概述

    長鏈非編碼RNA (LncRNA)是一類真核生物中長度大于200 nt的非編碼RNA分子；根據(jù)其與鄰近基因的位置可以分為反義lncRNA、增強子lncRNA、基因間lncRNA、雙向lncRNA、和內(nèi)含子lncRNA；它具有多種作用機制，比如在細胞核中作為分子支架、協(xié)助可變剪接、調(diào)節(jié)染色體結(jié)構(gòu)，或在細胞質(zhì)中調(diào)控翻譯、促進或抑制mRNA降解、吸附miRNA等。LncRNA具有譜系特異性，參與調(diào)控基因組印記、干細胞多潛能分化、胚胎發(fā)育[1]、心臟發(fā)育[2]、造血與免疫系統(tǒng)[3]以及內(nèi)分泌系統(tǒng)[4]等多種生物生理學(xué)過程。在一系列疾病，比如神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病[5]、腎臟疾病、糖尿病和腫瘤[6]中，都發(fā)現(xiàn)了lncRNA的表達紊亂。檢測不同細胞或疾病狀態(tài)下的lncRNA表達量有助于理解其功能、揭示其作用機理、或鑒定有效的分子標志物。

LncRNA分類

    雖然關(guān)于lncRNA已有很多研究，然而目前只有少量lncRNA的功能完全明晰。依據(jù)其與鄰近基因的位置關(guān)系，可將lncRNA分為反義lncRNA、 增強子lncRNA、基因間lncRNA、雙向lncRNA和內(nèi)含子lncRNA (圖一)。LncRNA的位置關(guān)系與其作用機制密切相關(guān)。比如，增強子lncRNA可以介導(dǎo)其來源的增強子區(qū)與基因組上的其他調(diào)控元件發(fā)生短距或長距的相互作用。另外，有些lncNRA可不依賴其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物發(fā)揮作用，而是通過轉(zhuǎn)錄過程本身影響染色體的易接近性或其它蛋白的結(jié)合。根據(jù)細胞定位的不同，還可將lncRNA分為細胞核lncRNA和細胞質(zhì)lncRNA。有些lncRNA則在兩個區(qū)域同時存在。

圖一 根據(jù)基因組位置對lncRNA進行分類。反義lncRNA轉(zhuǎn)錄自蛋白編碼基因的反義鏈，常與一個或多個正義鏈上的內(nèi)含子或外顯子重疊。增強子lncRNA位于基因的增強子區(qū)�；�因間lncRNA位于兩個蛋白編碼基因之間。雙向lncRNA與鄰近基因的轉(zhuǎn)錄方向相反，位于鄰近基因啟動子1kb范圍內(nèi)。內(nèi)含子lncRNA位于編碼基因的內(nèi)含子區(qū)。

LncRNA作用機制

    LncRNA通過二級或三級結(jié)構(gòu)發(fā)揮多種作用機制。大部分lncRNA位于細胞核內(nèi)，可以作為分子支架、協(xié)助可變剪接或調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。有些lncRNA也可在細胞質(zhì)中發(fā)揮功能，比如調(diào)控翻譯，促進或抑制mRNA降解，或者吸附miRNA等（圖二）。

圖二 lncRNA作用機制。大部分lncRNA位于細胞核內(nèi)，招募染色質(zhì)調(diào)控因子到DNA。這些染色質(zhì)調(diào)控因子具有抑制或激活轉(zhuǎn)錄功能，或者作為核組織因子發(fā)揮作用。一些lncRNA還可與特異性蛋白結(jié)合，作為核糖核蛋白復(fù)合體的支架。在細胞質(zhì)中，lncRNA通過吸附miRNA，抑制其對其靶向mRNA的作用。一些lncRNA還通過抑制或增強mRNA的穩(wěn)定性，從而調(diào)節(jié)mRNA的半衰期。

LncRNA的生物生理學(xué)功能

    LncRNA參與多種生物生理過程，在基因組印記、X染色體失活、干細胞分化、胚胎發(fā)育、脂類代謝和脂肪生成過程中發(fā)揮重要功能。

基因組印記和染色體失活

    基因組印記是一種重要的發(fā)育調(diào)控機制，大部分的印記基因參與胚胎發(fā)育[7]。目前發(fā)現(xiàn)有些lncRNA與基因組印記有關(guān)。比如lncRNA Airn為父系來源染色體上gf2r/Slc22a2/Slc22a3基因座的印記沉默所必需。而反義lncRNA Kcnq1ot1參與調(diào)控父系染色體上印記沉默區(qū)Kcnq1基因的功能。在雌性哺乳動物發(fā)育過程中，Xist可導(dǎo)致失活X染色體上的大部分基因表達受抑制，而活性X染色體上的基因表達則不受其影響。

干細胞多潛能分化

    超過100多種lncRNA的啟動子區(qū)可與干細胞因子結(jié)合。這些lncRNA的表達失調(diào)會導(dǎo)致細胞的分化狀態(tài)改變[8]。其中，lincRNA-RoR參與纖維母細胞的干細胞重編程，使纖維母細胞恢復(fù)至多潛能狀態(tài)。因此，這些lncRNA在正常發(fā)育和成體干細胞庫的更新維持中都發(fā)揮重要功能。

胚胎發(fā)育

    由HOX基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子家族參與調(diào)控胚胎發(fā)育和細胞定向分化[3]。一些lncRNA直接參與HOX基因的轉(zhuǎn)錄表達調(diào)控。比如lncRNA HOTTIP與WDR5 (組蛋白修飾復(fù)合物MLL1的關(guān)鍵組分之一)結(jié)合，催化HOXA基因座的H3K4me3標記，維持HOXA基因的轉(zhuǎn)錄激活狀態(tài)。另外一個lncRNA HOTAIR，可以招募抑制性復(fù)合物PRC2，抑制HOXD基因的轉(zhuǎn)錄。

脂類代謝和脂肪生成

    最新的研究表明，lncRNA控制肝臟中的脂類代謝，調(diào)控脂肪生成，從而維持機體的脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)[9]。APOA1編碼蛋白是高密度脂蛋白的重要組分。其反義轉(zhuǎn)錄本APOA1-AS可以在體內(nèi)和體外抑制APOA1的表達。LncRNA NEAT1在脂肪生成過程中調(diào)節(jié)PPARγ2的可變剪接，它還介導(dǎo)miR-140誘導(dǎo)的脂肪生成。

造血與免疫系統(tǒng)

    lncRNA參與造血免疫系統(tǒng)的不同發(fā)育階段和不同激活階段[3]。例如，Lnc-DC可以促進樹突狀細胞轉(zhuǎn)錄因子STAT3的磷酸化與細胞核遷移，從而調(diào)控樹突狀細胞的分化。在LPS刺激后的人巨噬細胞中，lncRNA PACER表達明顯上調(diào)，可特異性的激活鄰近基因COX-2的表達。另外，lncRNA THRIL與hnRNP因子相互作用，為炎癥-細胞因子編碼基因TNF的基底水平表達和誘導(dǎo)性表達所必需。

心臟發(fā)育與功能

    研究人員在心臟發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種差異表達的lncRNA，然而目前只有少量lncRNA功能被研究清楚[2]。比如，lncRNA BVHT在心臟中胚層、胚胎干細胞和心肌細胞中都有表達。敲除BVHT嚴重損害胚胎干細胞產(chǎn)生心肌細胞的能力。另外，lncRNA FENDRR與心臟譜系發(fā)育緊密關(guān)聯(lián)。它只表達于心臟中胚層前體細胞，控制著側(cè)中胚層來源組織（比如心臟）的分化形成。

LncRNA與疾病

    近年來，雖然lncRNA與疾病的研究已獲得初步成效，然而lncRNA疾病整體研究才剛剛起步，需要更多的研究來揭示lncRNA在疾病中的功能，尋找有效的藥物靶點和分子標志物。接下來的部分，我們總結(jié)了lncRNA在多種威脅人類安全的疾病中l(wèi)ncRNA的研究現(xiàn)狀。

腫瘤

    從本質(zhì)上說，腫瘤是一類基因性疾病，通過改變細胞內(nèi)的信息流，從而改變細胞穩(wěn)態(tài)和促進細胞增殖。癌癥全基因組突變分析表明大部分的突變位點位于蛋白非編碼區(qū)域。這些突變會對lncRNA的表達產(chǎn)生顯著影響。LncRNA除了參與腫瘤的惡性轉(zhuǎn)化，還與癌癥細胞生長、增殖、侵襲和生存等多種表型有關(guān)[6]（圖三）。比如，在急性T細胞淋巴癌中，癌基因Notch 1誘導(dǎo)lncRNA LUNAR1的表達，從而上調(diào)胰島素樣生長因子受體1的表達。在前列腺癌中，PCGEM1, PRNCR1, HOTAIR等lncRNA可以直接激活雌激素受體，而CTBP1-AS等lncRNA則可以捕獲雌激素受體抑制蛋白，共同激活雌激素受體信號通路，促進腫瘤增殖。

圖三 LncRNA在腫瘤中的作用。 

神經(jīng)退行性疾病

    在大腦發(fā)育、神經(jīng)元功能維持以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，lncRNA也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。越來越多的證據(jù)表明，lncRNA參與阿爾茲海默癥、帕金森癥和亨廷頓癥等多種神經(jīng)退行性疾病的病理過程[10]。蛋白編碼基因BACE1的反義轉(zhuǎn)錄本BACE1-AS在阿爾茲海默癥病人中高表達。不像其他的反義轉(zhuǎn)錄本與其正義鏈mRNA互補成雙鏈從而抑制其翻譯過程，BACE1-AS可以增強mRNA BACE1的穩(wěn)定性，產(chǎn)生更多的Aβ42。因此，BACE1-AS可能與加速阿爾茲海默癥的疾病進程有關(guān)。

心血管類疾病

    許多l(xiāng)ncRNA已被證明可顯著影響心臟衰竭和心肌梗塞等心血管疾病[5]。在一個心肌梗塞的小鼠模型中，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個顯著上調(diào)的lncRNA Mirt1和MIrt2。這兩個lncRNA在發(fā)生心肌梗塞24小時候達到峰值，在兩天后恢復(fù)到基底水平。在另外一個心臟壓力過載與心肌梗塞的小鼠模型中，重新激活胎兒心臟的轉(zhuǎn)錄組，會導(dǎo)致胎兒心臟增強子相關(guān)的lncRNA轉(zhuǎn)錄本的高表達，提示這些lncRNA可能在心肌梗塞向心臟衰竭轉(zhuǎn)變過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

腎臟疾病與糖尿病 

    糖尿病經(jīng)常伴隨著腎病的發(fā)生[5]. 比如基因間lncRNA PVT1與二類疾病都緊密關(guān)聯(lián)。研究人員在II型糖尿病人的晚期腎病進程中發(fā)現(xiàn)了PVT1的基因變異。高糖處理可以誘導(dǎo)人的腎間質(zhì)細胞中PVT1和纖連蛋白1、IV型膠原蛋白、TGFβ1、PAI1等因子的高表達。相反，敲除PVT1可導(dǎo)致這些因子的顯著下調(diào)。

LncRNA與臨床應(yīng)用

    普遍認為lncRNA具有區(qū)分不同細胞狀態(tài)或細胞內(nèi)生物過程的功能，因此可以用來鑒定病理過程、提供預(yù)后評估或者為個體化療法提供參考。其表達的時空特異性和疾病特異性使其有望成為強有效的分子標志物。已有不少研究揭示，lncRNA在多種疾病生物學(xué)標志物的應(yīng)用中具備潛能（表二）。例如，研究發(fā)現(xiàn)LncRNA MTLIPCAR在發(fā)生左心室重塑的病人中特異性表達，并隨后在788個發(fā)生心臟重塑和心臟衰竭的病人中得到驗證。血液循環(huán)系統(tǒng)中的MTLIPCAR高表達水平可不受其他心血管疾病標志物的干擾，獨立預(yù)測惡性心臟重塑。這項研究充分表明循環(huán)lncRNA具有作為分子標志物的重大潛能。

LncRNA	Disease Association	Biomarker application
CDKN2B-AS1	Coronary artery disease[11, 12]	Risk factor
CDKN2B-AS1	Myocardial infarction[12]	Risk factor
KCNQ1OT1	Myocardial infarction[13]	Predicts left ventricular dyfunction
MIAT	Myocardial infarction[14]	Risk factor
MT-LIPCAR	Myocardial infarction[15]	Predicts postinfarct remodelling
SOX2OT	Alzheimer’s disease[16]	Risk factor
H19	Parkinson’s Disease[17]	Risk factor
HULC	Hepatocellular carcinoma[18]	Diagnosis and monitoring
FALEC	Ovarian cancer[19]	Predicts poor prognosis
CCAT1	Colorectal cancer[20]	Predicts therapeutic responsiveness

                 表一 LncRNA在生物學(xué)標志物中的潛在應(yīng)用

參考文獻

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