長鏈非編碼RNA在AKI向CKD轉變中的作用研究進展

李玉清 胡瓊丹 王 麗

急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)是以腎功能在短時間內迅速下降為特征的腎臟疾病。全世界每年AKI新發病例約1330萬,在我國重癥監護室中,危重患者 AKI 發生率達到了30%～50%[1]。有臨床數據提示,即使是較快恢復的輕度AKI仍有較高的可能性轉變成慢性腎臟病(chronic kidney disease,CKD)[2]。AKI向CKD轉變通常認為是由AKI的不完全修復而引起的長期功能缺陷[3]。AKI向CKD轉變的病理機制涉及多種細胞類型、不同細胞活動以及復雜的分子網絡調控,主要包括腎小管上皮損傷、免疫細胞浸潤、成纖維細胞活化和間質纖維化等。

長鏈非編碼RNA(long non-coding RNAs, lncRNAs)是在表觀遺傳水平上起著重要調控作用的基因組轉錄產物,其發揮作用的方式多樣,如可以直接與基因組序列相互作用調節基因轉錄,充當競爭性內源RNA影響mRNA穩定性,還可以與蛋白質相互作用進而調節蛋白功能。此外,lncRNAs在不同細胞、組織、疾病,甚至同一疾病的不同階段,都表現出表達模式的特異性,可作為疾病發生、發展的潛在生物學標志物。鑒于此,本文圍繞lncRNAs在AKI向CKD轉變的病理機制的相關研究進行總結,并展望了lncRNAs在AKI向CKD轉變方面的臨床應用前景。

一、lncRNAs的細胞定位與作用方式

lncRNAs是一類長度大于200nt的非編碼RNA,能夠參與生命體的眾多生理及病理過程。在真核生物中,lncRNAs多由RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)轉錄生成,經過加帽、剪接、多聚腺苷酸化,最終折疊形成二級、三級結構[4]。lncRNAs是基因調控網絡中至關重要的調節因子,在不同生命過程中發揮作用的方式與其特定的亞細胞定位有關。多數的lncRNAs富集于細胞核中,通過與核內的DNA、RNA和蛋白質相互作用,順式(cis)或反式(trans)調節基因的轉錄,或調控染色質的結構和功能,或參與無膜細胞核亞結構——核旁斑(paraspeckle)的組裝[6]。

轉運至細胞質中的lncRNAs可以調節mRNA的穩定性從而調控蛋白翻譯,也可以直接調控蛋白質翻譯后修飾,lncRNAs還可以競爭結合miRNAs從而負向調控相應miRNAs的功能[7]。此外,還有少部分lncRNAs分布于線粒體、內質網等細胞器隔室中參與細胞器本身的功能與代謝,或定位于細胞間連接處,參與調節信號轉導和維持細胞連接的穩定,或被包裝入外泌體進行細胞間轉移,進而發揮細胞間的調控作用[8]。最后,值得注意的是,部分注釋的lncRNAs被發現可以翻譯、編碼功能性短肽[9]。因此,當研究細胞質lncRNAs的功能時需先評估其編碼潛力,確保實驗結果反映的是RNA的功能。

表1 AKI向CKD轉變過程中已知功能lncRNAs

二、lncRNAs與腎小管上皮細胞損傷

腎近端小管上皮細胞損傷是AKI向CKD進展的驅動因素。當腎臟處于缺血、缺氧、藥物、毒素等導致的病理狀態時,腎小管上皮細胞(tubular epithelial cell,TECs)極易受到損傷。損傷后的TECs可通過去分化、增殖和再分化促進腎單位的修復,當修復機制受限或受損,則會促進AKI向CKD進展[31]。TECs發生不完全修復時,細胞內出現多途徑的細胞程序性死亡相關信號通路的激活、G2/M期細胞周期阻滯、持續性氧化應激等病理變化,lncRNAs在此過程中起著重要的作用。Liu等[10]在人近端腎小管上皮細胞系(HK-2細胞)構建的缺氧誘導的急性腎損傷體外模型中證實,lncRNA MEG3作為細胞質lncRNA可與miR-145-5p競爭性結合以上調rhotekin蛋白(RTKN)的表達,激活Wnt/β-catenin通路,從而誘發線粒體自噬和細胞凋亡。

在人原代TECs構建的AKI模型中,MEG3被發現可競爭性結合miR-18a-3p,促進Gasdermin D表達,激活細胞焦亡信號途徑,誘發TECs焦亡[11]。在缺血缺氧誘導的AKI小鼠體內外模型中,lncRNA ENSMUST_147219能夠競爭性結合miR-221-5p,促進半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶3 (caspase-3) 增加,從而促進腎近端小管上皮細胞凋亡[12]。此外,也有研究發現在小鼠腎近端小管中敲除mmu-lncRNA 121686能夠顯著減弱缺血缺氧誘導的細胞凋亡。hsa-lncRNA 520657與mmu-lncRNA 121686序列具有同源性,功能相似,均能作為miR-328-5p的分子海綿,參與缺血、膿毒癥以及萬古霉素誘導的AKI進展[13]。

近端腎小管損傷后,G2/M期停滯的TECs可以通過分泌更多的促纖維化細胞生長因子(如TGF-β、CCN2等)參與AKI后的促纖維化進程[32]。lncRNAs與細胞周期G2/M期停滯相關研究很少,這提示lncRNAs調控TECs損傷后的G2/M期細胞周期停滯能夠成為未來研究AKI向CKD進展的分子機制的切入點。Jiang等[14]研究發現,在人原代臍靜脈內皮細胞中敲低lncRNA WEE2-AS1,增加了細胞分裂周期因子25(CDC25B)的表達,提出核定位的WEE2-AS1可能通過正向調節正義鏈上WEE2編碼基因的表達,抑制成熟促進因子活性,阻止細胞由G2期向M期轉換,但lncRNAs如何在腎臟G2/M期細胞周期停滯中發揮作用尚缺乏相關實驗證據。

TECs內持續性氧化應激、Nrf2抗氧化防御機制受損可促進AKI向CKD轉變。lncRNAs參與了TECs中的氧化應激,在氧化或抗氧化系統中發揮著積極或消極作用。例如,研究發現lncRNA ENST00000453774.1(lncRNA 74.1)可以通過增強Nrf2-keap1信號轉導來抑制TGF-β誘導的HK-2細胞中的氧化應激,從而減緩纖維化進程。Shi等[16]研究發現,lncRNA SNHG14可以通過與miR-93競爭性結合,從而負向調控miR-93靶向IL-1受體相關激酶4(interleukin-1 receptor-associated kinase4,IRAK4)和IL-6R阻斷NF-κB、STAT3信號轉導的功能,最終加劇LPS誘導的HK-2細胞的氧化應激,加速細胞死亡。

三、lncRNAs與免疫細胞浸潤

持續存在的炎性反應是促進AKI向CKD轉變的關鍵因素。損傷后的TECs釋放損傷相關模式分子(danger associated molecular pattern,DAMPs),招募先天免疫細胞如單核細胞、中性粒細胞等聚集至受損部位參與一系列的促炎或抗炎反應[33]。lncRNAs可通過參與趨化因子的產生、炎癥相關基因的表達或免疫細胞的激活、分化等多種調控機制參與腎臟中的炎性反應。如lncRNA IRAR能夠通過調節TECs中CCL2、CXCL1、CXCL2等趨化因子的表達促進缺血性AKI的病程進展[18]。LRNA9884則可以通過上調MIF的產生,加劇腎臟炎性反應[19]。巨噬細胞由于本身功能的復雜性,是腎臟持續性炎性反應的主要參與者。例如,Hu等[17]研究發現,lincRNA-Cox2的表達水平在 LPS刺激后的RAW264.7 細胞(小鼠巨噬細胞細胞系)中快速上升,lincRNA-Cox2能夠將NF-κB 亞基整合到SWI/SNF復合物中,最終調節SWI/SNF相關的染色質重塑和巨噬細胞中晚期炎癥相關基因的轉錄。Atianand等[20]研究發現,lincRNA-EPS是重要的炎癥抑制因子,它可以通過與核內不均一核糖核蛋白L(hnRNPL) 相互作用抑制巨噬細胞內炎癥相關基因的表達,lincRNA-EPS敲除小鼠在脂多糖 (lipopolysaccharide,LPS) 刺激后會表現出更強的炎性反應和更高的致死率。

lncRNAs也是調控巨噬細胞表型轉變的重要參與者。例如,人類巨噬細胞特異性存在的lincRNA Mac ORIS主要位于細胞質中,敲低Mac ORIS能夠增強巨噬細胞中IFN-γ誘導的JAK2和STAT1的磷酸化,這表明Mac ORIS能夠阻斷IFN -γ信號轉導,抑制巨噬細胞M1型極化[21]。Cao等[22]通過微陣列分析發現,lncRNA-MM2P是唯一在M1型巨噬細胞中下調但在M2型巨噬細胞中上調的lncRNA。進一步研究發現,lncRNA-MM2P能夠通過調節 STAT6 的激活,促進IL-13 或IL-4刺激的巨噬細胞 M2型極化。而Han等[23]研究發現,在IL-4 刺激的小鼠骨髓來源的巨噬細胞中,核定位lncRNA PTPRE-AS1與WDR5直接結合,激活受體型酪氨酸磷酸酶ε(PTPRE)轉錄,并通過MAPK/ERK 1/2 通路抑制巨噬細胞M2型極化。此外,Tregs(調節性T細胞)的消耗可能會促使腎臟疾病進展,影響AKI后的腎臟修復[34]。雖有報道lncRNA Flicr、lncEGFR等與Tregs的激活和分化相關,但仍需要更多的證據去闡明這些lncRNAs如何在體內調控適應性免疫細胞的功能以及如何參與腎臟中的慢性炎性反應[24,25]。

四、lncRNAs與肌成纖維細胞活化和間質纖維化

受損的TECs可通過間質轉化或以旁分泌方式促使肌成纖維細胞活化,進而促進細胞外基質的聚集,驅動腎臟疾病向纖維化進展,是AKI向CKD轉變中的重要環節。lncRNAs則可通過調控肌成纖維細胞形成或調節TGF-β等纖維化相關信號通路參與AKI后的腎臟纖維化進程。例如,在人和小鼠中保守的lncRNA Rian和Miat,被證實能夠參與肌成纖維細胞的形成。在小鼠成纖維細胞NIH3T3 細胞中,敲低Rian能夠增強纖維化相關基因,如α-SMA、Col1α1、Smad3等的表達,而敲低Miat則會抑制上述纖維化相關基因的表達[27]。Chen等[26]通過建立缺血再灌注誘導的腎臟纖維化小鼠模型,發現lncRNA Gm12840能夠通過競爭性結合miR-677-5p,解除miR-677-5p對Wnt1誘導信號通路蛋白(WISP1)表達的抑制,參與TGF-β1誘導的成纖維細胞活化。

TGF-β/Smad是促使腎臟纖維化的核心信號通路[35]。通過在病程早期靶向特定lncRNAs阻斷TGF-β/Smad信號轉導可能會成為阻斷AKI向CKD轉變的治療新策略。Feng等[28]研究發現,在小鼠單側輸尿管梗阻模型中,lncRNA Erbb4-IR在 TECs中顯著上調,Erbb4-IR能夠抑制Smad7基因的轉錄從而增強TGF-β信號活性,敲除 Erbb4-IR 則會增加TGF-β1誘導的小鼠TECs 中 Smad7 表達,從而減弱TGF-β1/Smad3 誘導的腎臟纖維化。Wang等[29]研究發現,lnc-TSI在TGF-β1刺激的人TECs中表達明顯增加,lnc-TSI可以直接與Smad3結合并抑制其活化(磷酸化),從而阻斷TGF-β1/Smad3信號轉導,在UUO小鼠模型中過表達人lnc-TSI能夠顯著改善小鼠腎纖維化病變。當然,也有相關研究報道lncRNAs通過調節其他纖維化相關通路介導AKI向CKD的纖維化進展。如,lncRNA-H19通過調控Wnt/β-catenin信號通路在AKI向CKD轉變中誘導腎纖維化[30]。

五、展 望

lncRNAs是AKI向CKD轉變進展過程中的關鍵調控分子,靶向lncRNAs的基因治療可能會成為未來的新興領域。利用外源性載體或外泌體定向輸送功能性lncRNAs至特定細胞,或使用小干擾RNA、反義寡核苷酸、CRISPR/cas9基因編輯技術等方法敲低或敲除某一lncRNA的表達,或靶向特定lncRNA進行小分子化合物的篩選與開發等針對lncRNAs新療法的出現,有助于解決AKI向CKD轉變這一臨床難題,具有臨床應用前景。此外,lncRNAs在不同的細胞類型和腎臟疾病的不同階段中具有顯著的差異化表達,血液或尿液中的外泌體lncRNAs有希望被開發為診斷或預測AKI向CKD進展的生物學標志物。目前,國內外雖有極少的文獻報道lncRNAs可以作為腎臟疾病臨床診斷的標志物,但目前還尚無文獻報道lncRNAs作為生物學標志物指導臨床急性腎損傷的轉歸。由于lncRNAs本身種類繁多、結構復雜、功能多樣,甚至在不同物種間保守性差,給臨床應用研究帶來了極大困難。lncRNAs要成為可靠的生物學標志物或者治療靶點,仍需進行更多的臨床前和臨床試驗研究予以進一步證實。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。