LncRNA調控病原微生物致病作用的研究進展

嚴 平 ， 周媛媛 ， 賈永超 ， 郭 營 ， 王臨喜 ， 尹榮蘭 ， 郭忠博 ， 王 欣 ， 尹榮煥

(1.沈陽農業大學動物科學與醫學學院 重要家畜疫病研究教育部重點實驗室 ， 遼寧 沈陽 110866 ；2.吉林省畜牧獸醫科學研究院 ， 吉林 長春 130062 ； 3.遼寧農業職業技術學院 ， 遼寧 營口115009)

長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA，lncRNA)是一類長度超過200個核苷酸的RNA。由于它不具有開放閱讀框因而缺乏蛋白編碼能力，或者僅能編碼短的多肽[1]。LncRNA廣泛存在于動植物、酵母、原核生物與病毒等多種生物中，并在生物學過程中發揮關鍵的作用。目前，基因表達調控是病原微生物與宿主關系中的熱門研究問題。研究發現，lncRNA在病原微生物感染過程中起著重要的調控作用，與疾病的發生、發展息息相關。

1 LncRNA的分類及功能

在哺乳動物基因組中僅少量轉錄成編碼RNA，大部分轉錄為非編碼RNA。而非編碼RNA中大多數是lncRNA，其余包括microRNA、circRNA和snoRNA等。LncRNA主要位于細胞核中，其次存在于細胞質中，由RNA聚合酶轉錄形成，經過剪接、加帽和多聚腺苷酸化等加工過程可成為含有5′帽子和3′poly(A)尾結構的成熟RNA分子。其與編碼RNA的區別在于具有更少的外顯子、較低保守性和更高的組織特異性[2]。

1.1 LncRNA分類 依據lncRNA相對于相鄰編碼基因的位置關系，其可分為5種類型[3]：正義lncRNA、反義lncRNA、雙向lncRNA、內含子lncRNA和基因間lncRNA，其中基因間lncRNA研究較為透徹。LncRNA的數量龐大，作用方式多，其繁瑣的調控機制是緊密聯系而非彼此孤立的，充當著信號分子、誘餌分子、引導分子、骨架分子等角色，作用于多種基因形成互作網絡在宿主的生理過程中扮演著重要的角色。

1.2 LncRNA功能 LncRNA參與了協調宿主狀態，代謝與發育，影響細胞的遷移、分化、周期與凋亡等各種不同的生物過程[4-5]。位于細胞核內的lncRNA參與調控染色質重塑、組蛋白修飾、基因轉錄、編碼基因的剪接和修飾等過程；而位于細胞質中的lncRNA則調控編碼基因的穩定性、翻譯和細胞信號傳導通路[6]。LncRNA可以與DNA、RNA和蛋白質相互作用，且在表觀遺傳水平、轉錄水平和轉錄后水平等多個水平調控基因的表達,發揮生物學功能。

1.2.1 LncRNA在表觀遺傳水平的基因調控 表觀遺傳現象包括DNA甲基化、組蛋白修飾、基因組印跡、基因沉默等，均與lncRNA的調控密切相關。LncRNA作為向導將染色質修飾復合物招募到特定的基因組位點并賦予其催化活性來影響表觀遺傳效應。LncRNA NeST通過與WD重復序列蛋白5(WD-repeat protein，WDR5)形成復合物來促進組蛋白第三亞基四號賴氨酸三甲基化(Histone H3 lysine 4 methyl-transferase，H3K4 me3)的形成，激活CD8+T細胞中IFN-γ轉錄水平的增加[7]。LncRNA也參與印跡結構域內基因的調控，Zhang等(2014年)發現lncRNA Kcnq1ot1在Kcnq1等位基因的啟動子上積累而介導等位基因的抑制，從而在Kcnq1基因印跡中發揮重要的作用[8]。

1.2.2 LncRNA在轉錄水平的基因調控 在真核生物中，lncRNA與轉錄因子結合形成復合物，調節轉錄因子的活性從而調控轉錄過程。例如，lncRNA DHFR與二氫葉酸還原酶(Dihydrofolate reductase，DHFR)基因的上游啟動子互補配對形成穩定的螺旋結構復合物阻礙轉錄因子(Transcription factor IID，TFIID)，與DHFR基因的啟動子區域相結合，導致DHFR基因的轉錄受抑制[9]。LncRNA不僅可以招募轉錄因子到啟動子，還可以招募增強子來啟動基因的轉錄。Wang等(2014年)研究發現，在樹突狀細胞中lncRNA DC受到病原體刺激時可以調節多種轉錄因子的活性，激活的信號轉導子與轉錄激活子3(Signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)與lncRNA DC形成復合物，阻礙STAT3與蛋白酪氨酸磷酸酶1(SH2-containing protein tyrosine phosphatase，SHP1)結合使其去磷酸化，促進酪氨酸705上的STAT3磷酸化[10]。此外，lncRNA作為誘餌分子或分子支架與轉錄因子結合形成復合物，影響基因的轉錄過程。LncRNA NRON與鳥苷三磷酸酶激活蛋白及T細胞胞漿中活化細胞的核因子(Nuclear factor of activated T cells，NFAT)激酶的復合物作為激活核因子NFAT的分子支架，使NFAT從復合物中釋放出來并促進核轉運，進而啟動基因轉錄[11]。

1.2.3 LncRNA在轉錄后水平的基因調控 LncRNA在轉錄后水平的調控包含mRNA的剪接和編輯、蛋白翻譯及轉運等。其與蛋白編碼基因形成RNA雙鏈，成為mRNA的重疊基因中的順式調控元件，導致基因的可變剪切。細胞核中lncRNA MALAT1與細胞核斑點結構域中的絲氨酸、精氨酸剪接因子相互作用，影響其分布并調節mRNA的可變剪接，可能通過調節細胞核區域中精氨酸蛋白的濃度，實現最佳的選擇性剪接[12]。LncRNA還參與調控mRNA的降解，是影響mRNA穩定性的重要因素。Faghihi等(2008年)研究表明，貝塔分泌脢(Beta-secretase-1，BACE1)是在阿爾茨海默病中起關鍵作用的一種酶，發現體外引入BACE1的反義轉錄本(BACE1-antisense transcript，BACE1-AS)可保護BACE1的mRNA不被核糖核酸酶降解，并且沉默BACE1-AS后可促進培養細胞BACE1的mRNA的降解，證明BACE1-AS與保護BACE1的mRNA不被降解密切相關[13]。由于lncRNA與microRNA的結構相似，所以它可與microRNA競爭性結合靶向mRNA或作為microRNA的海綿。有研究發現，H19可作為microRNA的海綿，間接調控microRNA下游靶基因的表達，從而介導多種類型疾病的發生和發展[14]。

2 LncRNA在細菌感染致病過程中的調控作用

LncRNA是宿主免疫系統發育及病原菌感染宿主的免疫應答過程中新的調控分子，具有重要的功能。LncRNA XLOC-09813充當競爭性內源RNA來穩定原癌基因(FOS)的mRNA表達，作為調節Toll樣受體信號通路和相關的免疫功能中的關鍵調控分子[15]。LncRNA M2存在于M2巨噬細胞的胞核和胞漿內，在轉錄因子STAT3作用下可以促進lncRNA M2轉錄，并通過PKA/CREB途徑調控M2巨噬細胞的分化[16]。總之，lncRNA可通過調控染色質甲基化狀態、NF-κB等信號通路和microRNA相互作用等模式介導病原菌感染過程。近年來，lncRNA在病原菌感染過程中發揮調控作用的研究情況見表1。

表1 LncRNA在病原菌感染過程中的調控機制研究

3 LncRNA在病毒感染致病過程中的調控作用

病毒可以通過誘導細胞的lncRNA的特異性表達，逃避抗病毒免疫系統監視，降低抗病毒免疫力,提高病毒復制效率。同樣，細胞也可以特異性表達多種lncRNA來抵抗病毒感染。隨著高通量測序的發展，鑒定出多種lncRNA在病毒感染過程中的表達變化。在宿主的抗病毒反應中lncRNA發揮著不可或缺的作用，lncRNA是病毒感染期間宿主免疫反應的關鍵調控因子。近年來，lncRNA在病毒感染過程中發揮調控作用的研究情況見表2。

表2 LncRNA在病毒感染致病過程中的調控機制

根據lncRNA的來源可將病毒感染中發揮作用的lncRNA分為三類:病毒感染的細胞內lncRNA、病毒編碼的lncRNA和由病毒與細胞共同形成的嵌合lncRNA。

3.1 病毒感染細胞內lncRNA 病毒已被發現利用細胞內的lncRNA來調節宿主和病毒基因的表達和功能。然而，宿主在病毒感染過程中也可通過胞內的lncRNA表達來啟動抗病毒反應。在IAV感染過程中，lncRNA ISR依賴于維甲酸誘導基因I(Retinoic acid-inducible gene I，RIG I)的信號調控，IFN-β能誘導lncRNA ISR的表達，具有抑制病毒復制的能力[28]。在宿主的抗病毒反應中，lncRNA能夠調節宿主的先天免疫系統參與病毒感染，不僅參與調節T細胞的生長和分化，還調控干擾素刺激基因(Interferon-stimulated genes，ISGs)的表達。IAV感染A549細胞后，lncRNA IVRPIE表達上調顯著抑制了A549細胞中IAV的復制。此外，lncRNA IVRPIE通過影響組蛋白修飾，正向調節IFN-β1和幾個關鍵的ISGs的轉錄是宿主抗病毒反應的關鍵調節因子[36]。

研究表明，大多數lncRNA通過幾種機制來調節炎癥或抗病毒基因的表達。有些是誘導劑，lncRNA NEAT1通過抑制IL8的抑制因子即富含脯氨酸/谷氨酰胺的剪接因子(Splicing factor proline/glutamine-rich，SFPQ)而增加IL8的表達量[37]。有些是負調節因子，呼吸道合胞體病毒(Respiratory syncytial virus，RSV)感染時宿主抗病毒應答負性調節因子lncRNA NRAV的表達減少，lncRNA NRAV與囊泡蛋白競爭胞漿中的microRNA509-3p，促進RSV囊泡運輸從而加強RSV的增殖[38]。

3.2 病毒編碼的lncRNA LncRNA可以調控轉錄因子和蛋白質的表達，對病毒復制和病毒潛伏期的激活至關重要。除細胞內lncRNA的表達受病毒感染的調控，還發現病毒編碼的lncRNA同樣如此。黃病毒基因組RNA的3′UTR含有許多莖環結構保護它們不被宿主核酸酶XRN1降解，并產生功能性的lncRNA。LncRNA sfRNA與microRNA結合并誘導microRNA的降解以保護病毒基因組RNA，從而允許病毒在宿主中復制[39]。

3.3 病毒與細胞嵌合lncRNA 嵌合lncRNA指的是通過將病毒基因組整合到宿主基因組中而產生的lncRNA。HBV誘發肝細胞癌主要是通過位于8號染色體短臂的HBV的DNA插入位點產生了重復序列，其被轉錄形成嵌合的lncRNA HBx-LINE1。LncRNA HBx-LINE1的表達促進了細胞由上皮表型向間質表型的轉化，從而增加了細胞的惡性程度并且激活Wnt/β-catenin的信號通路，促進β-catenin轉位到細胞核，從而促進細胞遷移[40]。

4 其他病原微生物

LncRNA在其他病原微生物如螺旋體、支原體等致病過程中也起著一定的調控作用。在梅毒螺旋體感染的患者中檢測發現有2 258個差異表達的lncRNA，通過lncRNA-mRNA共表達網絡分析顯示，59個lncRNA存在顯著差異，其中部分lncRNA參與了CD4+T細胞對梅毒螺旋體應答的關鍵生物學過程[41]。全基因組分析感染和未感染牛支原體的牛乳腺組織中，有1 310個差異表達的mRNA和57個差異表達的lncRNA。基因本體論分析表明，差異表達的mRNA和lncRNA在T細胞受體信號通路、TGF-β信號通路、PI3K-Akt信號通路、NF-κB信號通路、mTOR信號通路和細胞凋亡等重要生物學通路中發揮重要作用[42]。

5 展望

LncRNA不再是轉錄上的“噪音”，而是在基因表達調控中扮演著重要的角色，代表一個新的基因表達調控網絡。比如，現今研究的熱點ceRNA調控機制，lncRNA與mRNA競爭性結合microRNA，從而調控mRNA的表達量。在病原微生物致病過程中，lncRNA通過與DNA、RNA和蛋白質相互作用來調控自身與宿主基因的表達，涉及到轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平等多方面。研究發現，許多lncRNA差異表達與疾病的發生、發展息息相關。與microRNA相比，lncRNA似乎更具有組織特異性和靶向性。這使lncRNA能夠成為具有特異性的生物標志物[43]，為理解疾病的機制擴展了新的視角、提供了新的治療策略，成為多種疾病的診斷標志。

盡管lncRNA的調控機制錯綜復雜，其如何調控病原微生物感染和致病過程還要繼續深入研究。而且隨著lncRNA與病原微生物感染致病關系的深入探索，必將為病原微生物致病機制的研究開辟新的道路。