微環(huán)境下lncRNA介導(dǎo)miRNA調(diào)控牙周膜干細(xì)胞成骨分化的研究進(jìn)展

潘 樂,段沁顏,程俊翔,洪 鋒,胡亞軍

牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament stem cell,PDLSCs)是牙周組織再生的重要種子細(xì)胞,經(jīng)誘導(dǎo)后成骨分化能力強(qiáng),因而在牙槽骨缺損修復(fù)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。PDLSCs在成骨誘導(dǎo)過程中差異表達(dá)多種長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)[2]。lncRNA是一類長度大于200個核苷酸的非編碼RNA,可與DNA、RNA及蛋白質(zhì)相互作用[3],參與表觀遺傳[4]、轉(zhuǎn)錄水平[5]以及轉(zhuǎn)錄后水平[5]等多個層面的調(diào)控,在多種生理病理過程發(fā)揮重要作用。本文主要討論lncRNA在轉(zhuǎn)錄后水平作為競爭性內(nèi)源性RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)結(jié)合微小RNA(micro RNA,miRNA),充當(dāng)miRNA的海綿,調(diào)控下游靶基因[6]對不同微環(huán)境下PDLSCs成骨向分化的影響。

1 生理狀態(tài)

在成骨誘導(dǎo)過程中,多種lncRNA表達(dá)發(fā)生變化,并通過不同的信號通路來影響PDLSCs的成骨分化。一些lncRNA發(fā)揮著促進(jìn)PDLSCs成骨向分化的作用,而有些lncRNA則抑制PDLSCs成骨向分化。

1.1 促進(jìn)PDLSCs成骨分化相關(guān)的lncRNA

Fer-1家族成員4(Fer-1-like family member 4,FER1L4)是一個新發(fā)現(xiàn)的lncRNA,位于人類第20號染色體上。Huang等[7]發(fā)現(xiàn)在成骨誘導(dǎo)牙周膜干細(xì)胞的過程中,FER1L4表達(dá)呈上升趨勢,并且FER1L4可海綿化miR-874-3p,促進(jìn)下游靶基因血管內(nèi)皮生長因子A的表達(dá),正向調(diào)控PDLSCs的成骨分化過程;過表達(dá)FER1L4的PDLSCs能促進(jìn)小鼠顱骨缺損區(qū)形成骨組織和膠原組織,說明FER1L4正向調(diào)節(jié)PDLSCs的成骨分化。

前列腺癌相關(guān)的ncRNA轉(zhuǎn)錄物(prostate cancer-associated ncRNA transcript-1,lncRNA PCAT1)在成脂肪分化與成軟骨分化中無改變,而在成骨誘導(dǎo)后特異性增高。PCAT1通過海綿化miR-106a-5p,一方面直接促進(jìn)BMP2的表達(dá),正向調(diào)控PDLSCs成骨分化;另一方面通過唯一可預(yù)測的轉(zhuǎn)錄因子E2F5結(jié)合PCAT1啟動子區(qū)域形成前反饋調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來間接促進(jìn)PDLSCs成骨分化[8]。

X失活特異轉(zhuǎn)錄物(X-inactive specific transcript,XIST)[9]和長鏈非編碼RNA核仁小RNA宿主基因4(long non-coding RNA nucleolar small RNA host gene 4,LncRNA SNHG4)[10]分別海綿化miR-214-3p和miR-152-3p,促進(jìn)PDLSCs成骨分化。轉(zhuǎn)移相關(guān)肺腺癌轉(zhuǎn)錄物1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)[11]、Prader Willi/Angelman區(qū)域RNA 6(Prader Willi/Angelman region RNA 6,PWAR6)[12]和長鏈基因間非編碼RNA 00707(long intergenic non-coding RNA 00707,LINC00707)[13]分別海綿化miR-155-5p、miR-106a-5p和miR-490-3p,分別通過負(fù)向調(diào)控靶基因EST1、BMP2和FOXO1,從而促進(jìn)PDLSCs成骨分化。牛磺酸上調(diào)基因(taurine-upregulated gene 1,TUG1)海綿化miR-222-3p,負(fù)向靶控Smad2/7通路,促進(jìn)PDLSCs成骨分化[14]。這些研究為牙周組織骨再生的靶向治療方案提供了寶貴的線索。

1.2 抑制PDLSCs成骨分化相關(guān)的lncRNA

抗分化非編碼RNA(antidifferentiation noncoding RNA,ANCR)是一種負(fù)向調(diào)控干細(xì)胞分化的新型lncRNA[15]。低表達(dá)ANCR可以促進(jìn)牙髓干細(xì)胞、根尖乳頭干細(xì)胞及PDLSCs的成骨、成脂以及神經(jīng)源性分化[16],并通過激活WNT信號通路促進(jìn)PDLSCs成骨分化和增殖[17];高表達(dá)的ANCR可海綿化miR-758負(fù)向調(diào)控Notch2,抑制WNT/β-catenin信號通路,導(dǎo)致PDLSCs成骨分化能力減弱[18]。

LncRNA母系表達(dá)基因3(maternally expressed gene 3,MEG3)是調(diào)控人類發(fā)育及多種疾病的重要因子。MEG3在成骨誘導(dǎo)后表達(dá)減少,其與異質(zhì)核糖核蛋白I相互作用會抑制BMP2的表達(dá),從而抑制PDLSCs成骨分化與增殖,促進(jìn)凋亡[19]。

抑制鉀電壓門控通道亞家族Q成員1重疊轉(zhuǎn)錄本1(potassium voltage-gated channel subfamily Q member 1 overlapping transcript 1,KCNQ1OT1)能靶向上調(diào) miR-24-3p的表達(dá),進(jìn)而抑制PDLSCs成骨分化[20]。

以上研究證實了多個lncRNA響應(yīng)成骨誘導(dǎo)發(fā)生了顯著變化,通過調(diào)控下游miRNA、mRNA、信號通路以及蛋白合成在PDLSCs成骨分化中發(fā)揮重要調(diào)控作用,為牙槽骨再生提供了多個潛在的治療靶點。

2 炎癥微環(huán)境

在炎癥狀態(tài)下,PDLSCs成骨分化能力受損[21],lncRNA表達(dá)譜發(fā)生顯著改變[22]。Liu等[23]通過生信分析和體外實驗研究發(fā)現(xiàn)MEG3可通過海綿化miR-27a-3p,上調(diào)IGF1的表達(dá),激活PI3k/Akt信號通路,促進(jìn)炎癥PDLSCs成骨分化。在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的炎癥微環(huán)境中,MEG3可海綿化miR-143-3p,抑制AKT/IKK信號通路,從而減少細(xì)胞凋亡、減輕炎癥反應(yīng)以及促進(jìn)細(xì)胞增殖[24]。因此,MEG3在牙周炎損傷中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用,為改善炎癥狀態(tài)下PDLSCs成骨分化能力提供了可能的靶向治療方案。

lncRNA INK4位點的反義非編碼RNA(antisense non-coding RNA in the INK4 locus,ANRIL)是牙周炎的最佳復(fù)制遺傳危險因子[25],在牙周炎患者牙齦組織內(nèi)表達(dá)正常,但在外周血中表達(dá)明顯下調(diào)[26]。ANRIL在炎性PDLSCs中低表達(dá),可海綿化miR-7激活NF-κB信號通路抑制炎性PDLSCs成骨分化[27]。另一研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)ANRIL通過海綿化miR-7-5p靶向下游基因胰島素樣生長因子受體,發(fā)揮著促進(jìn)炎性PDLSCs成骨向分化的作用[28],證明ANRIL在炎性PDLSCs成骨分化中的重要作用。

Wang等[29]發(fā)現(xiàn)lncRNA-POIR(ENST0000044-6358)在炎性PDLSCs中表達(dá)下降,而在成骨誘導(dǎo)炎性PDLSCs后上升;體內(nèi)外研究均證實了lncRNA-POIR作為miR-182的ceRNA,能減少靶基因FoxO1的表達(dá),抑制WNT信號通路,促進(jìn)炎性PDLSCs的骨形成。Li等[30]研究發(fā)現(xiàn)LINC01133海綿化miR-30c,正向靶控骨-羧谷氨酸蛋白促進(jìn)炎性PDLSCs的成骨分化。在LPS誘導(dǎo)的炎癥微環(huán)境下,OIP5-AS1直接靶向并下調(diào)miR-92a-3p的表達(dá),促進(jìn)PDLSCs成骨向分化及增殖,還抑制炎癥因子的表達(dá)[31]。MALAT1通過上調(diào)miR-383-5p靶向SOCS3從而改善炎癥狀態(tài)下PDLSCs的成骨分化及增殖能力、減少PDLSCs凋亡[32]。

越來越多研究表明lncRNA在調(diào)控炎性PDLSCs成骨分化中扮演重要角色,這為治療牙周炎、修復(fù)牙槽骨吸收以及促進(jìn)骨形成提供了可能的靶向治療方案。

3 力學(xué)刺激

PDLSCs是介導(dǎo)牙周組織重塑的機(jī)械力敏感細(xì)胞[33],具有在正畸牙移動過程中誘導(dǎo)壓力側(cè)骨吸收和拉力側(cè)骨再生的能力[34];不同應(yīng)力刺激下,PDLSCs中l(wèi)ncRNA表達(dá)水平改變,影響PDLSCs成骨分化。

3.1 拉應(yīng)力

Wang等[35]對PDLSCs施加10%的等雙軸應(yīng)變力,在1.0 Hz作用下持續(xù)12 h,檢測到1 339個lncRNA和1 426個mRNA存在差異表達(dá),基于miRNA微陣列分析的結(jié)果整合,構(gòu)建了拉應(yīng)力相關(guān)的lncRNA介導(dǎo)的ceRNA網(wǎng)絡(luò)。Lin等[36]通過測序及qPCR驗證發(fā)現(xiàn)PDLSCs用12%拉應(yīng)力加載后lncRNA CYTOR、MIR22HG和SNHG3表達(dá)水平升高,RUNX2、COL1 mRNA和蛋白表達(dá)上調(diào),PDLSCs成骨分化能力增強(qiáng)。其具體機(jī)制有待體內(nèi)外研究進(jìn)一步證實。

3.2 壓應(yīng)力

壓應(yīng)力(compression force,CF)作用下PDLSCs成骨分化能力減弱,FER1L4、HIF1A-AS2、MIAT、NEAT1、ADAMTS9-AS2和LUCAT1表達(dá)增加,MIR31HG、HHIP-AS1和DHFRP1表達(dá)降低[37]。其中,FER1L4在CF刺激下可抑制AKT通路,增加FOXO3核易位,從而介導(dǎo)PDLSCs的自噬[38];刺猬相互作用蛋白反義RNA(Hedgehog-interacting protein antisense RNA 1,HHIP-AS1 )促進(jìn)PDLSCs成骨分化、抑制PDLSCs橫向及縱向遷移[39],敲低HHIP-AS1導(dǎo)致ROR2、CXCL12和NEAT-1表達(dá)上調(diào),FGF5和LINC00973表達(dá)下調(diào),其如何影響PDLSCs成骨分化有待深入研究。

Zhang等[40]構(gòu)建了壓應(yīng)力作用下的PDLSCs模型、正畸牙移動的大鼠模型以及收集正畸治療期間受力后患者的牙周膜組織,發(fā)現(xiàn)在CF刺激下,分化拮抗非蛋白編碼RNA(differentiation antagonizing non-protein coding RNA,DANCR)可海綿化miR-34a-5p,影響Jagged1的蛋白合成,促進(jìn)牙周膜組織內(nèi)的泛素化,增加破骨細(xì)胞的數(shù)量,加劇正畸牙移動過程中的牙根吸收。有研究表明下調(diào)DANCR可以促進(jìn)PDLSCs成骨分化[41],這為DANCR調(diào)控PDLSCs的成骨分化提供了又一研究證據(jù)。

3.3 靜態(tài)牽張力

秦文[42]對炎性PDLSCs行12%靜態(tài)牽張力干預(yù)或成骨誘導(dǎo),發(fā)現(xiàn)LINC00638表達(dá)顯著增加,LINC00638通過miR-424-5P/FGFR1促進(jìn)炎性PDLSCs成骨分化;另一方面14%靜態(tài)牽張力使LINC00638表達(dá)增加,miR-29a表達(dá)降低,對炎性PDLSCs的成骨分化和增殖產(chǎn)生抑制作用[43]。研究表明對炎性PDLSCs施加12%靜態(tài)牽張力后,過表達(dá)LINC01135促進(jìn)PDLSCs成骨分化;LINC01135與miR-106a-5p內(nèi)源性結(jié)合,抑制炎性PDLSCs成骨分化[44]。Liu等[45]發(fā)現(xiàn)在12%靜態(tài)牽張力干預(yù)下,XIST可使健康及炎性PDLSCs的成骨能力明顯增強(qiáng)。

力學(xué)刺激與PDLSCs成骨分化息息相關(guān),RNA測序及以上研究部分揭示了lncRNA介導(dǎo)miRNA在其中發(fā)揮的重要作用,為減少正畸治療過程中骨相關(guān)不良反應(yīng)的發(fā)生提供了新的思路。

4 展 望

lncRNA介導(dǎo)miRNA對生理狀態(tài)下、炎癥微環(huán)境以及不同應(yīng)力刺激下PDLSCs的成骨分化具有重要的調(diào)控功能,少數(shù)研究還揭示了其對PDLSCs自噬[38,46]、增殖與凋亡[19,47-48]以及鐵死亡的作用機(jī)制[49]。值得關(guān)注的是,同一個lncRNA在不同微環(huán)境下可能會產(chǎn)生相反的作用,這與lncRNA作用機(jī)制復(fù)雜有關(guān),例如MEG3抑制生理狀態(tài)下的PDLSCs成骨分化[19],卻促進(jìn)炎癥PDLSCs成骨分化、減輕炎癥反應(yīng)[23]。

多個微陣列分析和RNA測序得出了不同刺激下差異表達(dá)的lncRNA,學(xué)者們借助生信工具對數(shù)據(jù)庫挖掘構(gòu)建了以lncRNA主導(dǎo)的ceRNA網(wǎng)絡(luò),涉及炎癥微環(huán)境[22,50]、成骨誘導(dǎo)[51]、力學(xué)刺激[35]、缺氧等方面[52]。其中,模擬缺氧狀態(tài)對探明壓應(yīng)力刺激[53]的影響意義重大,但此方面研究較少,構(gòu)建ceRNA網(wǎng)絡(luò)為后續(xù)研究提供了方向。

研究不同微環(huán)境下lncRNA對PDLSCs成骨分化的作用機(jī)制可為修復(fù)牙槽骨缺損及減少正畸治療過程中骨相關(guān)不良反應(yīng)的發(fā)生提供一個新思路。目前的大部分研究尚停留在體外階段,有待進(jìn)一步體內(nèi)研究證據(jù)支持,已發(fā)現(xiàn)并證實的lncRNA作用機(jī)制僅為冰山一角,其復(fù)雜且重要的功能仍需深入探索,這將有望為相關(guān)疾病的診斷、治療及預(yù)后提供一個全新的臨床應(yīng)對策略。