LncRNAs在糖尿病及其并發癥中的作用研究進展

楊沁之 綜述 羅茂 審校

西南醫科大學：1.藥學院藥理系;2.藥物研究中心（瀘州 646000）

糖尿病是由于胰島素分泌缺陷或生物作用受損所導致的血糖升高，可出現在生命的不同階段，并導致多系統并發癥。隨著人類社會的進步及生活形式和飲食結構的改變，糖尿病病人數量急劇上升，成為全球增長最快的疾病之一[1]。據估計到2045年，18～99 歲的糖尿病病人數量將達到6.93億[2]。長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNAs，LncRNAs）是一類缺乏蛋白質翻譯能力的RNA 分子，由RNA 聚合酶Ⅱ轉錄所得，具有數量多、種類多的特點。雖然與蛋白編碼基因相比，LncRNAs 的表達更低，但LncRNAs 細胞特異性相對較高[3]。近些年來的研究表明，LncRNAs不僅能通過多種機制的相互作用參與表觀遺傳修飾因子的招募、轉錄和轉錄后調控、mRNA 衰退的控制和轉錄因子的隔離等多種生物過程，并且在腫瘤、心臟病和糖尿病等疾病的病理進程中起著關鍵作用[4]。如今隨著研究的深入，研究人員發現LncRNAs 在糖尿病中功能異常，影響特定的LncRNAs的表達能調控糖尿病及其并發癥的病理發展過程[5-7]。本文主要就LncRNAs 在糖尿病及其并發癥中的作用最新研究進展作一綜述，以期為糖尿病及其并發癥的研究和醫治提供理論依據。

1 LncRNAs概述

LncRNAs 是20 世紀末期被發現的一類具有特定功能的調控RNA，廣泛參與細胞代謝的各個領域。目前對LncRNAs的分類是基于它們的結構或大小、定位、功能以及與其他組件的相互作用。有研究表明，這些LncRNAs 大多來自基因組的基因間、外顯子或遠端蛋白編碼區等非保守區，在進化中更易發生快速的翻新[8-9]。依據基因組中LncRNAs 所處的位置及背景，大致可將其分為正義LncRNAs、反義LncRNAs、雙向Ln?cRNAs、內含子LncRNAs和基因間LncRNAs五類[10]。

隨著分子生物技術的持續發展，LncRNAs 的效應機制逐漸浮出水面，越來越多的研究發現，LncRNAs可通過與DNA/RNA結合或與蛋白結合在多種生理、病理過程發揮重要作用，其中包括參與基因表達、基因組印跡、核與胞質間囊泡運輸、RNA 編輯、翻譯等過程的調控[11]。另外，LncRNAs 具有順式（cis-）或反式調節（trans-regulation），其順式調節對臨近基因發揮作用，而反式調節則對遠離其轉錄位點的基因發揮作用。盡管目前對LncRNAs 功能的了解還只是冰山一角，但是越來越多的證據顯示其在X 染色體失活、細胞周期調控、分化和凋亡等細胞生命進程中發揮著重要的作用[12]。近年來，LncRNAs 在各種疾病的研究中獲得了顯著成就，并且在不同類型糖尿病中的關鍵調節作用也逐漸被廣泛報道[13]。因此，對LncRNAs 在糖尿病中的功能作用展開進一步的探索是非常有必要的。

2 LncRNAs在糖尿病相關代謝組織中的作用

在機體中，胰島分泌胰島素調節血糖濃度，肝臟和肌肉儲存糖原，另外多余的葡萄糖則轉化為脂肪而囤積起來。糖尿病分為1 型糖尿病（type 1 diabetes，T1DM）、2 型糖尿病（type 2 diabetes，T2DM）、妊娠期糖尿病及其他類型或稱繼發性糖尿病。雖然定義糖尿病表型的潛在原因極其復雜，但是過去幾十年的研究主要集中在蛋白質編碼基因上。LncRNAs作為近幾年生物學領域的研究熱點之一，正在成為控制代謝組織發育和功能的重要調控元件[14]。近年來研究表明，一些LncRNAs 參與調控胰島發育、肝臟代謝、肌肉再生和脂肪細胞分化，在葡萄糖和脂質代謝中發揮著重要作用，本文依據LncRNAs 在不同代謝組織的作用，繪制了糖尿病代謝組織中LncRNAs的示意圖[15-37]，見圖1。下面就LncRNAs在關鍵代謝組織中的代謝穩態調控作用展開論述，見表1。

圖1 糖尿病不同代謝組織中的LncRNAsFigure 1 LncRNAs in different metabolic tissues of diabetes mellitus

表1 與糖尿病相關的LncRNAsTable 1 LncRNAs associated with diabetes

2.1 LncRNAs與胰島

胰臟分為胰腺和胰島兩部分，同時具有內分泌和外分泌的功能。胰腺負責感知血液里葡萄糖水平，而胰島β 細胞分泌胰島素，以刺激外周組織對葡萄糖的吸收。其中胰島是研究人員了解糖尿病病理生理的重要中樞節點。在T1DM中，胰島β細胞的喪失和胰島素分泌不足促使血糖升高[38-39]；在T2DM中，高血糖由β細胞功能障礙和胰島素抵抗引起[40]，而胰島素抵抗時，機體將無法對正常胰島素水平做出反饋。DING等[15]首先證明了LncRNAs具有對胰島發育和功能調控的可能，其中LncRNA H19參與了妊娠期糖尿病的遺傳過程，導致胰島超微結構和功能受損。此外，MORáN I等[16]通過對2型糖尿病患者胰腺β細胞的高通量測序，發現了具有組織特異性和動態調節的異常表達的Ln?cRNAs。這些LncRNAs通常位于含有胰島特異編碼基因的胰島特異染色質結構域附近，或者定位于糖尿病易感基因位點。其中HI-LNC25是一種在小鼠和人之間保守的β細胞特異性LncRNAs，它的下調導致GLIS3（一個重要的胰島轉錄因子）的降低，提示其在胰島β細胞中的功能重要性。YIN等[17]發現沉默LncRNA 牛磺酸上調基因1（taurine-upregulated gene 1，TUG1）會誘導MIN6細胞和胰腺β細胞的凋亡，減少胰島素的分泌，從而導致空腹血糖水平升高。同樣，LncRNA 母系印記基因3（maternally expressed gene 3，Meg3）也被證明可以調節胰島素分泌和β 細胞凋亡。在T1D 和T2D小鼠模型[分別為非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）和高血糖db/db 小鼠] 的胰島中Meg3的表達下調，同時ins2、Pdx1和Mafa的水平顯著降低[18]。Pdx-1是一種關鍵的β細胞轉錄因子，與胰島素合成和β細胞特異性調控網絡有關。除此之外，有研究報道Ln?cRNAs 在β 細胞功能中的作用可能是普遍的[41]，對其進行深入探索可能有助于恢復糖尿病引起的代謝紊亂。

2.2 LncRNAs與肝臟

肝臟是許多代謝過程的場所，能同時利用和產生葡萄糖，對LncRNAs 與肝臟關系的理解有利于進一步探究LncRNAs與糖尿病之間的聯系。肝臟特異性甘油三酯調節因子（Lnc liver-specific triglyceride regulator，LncLSTR）是一種肝臟特異性LncRNA，調節全身脂質代謝，LI等[22]發現其水平降低對小鼠有顯著的降脂作用，且與小鼠甘油三酯（triglycerides，TG）的清除增強有關。在此過程中，LncSTR與TDP-43結合形成復合體，通過調節Cyp8b1 的活性改變影響法尼醇X 受體（frne?soid X receptor，FXR）途徑的膽汁酸水平，從而增強肝臟中甘油三酯的清除。因此，LncLSTR 等肝臟富集的LncRNA 可能為糖尿病高脂血癥患者提供新的治療策略。此外，有研究發現在高脂飲食（high-fat diet，HFD）小鼠、ob/ob 小鼠和經棕櫚酸鹽、油酸鹽或亞油酸鹽處理的原代肝細胞中，肝臟LncRNA MEG3水平的升高與G6pc、Pepck、FoxO1表達的增加有關[23]。該實驗最終使肝臟糖異生的增加以及肝細胞中受胰島素刺激的糖原積累受損，其表現為肝胰島素抵抗。然而，當干預高脂飲食和ob/ob 小鼠的MEG3時，可顯著減輕受損的糖耐量，提示LncRNA MEG3在肝臟中對葡萄糖的調控作用。另一種禁食誘導的LncRNA，肝臟葡萄糖激酶抑制因子（liver glucokinase repressor，LGR），可通過與hnRNPL相互作用抑制葡萄糖激酶活性，并抑制小鼠肝臟中糖原的儲存[24]。GOYAL等[25]研究顯示在db/db 小鼠肝臟中，可調節肝臟的糖異生的H19水平明顯降低。并且當人肝癌和原代肝細胞中的H19沉默時會增加糖異生基因的水平和肝臟葡萄糖產量。另外H19還與肝臟發育及其他肝病的進展有關。綜上所述，糖尿病患者常有肝臟代謝功能障礙，因此有必要了解LncRNAs 在肝臟病理中的作用機制。

2.3 LncRNAs與肌肉

在糖、脂代謝的過程中，肌肉細胞通過糖酵解增加對的血糖的利用，在葡萄糖代謝中同樣起著重要作用。近年，GAO等[29]發現肌肉細胞的葡萄糖代謝與H19/let-7雙負反饋回路密切相關。該研究發現LncRNA-H19在糖尿病受試者和小鼠骨骼肌的表達量明顯下降，并且在損害胰島素信號傳導和降低葡萄糖攝取方面起著重要作用。此外LncRNAs也是參與肌肉分化和再生的重要調節因子。其中與MyoD 活性相關的LncRNAs 與肌原分化至關重要。據報道MyoD 能至少誘導Linc-RAM和Dum兩個LncRNAs 的轉錄。其中Linc-RAM與MyoD結合，并共同與兩個重要的核小體重構體BAF60c和BRG1等染色質修飾劑相互作用。在分化過程中，核糖核酸復合物以肌原基因為靶點，以適當協調基因表達[30]。LncRNA-Dum通過招募DNA 甲基化蛋白，使其鄰近基因發育多能性相關2（developmental pluripotency-associated 2，Dppa2）沉默，從而調控肌發生[31]。

2.4 LncRNAs與脂肪

在肝臟和肌肉中，葡萄糖分別會被儲存為肝糖原和肌糖原，而更多的葡萄糖會在胰島素的幫助下轉化為脂肪囤積起來。此外脂肪細胞能產生具有關鍵代謝功能的關鍵脂肪因子。在肥胖患者中，巨噬細胞的聚集以及脂肪炎癥增加可能導致胰島素抵抗、T2D 和代謝綜合征。有研究通過高通量測序技術，發現大量的LncRNAs 在脂肪細胞分化和成熟過程差異表達，足以證明LncRNAs 在脂肪組織發育過程中的重要作用[42]。另外的研究同樣發現LncRNA-Blnc1能與轉錄因子Ebf2 相互作用以調節產熱基因的調控程序，從而調節棕色脂肪細胞的發育[33]。與腹部脂肪相比，LncRNA-HOTAIR在臀部脂肪細胞中差異表達，并在脂肪細胞分化中發揮作用[34]。LncRNAs 對于脂肪的影響，除了參與脂肪分化，還可以影響動物的生理狀態。類固醇受體RNA 激活劑（steroid receptor RNA activator，SRA）是一種在脂肪組織中高表達的長鏈非編碼RNA，能共同激活類固醇受體依賴報告基因的表達，促進脂肪生成。在構建小鼠模型中，SRA 基因敲除顯示出更強的胰島素敏感性，并通過改善糖耐量抵抗飲食誘導的肥胖[35]。總之，探討LncRNAs在脂肪組織中的作用關系，可能為糖尿病脂質代謝紊亂機制的研究提供新的思路。

3 LncRNA在糖尿病并發癥中的作用

糖尿病的高血糖狀態促進了微血管和大血管并發癥的產生，從而導致糖尿病患者死亡率增加以及整體生活質量下降。糖尿病腎病（diabetic nephropathy，DN）與視網膜病（diabetic retinopathy，DR）被并列為糖尿病性微小血管病變的代表，二者密切相關，往往在臨床上見于同一個糖尿病的患者，使患者苦不堪言[43]。此外，據調查，70%的糖尿病患者死于心血管疾病（cardiovas?cular disease，CVD），糖尿病患者心血管疾病目前仍然是1 型或2 型糖尿病患者高發病率和死亡率的主要原因[44-45]。如前所述，LncRNAs 除了參與糖尿病期間的主要代謝組織外，還與糖尿病并發癥有關。因此，了解LncRNAs在糖尿病并發癥中的作用機制對將來該病的防治有重要意義。

3.1 LncRNAs與糖尿病腎病

糖尿病腎病是糖尿病最有害的微血管并發癥，也是終末期慢性腎病的主要病因。細胞外基質（extracel?lular matrix，ECM）的積聚，使多數腎細胞纖維化增加，是糖尿病腎病的一個主要特征[46]。近年研究發現，在腎臟多種細胞中高表達的LncRNA 漿細胞瘤變體易位1（the plasmacytoma variant translocation1，PVT1）與這一進程有關。ALVAREZ等[47]通過RNA 干擾技術敲除腎小球系膜細胞的PVT1基因，發現經高糖處理后的人系膜細胞中PVT1的表達顯著上調；沉默PVT1后細胞外基質中的基因和蛋白水平顯著降低，提示LncRNAs 在糖尿病腎病中扮演著重要角色。另外研究發現特定的LncRNAs 能干擾糖尿病腎病相關的炎癥過程。LncRNA-Gm4419是一種調節NF-JB/NLRP3 炎癥小體活性的LncRNA，可與腎小球系膜細胞中的炎癥因子相互作用；Gm4419敲除可降低細胞增殖并抑制其在高血糖狀態下NF-κB 的表達[48]，提示LncRNAs 能經過炎癥相關信號通路介入糖尿病腎病中的炎癥和纖維化過程。

3.2 LncRNAs與糖尿病視網膜病

糖尿病視網膜病是一種影響視網膜神經元和微血管系統的疾病，可導致糖尿病患者視力受損或喪失。據報道，LncRNA-MALAT1和MEG3均與糖尿病視網膜病變有關。YAN B等[49]建立鏈脲霉素（streptozotocin，STZ）誘導的糖尿病小鼠模型，通過微陣列分析發現Ln?cRNAs 在糖尿病小鼠視網膜上的顯著上調，而敲除MALAT1可減輕STZ 誘導的大鼠視網膜病變。最近也有研究顯示，LncRNA-MALAT1通過Keap1-Nrf2調節糖尿病視網膜病變中的抗氧化防御，抑制MALAT1能保護視網膜免受氧化損傷[50]。上述結果表明LncRNAs參與DR 的病理進程，并且LncRNA-MALAT1具有預防或減緩糖尿病視網膜病變的潛力。另外LncRNA MEG3在STZ誘導的糖尿病小鼠的視網膜中也被發現下調，其在視網膜內皮細胞中的體外敲除被發現調節細胞的增殖、活性和遷移[51]。除此之外，已有多項研究證實Ln?cRNAs參與了糖尿病視網膜病變的發病過程[52-55]。

3.3 LncRNAs與糖尿病心血管疾病

心血管疾病研究表明LncRNAs參與多種心血管疾病發生發展，包括心肌梗塞（myocardial infarction，MI）、心肌肥大、冠心病（coronary heart disease，CHD）、動脈粥樣硬化以及心力衰竭（heart failure，HF）等[56]。LEUNG等[57]研究發現Lnc-Ang362在血管平滑肌細胞中被血管緊張素II 信號上調。Lnc-Ang362是mir-221和mir-222的宿主RNA，這兩個miRNAs 參與血管平滑肌細胞的增殖。因此，誘導Lnc-Ang362會導致miR?NAs表達上調，促進細胞增殖，提示LncRNAs與血管細胞、功能的相關性。LncRNA-SRA在不同類型的人類疾病中發揮著關鍵作用，此前已經提到LncRNA-SRA可以抑制脂肪甘油三酯脂肪酶的表達。近年來也有報道稱LncRNA-SRA有助于血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）的增殖，在心血管疾病的病理進程中起著關鍵作用。REN等[58]對糖尿病心血管疾病的五年隨訪研究發現LncRNA-SRA在糖尿病合并心血管疾病患者中特異性下調，并且通過調節VSMCs 的生存能力參與糖尿病心血管疾病的發病機制。因此，血漿LncRNA-SRA可能作為一種潛在的生物標志物，為糖尿病心血管疾病的診斷和預后提供新的參考指標。

4 小結與展望

糖尿病的病因和發病機制極其復雜，至今仍有許多疑問需要解答。近來的研究表明，LncRNAs 的表達和功能的失調反映了多種病理生理狀態，同時也參與了糖尿病的發生與發展。一方面，異常表達的Ln?cRNAs參與細胞組織生命活動，影響糖類、脂肪等營養物質的正常代謝；另一方面，某些LncRNAs的抑制能有效緩解糖尿病及其并發癥的部分癥狀。目前已有不少LncRNAs 被鑒定出具有診斷和治療各種疾病的潛力。在體液中，LncRNAs 能夠抵抗核糖核酸酶的作用而具有高度穩定性[59]，再加上它們模仿疾病進展的表達模式，使其成為理想的生物標記物候選者。另外，Ln?cRNAs 因其在調節細胞通路方面的特異性功能，將可能成為更好的治療靶點。因此，LncRNAs 在糖尿病及其并發癥的診斷、預防和治療中具有非常好的前景，有望被應用于臨床。隨著對糖尿病的不斷了解，期望未來發現更多LncRNAs在糖尿病及其并發癥發病過程中所起的作用。

（利益沖突：無）