长链非编码RNAs在人类疾病及机体发育中的作用及机制

孙牧男，许淑芬，方艳秋，谭 岩

（吉林省人民医院 肿瘤生物治疗中心，吉林 长春130021）

非编码 RNAs（non－coding RNAs，ncRNAs），包括以miRNA、siRNA和piRNA等为代表的短小RNA 和 长 链 非 编 码 RNAs （long non－coding RNAs，lncRNAs）。近20年来，ncRNAs的发现和功能研究，大大改变了人们对RNA分子的认识。ncRNAs不仅承担了遗传信息中间载体的辅助性角色，而且在发育和基因表达调控中发挥着复杂而精确的功能[1]。目前，关于ncRNAs在疾病发生、发展和防治中的作用已有大量文献报导，研究主要集中于短ncRNAs在肿瘤、自身免疫病等疾病中的表达和调控作用[2]。虽然关于lncRNAs与疾病之间关联的研究还处于起步阶段，但其调控作用已经开始引起人们广泛的关注。

1 lncRNAs概述

哺乳动物基因组序列中4%－9%的序列产生的转录本是lncRNAs（相应的蛋白编码RNA的比例是1%），数量多达1000多种，长度超过200nt，可由蛋白质编码序列转变或去除了外显子的基因序列转录而来，其表达具有组织和时空特异性[3，4]。lncRNAs起初被认为是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNAs具有mRNA样结构，经过剪接，具有polyA尾与启动子结构，并在分化过程中有动态的表达与不同的剪接方式。lncRNAs上没有编码氨基酸的阅读框，不编码任何蛋白，但其能够以RNA的形式在多种层面上调控基因的表达水平，如能够与修饰组蛋白的蛋白复合体相互作用并影响其活性，从而控制基因的激活或抑制状态。此外，研究发现lncRNAs能够参与X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，蛋白质的核内运输、调控生物体的胚胎发育、组织分化等多种重要的调控过程[5]。虽然近年来关于lncRNAs的研究取得了很大进展，但是大部分lncRNAs的功能仍然不明确。

2 lncRNAs在疾病中的作用

2.1 lncRNAs参与肿瘤发生发展过程

恶性肿瘤是人类健康的一大顽疾，其致癌的复杂性使得人们必须从基因水平、蛋白水平等不同角度进行探索。近期的研究表明，lncRNAs可参与多种肿瘤的发生发展过程，对肿瘤细胞周期、凋亡及转移均具有调节作用。

Sven等[6]首次开发了在体外培养的肺癌细胞中选择性沉默长链非编码RNA的方法，将相应的信号肽序列整合到DNA中，使lncRNA MALAT1的RNA转录本一经形成就会立刻遭到破坏。他们把这些细胞注入小鼠，发现MALAT1缺陷型肿瘤细胞的迁移能力受到损害，更难入侵周围组织，这些细胞在小鼠肺部形成的肿瘤远小于对照组。同时，针对MALAT1的特异反义寡核苷酸链也被注入到肺癌的小鼠模型中，并成功抑制了癌转移的形成，这些小鼠肺部的肿瘤与未用反义链处理的对照组相比体积更小。研究发现，MALAT1能够调节许多与癌转移有关的基因，其表达量与癌转移和疾病恶化的机率成正相关，是多种肺癌的疾病进程标志，因此MALAT1已经成为了反义链RNA治疗肺癌的潜在靶标，在阻止肺癌扩散方面具有广阔的应用空间。

在乳腺癌的研究中发现，调控端粒酶TERT基因的lncRNAs异常表达可提高端粒酶活性，维持乳腺癌细胞的生长并抑制其凋亡[7]；乳腺癌患者中lncRNA HOTAIR则可以通过PRC2依赖的方式促进肿瘤的侵袭[8]。此外，基因超级保守区域来源的ncRNAs与人的白血病发生密切相关，而lncRNA LOC134466在Ⅱ型浆液性卵巢癌CpG岛存在高达81%的甲基化，在其他不同类型的卵巢癌中仅为7.7%[9]。

2.2 lncRNAs参与对HBV的调控

乙型病毒性肝炎是导致肝癌的首要因素，乙肝病毒（HBV）表达的HBx蛋白能促肝癌的形成，但其分子机制仍不清楚。

研究人员分别对6只HBx转基因小鼠和对照组小鼠肝脏的lncRNAs表达谱进行研究，筛选出差异表达的长链非编码RNA，其中lncRNA Dreh表达量在所有年龄和性别的转基因小鼠中都显著下调。进一步研究发现，lncRNA Dreh能结合中间丝蛋白并抑制其表达，通过改变细胞骨架结构和形态，阻止癌细胞的转移。同时临床数据显示，lncRNA Dreh在癌组织中表达量比正常组织低，并且和病人的预后相关，lncRNA Dreh表达量高的病人复发率低并且生存期长[10]。

Yang[11]等在5例感染 HBV的患者肝癌组织与5例癌旁组织样本中找到了一个肝癌细胞高表达的lncRNA（lncRNA HEIH），并且在大量样本（50例肝癌和正常组织，20例肝硬化组织和正常肝组织）验证了lncRNA HEIH的特异性。通过基因共表达网络图和病人生存时间等临床数据关联分析，发现lncRNA HEIH与HBV感染型肝癌的复发有较高的相关性，可以作为一个独立的判断病人生存时间的预后指标。lncRNA HEIH的功能研究提示它可能通过与EZH2结合来招募PRC2，进而抑制下游靶基因的表达从而发挥其在细胞周期调控中的作用。因此lncRNA HEIH有望成为病毒型肝癌的一个新的早期诊断标志或治疗靶点。

2.3 lncRNAs与其他疾病

在体内，lncRNA tie－1AS可选择性地结合tie－1 mRNA，调控tie－1mRNA的转录，使内皮细胞之间发生黏附缺陷，最终导致血管类疾病的发生[12]。在阿尔茨海默病的研究中发现，lncRNA BACE1AS可增加β分泌酶mRNA的稳定性，进而增加β淀粉样蛋白的累积[13]。位于CdKn2A基因区域的lncRNA ANRIL可以引起冠心病[14]，而lncRNA MIAT失常则可能引起心肌梗死[15]。

3 lncRNAs在机体发育中的作用

在胚胎发育过程中，多能干细胞会分化形成许多不同的组织和器官。之前的研究大多数集中于组织特异性转录因子对这一分化过程的调控，随着非编码RNA研究领域的进展，人们发现不编码蛋白质的RNA分子也参与了上述过程，lncRNAs是胚胎发育过程必不可少的调节因子。Grote等[16]发现在心脏和腹侧体壁祖细胞中特异性存在的一种lncRNA——Fendrr，在小鼠中下调Fendrr将使小鼠的心脏和腹侧体壁发育遭到破坏，发生畸形，并由此导致小鼠胚胎死亡。一般转录因子所导致的胚胎发育畸形会在相应基因失活后迅速出现，而这种lncRNAs异常导致的发育畸形则是在祖细胞中Fendrr下调的几天后出现，这可能是由lncRNAs的特殊调控机制造成的，即lncRNAs通过影响修饰组蛋白的蛋白复合体，进而再对目的基因进行表观遗传学调控。因此，研究人员指出，组织特异性转录因子负责控制组织和器官发生，而lncRNAs则参与了对这些转录因子的调节，lncRNAs是胚胎发育中不可或缺的重要调控因素。

Sun等[17]检测了在小鼠脂肪细胞中处于活跃状态的lncRNAs，并在脂肪前体细胞中分别下调这些靶基因，他们发现其中有10个lncRNAs在脂肪细胞中扮演着重要角色。当这些lncRNAs表达减少时，脂肪前体细胞中的脂滴比正常对照组体积减小，前体细胞中的一些基因无法启动，最终无法发育成为成熟的白色脂肪细胞。这项研究揭示了在脂肪细胞形成过程中可能存在lncRNAs相关的调控通路。

4 lncRNAs的调控机制

lncRNAs可在多个水平，通过多种途径调节基因的表达，主要方式有以下几种：1）.在编码基因的上游启动子区转录，干扰下游基因的表达[18]，或者通过诱导染色质重塑及组蛋白修饰，对编码基因进行正向调节[19]。2）.lncRNAs可在 Dicer酶的作用下也可产生内源性siRNA，干扰目的mRNA的剪切[20]。3）.与特定蛋白质结合，调节相应蛋白的活性。如HSF1只有与lncRNA HSR1形成复合物时，才可在热应急条件下诱导热休克蛋白质的表达[21]。4）.作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体，如CCND1启动子区来源的lncRNAs可作为RNA结合蛋白TLS的变构效应因子，上调这些lncRNAs的表达水平，引起下游的级联反应[22]。5）.与转录因子直接结合，改变该蛋白质的细胞定位，从而阻止转录因子入核发挥功能，如lncRNA NRON可通过结合质核转运蛋白，特异性抑制NFAT在核内的积累[23]。

另外，除了可以结合于特异基因的启动子区，lncRNAs的启动子区同样具有多种转录因子，如Oct4，Nanog，CREB，Sp1，c－myc，Sox2与p53的结合位点[24]。lncRNAs的调控涉及一个复杂的网络信号，其确切的机制需要进一步探索。

5 lncRNAs研究展望

lncRNAs作为重要的基因表达调控子，其在修饰染色质、增强转录、促进信使RNA降解等方面的作用已被普遍承认。迄今为止人们已经鉴定出100余种与疾病或机体发育相关的lncRNAs，随着研究的推进，各类lncRNAs不断被大量发现，其功能与调控机制研究将为科学家提供一个新的突破点，拓展人们对机体基因调控网络的认识。目前lncRNAs的主要分析方法集中于生物信息学和基因沉默，如何从生物信息学获得的大量数据中更有效的分析出有意义的数据，以及如何利用多种分子生物学技术鉴定出与lncRNAs相互作用的基因和蛋白，排除其他因子的干扰将是未来需要解决的问题。

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