的維持和向特定譜系細(xì)胞分化[15]。lncRNA的表達(dá)通常與多能性標(biāo)記物緊密相關(guān)，而且許多l(xiāng)ncRNAs由關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子如Nanog的和Oct4調(diào)節(jié)。Klattenhoff等在體外研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的lncRNAs Bvht（AK143260）[16]，Bvht在小鼠胚胎干細(xì)胞的早期發(fā)育階段開始表達(dá)，在成年小鼠心臟中也大量存在，表明Bvht在心肌細(xì)胞分化過程中有著重要的作用。敲除Bvht后，可導(dǎo)致胚胎干細(xì)胞分化過程中搏動(dòng)的心肌細(xì)胞數(shù)量的減少，同時(shí)不能激活心臟轉(zhuǎn)錄因子（MesP1，Gata4，Gata6，Nkx2.5）的表達(dá)，但不影響向其他組織的分化。這些缺陷可通過轉(zhuǎn)錄因子MesP1的過度表達(dá)逆轉(zhuǎn)，MesP1是胚胎發(fā)育中早期心肌細(xì)胞形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，最終可引導(dǎo)胚胎干細(xì)胞產(chǎn)生所有的心肌細(xì)胞。這些研究表明，lncRNAs在中胚層向多能心臟祖細(xì)胞的轉(zhuǎn)化中有著重要的作用。

2.2長(zhǎng)鏈非編碼RNA與先天性心臟病 lncRNAs可與染色質(zhì)的調(diào)節(jié)蛋白相互作用調(diào)控基因表達(dá)，并對(duì)它們具有特異性，提示lncRNAs可作為基因表達(dá)過程中特定的精細(xì)調(diào)節(jié)器。而lncRNAs的異常則可引起相應(yīng)的疾病。Guixian Song等對(duì)先天性室間隔缺損lncRNAs的失調(diào)進(jìn)行了綜合分析[17]。通過使用第二代lncRNAs芯片，對(duì)室間隔缺損患者和對(duì)照組心臟組織的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示在室間隔缺損患者有880個(gè)lncRNAs上調(diào)，628個(gè)下調(diào)。此外，還篩選出了兩個(gè)lncRNAs（ENST00000513542和RP11-473L15.2）與室間隔缺損有關(guān)。ENST00000513542和RP11-473L15.2的關(guān)聯(lián)基因分別是SMAD1和FGF10，在胎兒心臟組織中對(duì)其表達(dá)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)和對(duì)照組相比，室間隔缺損患者SMAD1的表達(dá)明顯下降，這表明ENST00000513542參與了SMAD1靶基因的順式調(diào)控。SMAD1是一種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白，是將轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factorβ，TGF-β）超家族成員與其受體結(jié)合后產(chǎn)生的信號(hào)從胞質(zhì)傳至細(xì)胞內(nèi)的中介分子。這種蛋白可介導(dǎo)骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMPs）的信號(hào)通路，涉及生物活動(dòng)包括細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞凋亡、形態(tài)發(fā)生、心臟發(fā)育和免疫應(yīng)答。過表達(dá)BMP/SMAD信號(hào)特異性抑制蛋白SMAD6，會(huì)妨礙心肌細(xì)胞的分化[18]，最終引起先天性心臟病。與此相反，F(xiàn)GF10的表達(dá)在兩組之間無差異，表明RP11-473L15.2不影響FGF10在轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)。lncRNA的失調(diào)提供了一種新的方法來發(fā)現(xiàn)先心病的病因，說明在心臟發(fā)育中編碼和非編碼RNA轉(zhuǎn)錄物之間有著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。

在小鼠胚胎發(fā)育早期，側(cè)板中胚層特異表達(dá)一種lncRNAs Fendrr，F(xiàn)endrr在小鼠心臟和體壁的正常發(fā)育中有重要作用[19]。Fendrr可結(jié)合到組蛋白修飾復(fù)合物多梳蛋白復(fù)合體2（polycomb repressive complexes 2，PRC2）和TrxG/MLL（Trithorax group/MLL）復(fù)合體上。PRC2和TrxG/MLL在決定基因調(diào)控多能性和細(xì)胞分化的活化狀態(tài)中有著重要作用，PRC2復(fù)合物介導(dǎo)組蛋白H3第27位賴氨酸（H3K27）甲基化修飾，可抑制基因活性。而TrxG/MLL復(fù)合物介導(dǎo)組蛋白H3第4位賴氨酸（H3K4）甲基化，可充當(dāng)活化的標(biāo)記。PRC2和TrxG/MLL在基因調(diào)控上具有的相反作用，在胚胎發(fā)育中有著至關(guān)重要的作用。胚胎缺乏Fendrr將引起控制側(cè)板和心臟中胚層分化的許多轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)上調(diào)，并伴隨著PRC2大幅度降低，引起H3K27三甲基化的降低和/或H3K4三甲基化的增加，抑制心肌細(xì)胞分化關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（Foxf1，Pitx2）基因的表達(dá)，引起心臟組織中的心肌細(xì)胞數(shù)量顯著減少，最終可導(dǎo)致胚胎死亡。因此，我們可以認(rèn)為Fendrr在心臟發(fā)育過程中，對(duì)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子起著正負(fù)調(diào)控的作用，協(xié)調(diào)它們的表達(dá)，而Fendrr的異常，最終會(huì)影響到心臟的正常發(fā)育，引起先天性心臟病。

3展望

隨著下一代測(cè)序技術(shù)及基因芯片技術(shù)的成熟，我們獲得了lncRNAs許多重要的分子功能，包括調(diào)控細(xì)胞周期、分化和凋亡，以及可作為小分子RNA的前體，但是目前l(fā)ncRNAs在心臟方面的研究尚處于起步階段，尤其是在先天性心臟病方面，其對(duì)心血管生物學(xué)的影響也有待進(jìn)一步的發(fā)掘。lncRNAs是如何影響先天性心臟病的發(fā)生與發(fā)展成為了當(dāng)前的主要任務(wù)。我們相信，隨著對(duì)lncRNAs研究的深入和新技術(shù)的應(yīng)用，新的lncRNAs會(huì)隨之發(fā)現(xiàn)，在心臟發(fā)育及先天性心臟病中的作用機(jī)制也將被闡明，屆時(shí)將為先天性心臟病的治療提供新的途徑和策略。

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