長鏈非編碼RNA的異常表達在腫瘤中的作用

楊培培 宇 龍 孔 旭 楊文奇

人類基因組測序分析顯示，不到2%的基因轉錄并編碼蛋白質，而另外超過98%基因轉錄為非編碼RNA(non-codingRNAs，ncRNAs)。長鏈非編碼RNA(long non-codingRNA，LncRNA)是一類核苷酸長度>200 nt的ncRNAs的總稱，僅有有限的或無蛋白質編碼能力，主要以RNA的形式參與表觀遺傳修飾、轉錄或轉錄后修飾等多種層面的基因表達調控。LncRNA在基因沉默、轉錄激活、轉錄抑制、轉錄后調控、染色質修飾等多方面發揮廣泛的調節作用[1-3]。目前已有許多研究[4-7]指出,腫瘤組織中的LncRNA與腫瘤發生、發展關系密切，涉及到轉錄、轉錄后調控、表觀遺傳控制等各級層面。本文結合近年來LncRNA在腫瘤細胞中的異常表達情況及其與蛋白質、其他種類的RNA或DNA的相互作用機制，對其在腫瘤發生、發展中扮演的角色做一綜述。

1 LncRNA在腫瘤細胞中與蛋白質的相互作用

腫瘤的發生、發展是一個復雜的過程，包括各種不同的基因突變、表觀遺傳修飾的改變、癌基因激活、抑癌基因失活、環境致癌因素等。以往對腫瘤的研究往往把焦點放在編碼蛋白的功能基因上，但近些年一些研究[8-9]揭示了ncRNA盡管不編碼蛋白質，但卻是細胞新陳代謝和生理活動中的重要活性物質，尤其是LncRNA與蛋白質的相互作用在腫瘤發生機制中有重要的作用。根據LncRNA在與腫瘤蛋白相互作用中扮演的不同角色，可將其歸納為4種作用機制：信號分子、引導蛋白靶向、誘餌蛋白和蛋白支架。

1.1 LncRNA的信號分子作用

信號LncRNA的表達參與特定的信號通路，無論通過直接作用或是間接作用，其表達意味著一些活化的信號通路。在急性T淋巴細胞性白血病中，LncRNA LUNAR1作為NOTCH信號通路的下游效應分子可增強胰島素樣生長因1受體的(insulin-like growth factor 1 receptor，IGF1R) mRNA 表達，并對維持胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)的信號有重要作用[10]，對急性T淋巴細胞白血病的腫瘤細胞增殖有促進作用。而在另一項研究[11]中發現P53調節的LncRNA lincRNA-P21可作為信號分子與hnRNP-k合作激活P21基因的表達，進一步影響腫瘤抑制基因P53的信號路徑，強化G1/S檢查點作用。LncRNA的這種信號分子作用可在特定組織和時間通過與其他活性物質的協調作用調節細胞增殖、分化。

1.2 LncRNA引導蛋白靶向定位于特定NDA序列

LncRNA可與特定蛋白質結合并指導所形成的復合物定位于DNA的特定位點，調節基因表達。Gupta等[12]發現在乳腺癌中異常高表達的LncRNA HOTAIR通過招募多梳蛋白抑制性復合體2(polycomb repressive complex2，PRC2),在全基因組范圍內引導PRC2與特定基因位點結合，引起組蛋白H3 27位賴氨酸的三甲基化，進一步引起轉移抑制基因的表觀沉默，其結果與患者的不良預后及腫瘤轉移有關，并且可作為腫瘤轉移和預后的預測因子。另一些研究[13-16]同樣也顯示了異常表達的LncRNA 可通過引導蛋白靶向導致肝細胞癌、結直腸癌、胰腺癌的腫瘤細胞轉移及不良預后。LncRNA也可激活抑癌基因表達，LncRNA TARID可與適配蛋白GADD45A結合定位于基因的特定位點，招募DNA脫甲基酶，介導抑癌基因TCF21啟動子的去甲基化作用，促進其表達[17]。在前列腺癌中，LncRNA PCGEM1通過招募PYGO2蛋白并定位于雄激素基因的增強子和啟動子區域，影響雄激素誘導的基因表達[18]。這種LncRNA通過類似接頭分子的作用引導特定蛋白質定位于基因組的相關區域，調節基因表達或引起表觀遺傳改變，在腫瘤的發生、發展中起到重要作用。

1.3 LncRNA與特定蛋白質結合發揮誘餌作用

LncRNA通過與蛋白質結合而抑制它們的生物學活性，發揮分子誘餌作用，負性調節蛋白質的表達。LncRNA GAS5可與糖皮質激素受體結合并抑制其所誘導的基因表達[19]。人乳腺癌組織中高表達的LncRNA PANDA可與轉錄因子NF-YA結合，抑制促凋亡基因表達，促進腫瘤生長[20]，LncRNA TERRA可通過其重復序列與端粒酶相互作用而降低酶活性[21]，而端粒酶活性的異常在腫瘤的發生、發展中有重要作用。上述研究發現作為分子誘餌的LncRNA可與激素、轉錄因子、酶等蛋白質作用并抑制其功能表達，在腫瘤發生、發展中起到關鍵作用。隨著一些探討LncRNA與蛋白相互作用的新研究體系的建立，如紫外交聯免疫沉淀技術(UV cross-linking and immunoprecipitation,CLIP)、RNA原位成像技術(RNA fluorescence in situ hybridization,RNA-FISH)及CLIP聯合高通量測序技術(CLIP-seq)使得原本難以觀測的高精度LncRNA-蛋白質相互作用成為可能。這些技術體系的建立，為研究LncRNA在基因組范圍內的調節作用提供了強有力的工具，也為人類進一步認識LncRNA的作用提供了高效的途徑。

1.4 LncRNA的蛋白支架作用

某些LncRNA本身可作為細胞結構的組分之一，并與其他組分如蛋白質、RNA等形成復合物，共同發揮生物學功能。

LncRNAMALAT1，也稱為NEAT2，最初在非小細胞肺癌中發現并被作為一種預后因子，后來發現其在多腫瘤中均有異常表達，如乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌等，而且其高表達與腫瘤細胞轉移和不良預后相關。MALAT1主要定位在細胞核的核斑中 ，和某些蛋白質共同參與核斑的構成及穩定，并參與mRNA的可變剪接，但這種可變剪接在腫瘤發生中的作用仍不清楚。有研究[22]報告MALAT1的異常表達在腫瘤細胞的增殖、轉移、浸潤中扮演關鍵角色。另有研究[23]指出，MALAT1與致瘤性轉錄因子B-MYB的表達有關，并通過調節細胞周期調控的轉錄因子和mRNA的前體加工過程促進細胞增殖。Tano等[24]研究發現MALAT1通過對運動相關基因的轉錄及轉錄后調節促進肺癌細胞的運動。類似于MALAT1，LncRNA NEAT1特異性地參與胞核內旁斑的構成，并在旁斑的形成及功能維持方面起關鍵作用。Choudhry等[25]研究發現在乳腺癌和一些實體瘤中，缺氧誘導因子(HIF)可誘導NEAT1的表達，并促使旁斑形成，而旁斑可進一步發揮抑制轉錄激活蛋白的功能并且具有RNA A-to-I(adenosine to inosine)編輯模式的作用，并且缺氧誘導NEAT1可加快腫瘤細胞增殖，抑制細胞凋亡，其在乳腺癌中的高表達和不良預后相關。

總結以上LncRNA與蛋白質的相互作用可知，LncRNA并非是一種轉錄噪音，其可與包括酶、轉錄因子、信號分子、結構蛋白等在內的蛋白質相互作用，在轉錄或轉錄后水平調節基因表達，使得基因表達調控更加立體和復雜，也為人類在另一個層面上認識腫瘤基因的異常表達和尋找有效的藥物靶點提供了新線索。

2 LncRNA與miRNA的相互作用

Tay等[26]認為只要LncRNA含有miRNA應答元件均可以與miRNA相互作用，在基因調控網絡中形成內源競爭性RNA或miRNA海綿，這些RNA之間的通訊及相互調節構成了一個RNA交聯網絡，為我們認識基因調控網絡及腫瘤發生、發展提供新的途徑。

有研究[27]報告LncRNA CCAT1在膽囊癌中異常高表達，并且與腫瘤的TNM分期相關，進一步研究提示CCAT1通過海綿作用抑制miRNA-218-5p表達，而后者則通過沉默促癌基因Bmi1抑制腫瘤細胞浸潤、轉移及增殖，即CCAT1可通過負性調控miRNA-218-5p而促進Bmi1的表達，促進腫瘤發生、發展。Wang等[28]研究發現LncRNA HULC在肝細胞肝癌中異常高表達，并含有miRNA-372結合位點，通過海綿樣作用負性調節miRNA-372的表達和功能，且構成了一個自身調節環路：由HULC引起的miRNA-372表達抑制可減少后者對靶基因PRKACB的翻譯抑制作用，而PRKACB的蛋白產物作為絲/蘇氨酸蛋白激酶家族成員可磷酸化cAMP 效應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，并增強CREB依賴的HULC的表達。相反的，LncRNA PTCSC3被發現在甲狀腺癌中普遍低表達。Fan等[29]研究發現在不同的甲狀腺癌細胞中,轉染PTCSC3除了有抑制腫瘤生長、細胞周期抑制和增加細胞凋亡以外，也可明顯降低致瘤性miR-574-5P的表達水平。除了與miRNA相互作用外，LncRNA還可與mRNA相互作用調節基因表達。類固醇受體調節的LncRNA PCA3在超過95%的前列腺癌中高表達，其可與腫瘤抑制基因轉錄本mRNA PRUNE2前體結合形成雙鏈RNA復合體，并招募RNA編輯酶，引起A-to-I編輯，抑制PRUNE2的功能[30]。

LncRNA與miRNA的相互作用形成的交聯網絡在基因表達調控中具有重要意義，目前對它們的研究仍處于初級階段，進一步深入探索它們的異常調節在腫瘤發生、進展中扮演的角色,將有助于在整體上重新認知腫瘤并為尋找有效的藥物作用靶點提供新的思路。

3 LncRNA通過干擾特定DNA轉錄起始復合物的形成抑制基因表達

一些ncRNA轉錄活動本身可以影響鄰近DNA的轉錄活性[31]。某些LncRNA在轉錄時可影響下游蛋白編碼基因的轉錄因子與相應位點的結合，阻礙其形成轉錄起始復合體，進而抑制其轉錄。Martens等[32]在研究釀酒酵母SER3基因表達調控時發現一種高表達的ncRNA(SRG1) ,其轉錄本穿過SER3基因的啟動子區域，干擾轉錄因子與SER3啟動子的結合，進而抑制其表達。Martianov等[33]研究發現一種起源于二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)啟動子位點上游的LncRNA可抑制下游蛋白編碼基因的表達，這種LncRNA既可在原位，也可在遠距離上與DNA中DHFR啟動子形成RNA-NDA復合體抑制基因表達，也可直接與轉錄因子IIB結合，影響轉錄復合體在DHFR啟動子上形成，從而抑制基因表達。DHFR參與某些信號通路，與腫瘤形成及耐藥關系密切，這些現象可被稱為轉錄干擾。除了這種直接干擾DNA轉錄的方式外，LncRNA還可以引起組蛋白修飾及染色質重塑，抑制基因表達[34]。目前大多數相關研究仍然聚焦在LncRNA與蛋白質及其他RNA的相互作用機制上，有關LncRNA和DNA的之間的直接作用關系在腫瘤中的研究較少，但有理由相信作為遺傳信息載體的DNA和RNA在遺傳信息表達紊亂的腫瘤中存在密切關系。

4 展望

隨著生命科學進入后基因組時代以及分子生物學、生物信息學、基因芯片技術、深度測序技術等的發展，產生了海量的關于基因及基因表達調控的數據,通過對這些數據的整理、分析，使我們逐漸認識到不僅DNA、mRNA、蛋白質在腫瘤中出現異常，曾經被認為無意義的LncRNA也已被證明在腫瘤的發生、發展、浸潤中扮演關鍵角色，并促使人們能在更為完整的調控網絡中認識腫瘤。因此，對LncRNA的深入研究不僅可幫助理解腫瘤的發生，還可以在診斷、治療策略及預后分析中提供線索和思路。當然，現在的研究還面臨很多困難和挑戰，其一，大量的LncRNA和它們的異常表達在不同的惡性腫瘤中被發現，所以鑒定其中最重要的具有腫瘤特異性的LncRNA至關重要。其二，絕大多數LncRNA的高級結構和功能仍然未知，這使得基于LncRNA的診療策略變得無的放矢。另外，和編碼蛋白的mRNA不同，LncRNA在不同種系間保守性很差，所以體外關于LncRNA的結構和功能的研究并不能直接用于人體，這仍需要進行更為詳細深入的臨床及基礎研究，目前CRISPR/Cas9技術在基因敲除、敲入及點突變等方面的進步可幫助我們了解LncRNA的生物學功能。

總之，深入探索LncRNA在腫瘤發生、診療中的潛能，有助于更加完整地認識LncRNA的特征和功能，并為我們提供更為詳盡的關于腫瘤發生與基因表達及調節異常的關系。