長鏈的非編碼RNA生長停滯特異性轉錄本5在骨關節炎中的研究進展

張曉彤，郝婧婧，李芳，紀斌平，張芳芳

作者單位：1山西醫科大學第二臨床醫學院，山西 太原 030000；

2山西醫科大學第二醫院風濕免疫科，山西 太原 030000；

3山西華晉骨科醫院骨科，山西 太原030400

骨關節炎（osteoarthritis，OA）是一種可致殘的慢性、退行性疾病。據估計，全世界有3 億人患有OA［1］。作為最常見的關節炎，OA 與多種危險因素有關，大體可分為兩類：關節因素，如創傷、異常機械應力及對線不良，以及非關節因素，如衰老、肥胖、性別和遺傳，在以上一系列因素的獨立或相互作用下，機體出現代謝異常、關節內穩態破壞、氧化應激、免疫紊亂及炎癥等異常反應而導致OA 的發生。關節疼痛、僵硬及腫脹為其典型癥狀，隨著病情的發展，關節活動性和功能終將喪失。隨著老齡化進程的加快和預期壽命的延長，未來OA 的患病率將不斷增加，這不僅加重了人類的健康負擔，甚至對衛生系統及社會經濟產生巨大影響。

長鏈的非編碼RNA（long noncoding RNA，LncRNAs）是由RNA 聚合酶Ⅱ轉錄而成，具有高度保守性的長度≥200 個核苷酸的核糖核酸。在過去，lncRNAs 被認為是在功能上不能定性的“暗物質”。然而，LncRNAs 通常位于細胞核和細胞質中，經轉錄后修飾，在眾多生物學過程中發揮著關鍵作用，比如調控表觀遺傳、調節基因表達轉錄、組織蛋白復合物、傳遞細胞間通訊以及參與核亞結構的形成。研究報道，lncRNAs 是多種慢性疾病發病機制中的關鍵參與者，例如癌癥、心血管疾病、神經系統疾病［2-3］。先前還有研究表明，大量的lncRNAs 參與了OA的主要病理過程［4］。一項研究利用Illumina測序平臺在OA 軟骨中檢測出多種差異性表達的lncRNAs，其中包括Lnc RNA 生長停滯特異性轉錄本5（growth arrest-specific 5，Gas5）［5］。可見LncRNA Gas5 是影響OA 發生發展的重要物質。現對LncRNA Gas5 在OA 中的研究進行綜述，為OA 的分子機制提供參考依據。

1 LncRNA Gas5概述與其生理學功能

LncRNA Gas5 基因最初是從小鼠基因組DNA中分離出來的，因存在于生長停滯細胞的細胞質中而命名。該基因位于染色體1q25.1上，由12個外顯子和11個內含子組成，內含子通過剪接產生兩個成熟的LncRNAs（Gas5a 和Gas5b）與多個小核仁RNA（small nucleolar RNA，SnoRNAs）。盡管LncRNA Gas5 帶有一個短的開放閱讀框架，但它不能編碼蛋白質，從而成為SnoRNAs 的宿主。由于終止密碼子的存在，沒有轉錄本被翻譯成蛋白質，它們通過衰變途徑被降解。Gas5 的水平由其降解控制，而不是由其轉錄程度控制［6-8］。LncRNA Gas5 具有不同的轉錄起始點和多種剪接形式［9］。這一特點尤其可以解釋LncRNA Gas5可以發揮多種生物學功能。

近年來，LncRNA Gas5 被證明與人類許多疾病有關，特別是癌癥，其表達水平在多種惡性腫瘤中下調，包括包括非小細胞肺癌、乳腺癌、肝細胞癌、食管癌、胃癌、結腸癌、胰腺癌、宮頸癌、卵巢癌、腎細胞癌。在功能上，LncRNA Gas5參與細胞增殖、凋亡、遷移、侵襲和上皮-間質轉化以及DNA 修復。這些功能是通過 多種分子機制調節靶基因實現的，比如（1）核轉錄抑制類固醇激素調節轉錄；（2）序列結合DNA 形成RNA-DNA 三鏈復合體，觸發或抑制基因表達；（3）結合蛋白以表觀遺傳方式調控靶基因表達的啟動子組蛋白甲基化；（4）特異結合miRNAs，發揮競爭性內源RNA 的功能，調控mRNAs 的表達；（5）通過激酶信號調節途來調節基因表達［10］。令人感興趣的是，近來越來越多的研究提示LncRNA Gas5與OA的發生發展密切相關。

2 LncRNA Gas與OA

2.1 LncRNA Gas5 與OA 的軟骨細胞凋亡參與OA 發病機制的主要過程是關節軟骨退化，軟骨細胞凋亡在其中起重要作用。在正常情況下，軟骨細胞的增殖和凋亡過程在軟骨組織中以有序的方式進行協調。當軟骨細胞發生過度凋亡時，會發生軟骨內部紊亂，導致軟骨功能異常。Blanco等［11］證明，OA 軟骨中凋亡軟骨細胞的比例明顯高于正常組織中的比例（11%比5.1%，P＜0.01），這證實了軟骨細胞凋亡與OA 相關。Gao等［12］的實驗結果顯示，Gas5在OA 病人血清和軟骨中表達上調，并通過下調miR-137 誘導軟骨細胞凋亡和抑制其增殖。在OA的軟骨損傷中，軟骨細胞的增殖和凋亡打破動態平衡，軟骨細胞啟動自噬機制，促進溶酶體分解受損的細胞和細胞器，抑制細胞凋亡。Ji 等［13］的研究進一步證明，LncRNA Gas5 在OA 軟骨組織中高表達，并隨著OA 的進展而增加。LncRNA Gas5 抑制軟骨細胞自噬并促進其凋亡，其抑制自噬作用是通過競爭性地與miR-144 結合，調節mTOR 的表達實現的。此外，他們的另一研究通過雙熒光素酶檢測得到驗證，LncRNA Gas5 通過miR-34a/Bcl2 軸調節軟骨細胞的生物學行為， miR-34a 過表達抑制細胞凋亡，LncRNA Gas5 被敲除后，miR-34a 水平顯著上調，Bcl2 水平顯著下調，，從而抑制軟骨細胞凋亡［14］。研究表明，miR-21 會刺激軟骨細凋亡，并抑制一些自噬復合體的表達，而LncRNA Gas5 的異位表達能夠抑制miR-21的誘導［15］。在體外實驗中，當軟骨細胞受到脂多糖刺激時，軟骨細胞凋亡顯著，而LncRNA Gas5的過表達可以通過抑制核因NF-kB 和Notch 信號通路減輕脂多糖引起的小鼠軟骨細胞細胞凋亡及炎癥反應［16］。由此可見，LncRNA Gas5 是維持軟骨細胞正常代謝的重要物質，可以調控不同的下游靶點及通路進而調節軟骨細胞凋亡。

2.2 LncRNA Gas5 與OA 的軟骨基質代謝軟骨基質的代謝平衡是保證軟骨組織正常功能的關鍵條件。軟骨組織由軟骨細胞和軟骨基質共同構成。在健康關節中，軟骨細胞嵌入軟骨基質并負責其成分的合成與分泌，基質的主要成分是Ⅱ型膠原和蛋白聚糖。在OA 中，軟骨細胞釋放炎性細胞因子繼而誘導基質降解酶基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMPs）和金屬蛋白酶域蛋白（a disintegrin and metal- loproteinase with thrombospondinmotifs ，ADAMTS）的表達來降解軟骨ECM，進而導致軟骨退變。lncRNA GAS5在調節軟骨基質的動態平衡方面發揮重要作用。研究發現，LncRNA Gas5 的過表達增加了幾種MMPs 的表達水平，如MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13 和ADAMTS-4［16］，這一作用會刺激軟骨基質降解。一項動物實驗結果表明，抑制LncRNA Gas5 的表達會下調MMP-9、MMP-13 的表達，上調金屬蛋白酶抑制劑（tissueinhibitorofmetalloprotein-ase，TIMP）-1、TIMP-3 和Ⅱ型膠原的表達，從而調節細胞外基質的動態平衡［17］。TIMP-3 被證明參與軟骨基質的修復與重建，在OA 病人的軟骨細胞中有表達，且能抑制MMPs 對軟骨基質的降解［18］。何小文等［19］的實驗發現，TIMP-3 在軟骨組織中低表達，而LncRNA Gas5 為高表達；LncRNA Gas5經富集DNA 甲基化轉移酶，抑制了TIMP-3 的表達，從而促進軟骨細胞膠原蛋白降解。Zheng 等［20］的研究發現，機械刺激可顯著增加MMP-13 和LncRNA Gas5 的表達，促進軟骨基質的降解。另外，他們驗證了miR-27a 是LncRNA Gas5 的靶點，miR-27a 的過表達下調了MMP-13 的表達，對機械刺激誘導的基質降解起到保護作用。也就是說，LncRNA Gas5 可通過調控軟骨細胞中MMP-9、MMP-13、ADAMT-5以及TIMP-3等的表達維持軟骨基質的代謝平衡。

2.3 LncRNA Gas5 與OA 的成骨分化在正常的骨組織中，成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞介導的骨吸收通常處于動態平衡以維持骨穩態。在OA中，成骨細胞功能失調，破壞了骨形成與骨吸收間相互作用的平衡，導致軟骨下硬化，骨贅形成。成骨細胞是間充質細胞的衍生細胞，在早期骨形成和骨重建中負責成骨和礦化。多項研究顯示，LncRNA Gas5是成骨分化的重要調節因子。Li等［21］的研究表明，LncRNA Gas5 的表達與成骨細胞的分化呈正相關。從機制上講，Smad7 在成骨分化中起負向調節的作用，LncRNA Gas5 通過特異性結合和聚集UPF1，加速Smad7 的降解，從而促進成骨細胞分化。Runx2、Col1a1 和骨鈣素是關鍵的成骨標記基因，ALP活性是成骨的早期標志。在Wang等［22］的實驗中，LncRNA Gas5 的上調顯著增加了Runx2、Col1a1 和骨鈣素的表達，并增加了ALP 活性和基質礦化， 并通過海綿miR-135a-5p 正向調節FOXO1 的表達，促進BMSCs 的成骨能力。miR-222-3p 低表達可通過 IGF- 1 / ERK 途徑和 Smad5-Runx2 信號軸促進骨髓間充質干細胞成骨分化。郭燁等［23］的研究發現，人牙周膜干細胞（human periodontal ligament stem cells，PDLSCs）成骨分化后LncRNA Gas5 表達上調，LncRNA Gas5低表達的hPDLSCs中miR-222-3p表達升高，LncRNA Gas5 通過結合miR-222-3p 靶向調控hPDLSCs 成骨分化。可見，LncRNA Gas5 在間充質干細胞成骨分化過程中起正向調控作用。間充質干細胞具有分化多種細胞的潛能，主要是向成骨細胞分化，對調控骨組織重建和代謝有重要作用，LncRNA Gas5 有望通過靶向調控間充質干細胞的成骨分化對OA產生影響。

2.4 LncRNA Gas5 與OA 的治療目前OA 無法治愈，直至疾病終末期，侵入性的外科治療不可避免。因此，非常有必要研發治療OA 的有效方案，進而阻止發病關節發生不可逆轉性的破壞，從而改善疾病預后。鄭若曦等［24］的實驗表明，OA 組中LncRNA Gas5 表達高于正常組，miR-21 低于正常組，MMP -3、MMP -9、MMP -13、ADAMTS -5mRNA 表達上升，經獨活寄生湯和鹽酸氨基葡萄糖膠囊治療，MMP-3、MMP-9、MMP-13、ADAMTS-5 表達均下調，且獨活寄生湯效果優于鹽酸氨基葡萄糖。也就是說獨活寄生湯可能通過調控LncRNAGas5/miR-21，延緩軟骨細胞外基質降解，對OA 起到治療作用。與之相似，榮筋拈痛同樣經調控LncRNAGas5/miR-21 下調MMP-3、MMP -9，上調TIMP-3、Ⅱ型膠原和聚集蛋白聚糖的表達，延緩軟骨基質降解，減輕軟骨組織形態結構的破壞。因此，LncRNA Gas5有望成為有效治療OA的新的靶點。

3 小結與展望

OA 是一種高度致殘的骨骼肌肉疾病，不僅給病人帶來極大痛苦，也給家庭及社會造成重大經濟負擔。目前沒有特異性治療方法能夠抑制或延緩OA 的進展，針對OA 的治療僅限于早期疾病的鎮痛和晚期疾病的手術關節置換。近年來，越來越多的研究證明lncRNA Gas5的異常表達與OA 緊密相關。依據上述研究結果，LncRNA Gas5 通過調控軟骨細胞凋亡、軟骨基質代謝和成骨分化進而影響OA 的病變發展，但具體調控機制錯綜復雜。另外，LncRNA Gas5 可能作為一種新的標志物在OA 診斷及治療中發揮作用。LncRNA Gas5 在OA 中的研究尚處于初始階段，未來的研究領域將著重于探索LncRNA Gas5 及其調控網絡在OA 發病機制中作用，尋求治療OA的有效靶點。