lncRNA在帕金森病发病机制中的研究进展

刘 成 综述 李 岩 审校

帕金森病(Parkinson′s disease, PD)是仅次于阿尔兹海默症的第二大神经退行性疾病,其临床表现主要有静止性震颤、肌强直、姿势不稳以及运动迟缓等。据报道[1],全球每年都有新增的PD患者,且随着人口老龄化,病例呈逐年上升的趋势。PD分为偶发性和遗传性两类[2]。约10%的PD遗传病例由α-突触核蛋白(α-synuclein, α-syn)、parkin RBR E3泛素连接酶(parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase, Parkin)、PTEN诱导的推定激酶1(PTEN-induced kinase 1, PINK1)、蛋白质去糖蛋白酶DJ-1和富亮氨酸的重复激酶2(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)等基因突变引起;而某些环境因素破坏线粒体功能可能会导致偶发性PD,如杀虫剂和重金属。目前针对PD患者的治疗只能改善其症状,而不能阻止疾病的进展。因此,进一步了解PD的发病机制,探寻潜在的早期诊断标志物和有效治疗靶点十分重要。

长链非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)是长度超过200个核苷酸的RNA转录本,不具备编码蛋白质的能力,但可通过与DNA、RNAs和蛋白质的相互作用调控转录、表观遗传修饰、蛋白质/RNA稳定性以及翻译和翻译后修饰。如,lncRNA可通过调控微小RNA(miRNA)的表达来影响其靶基因的表达量,还可直接参与到mRNA转录后调控过程中。研究[3]表明lncRNA大量存在于神经细胞中,参与了对神经退行性疾病,如PD的调控,且从多个方面影响了PD的发生和发展。

1 细胞自噬

自噬是一种细胞降解与再循环的过程,主要包含巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)三种类型。自噬的发生受一系列关键蛋白分子和部分信号通路的调控,这些蛋白和通路的异常变化会导致自噬功能异常,α-syn的病理性堆积通常被认为和自噬功能异常相关。

CMA是一种选择性自噬过程,CMA激活可抑制α-syn寡聚体积累,但突变型LRRK2却能干扰CMA降解α-syn,同时,有超过100个LRRK2突变基因已被证明与PD的发展有关[4]。在1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium, MPP+)诱导的PD细胞模型中,敲低lncRNA XIST后,可改善细胞的存活状态,同时细胞内的LRRK2表达降低,α-syn表达减少[5]。此外,lncRNA HOTAIR也可以正向调控LRRK2的表达,HOTAIR敲低对MPP+处理的人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y)有保护作用[6]。

自噬的启动与腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)相关。在自噬小泡的起始部分, mTOR激活后,可促进 unc-51样自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activated kinase 1, ULK1)的结合伴侣自噬相关基因13(autophagy-related genes13, ATG13)的磷酸化,从而阻止ULK1复合体的形成,进一步抑制自噬小泡的出现。在PD细胞模型中,Liu et al[7]发现,lncRNA AC136007.2通过失活AMPK/mTOR信号抑制SH-SY5Y细胞中的自噬,促进其存活,但在使用AMPK激活剂后观察到细胞存活率下降,这可能与AMPK促进ULK1复合体的形成有关。而lncRNA小核糖体RNA管家基因1(small nucleolar RNA host gene 1, SNHG1)不仅能够激活细胞中的Akt/mTOR信号通路,还能促进Bcl-xl的表达,同时过表达 SNHG1可降低MPP+处理的SH-SY5Y细胞活力[8]。此外, HAGLR反链lncRNA(HAGLR opposite strand lncRNA, HAGLROS)在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)诱导的PD小鼠模型和MPP+处理的SH-SY5Y细胞中上调,并通过调节miR-100/ATG10轴和激活PI3K/Akt/mTOR 通路抑制细胞自噬来促进PD的发展[9]。相似地,在MPP+诱导的多巴胺能神经元损伤中,lncRNA SNHG14的上调使ATG10表达增加,细胞自噬受到抑制,这可能与被激活的ATG阻止了UKL1复合体形成有关[10]。

2 细胞凋亡

中脑黑质多巴胺(dopamine, DA)能神经元的逐渐丧失,导致纹状体DA的缺乏,随后PD患者出现运动功能障碍。Fan et al[11]研究发现,PD患者循环白细胞中四种lncRNA(AC131056.3-001、HOTAIRM1、lnc-MOK-6:1和RF01976.1-201)上调,其中HOAIRM1和AC131056.3-001可促进DA神经元的凋亡。另外,Zhang et al[12]发现,PD患者血清中的lncRNA miR-17-92a-1簇宿主基因(MIR17HG)上调,而miR-153-3p下调,通过抑制MIR17HG后上调miR-153-3p的表达,能够改善中枢神经元凋亡。

髓样细胞白血病-1(myeloid cell leukemia 1, MCL-1)是调节细胞凋亡Bcl-2家族蛋白的抗凋成员之一。据报道[13],lncRNA PART1能增强 MCL1的表达,减轻MPP+对SH-SY5Y细胞的损伤。凋亡的激活与线粒体外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)的变化有关。MOMP增加,细胞色素C(cytochrome C, cyt-C)从线粒体膜间隙释放到胞质中,并与凋亡蛋白酶激活因子1相互作用,后者结合dATP并形成功能性凋亡小体。凋亡小体随后激活胱天蛋白酶9(caspase-9)和胱天蛋白酶3(caspase-3)诱导的线粒体依赖凋亡。Zhang et al[14]研究发现,过表达SH-SY5Y细胞中的lncRNA LINC01347,能够抑制caspase-3的表达,减轻利多卡因诱导的细胞凋亡。与Lu et al[15]研究结果一致。而另外一项研究[16]表明上调lncRNA SNHG1的表达后,MPP+诱导的PD细胞模型中的caspase-3表达上调、cyt-C释放增多,同时促进细胞的凋亡。

3 线粒体功能障碍

线粒体功能障碍与PD的发生相关。研究[17]表明PINK1-Parkin通路能够选择性地识别并从细胞中去除功能失调的线粒体,PINK1将Parkin募集到线粒体外膜后,Parkin通过其线粒体外膜蛋白的泛素化促进受损线粒体的选择性降解。据报道[18],PD患者的黑质和小脑中的α-syn mRNA水平增加,而LRRK2和PINK1的mRNA水平降低,表明PINK1和Parkin与PD的发生相关。另外,在DA能神经元细胞中表达突变的PINK1和Parkin后,细胞表现出了异常的α-syn积累和线粒体缺陷[19]。而上调lncRNA NEAT1后可以通过正向稳定PINK1蛋白来促进MPP+诱导的SH-SY5Y细胞线粒体的自噬,减少功能障碍线粒体的积累[20]。另外,SH-5Y5Y细胞过表达lncRNA OIP5-AS1后,过表达miR-137或下调NIX可抑制线粒体自噬和ROS水平并加重线粒体空泡化,能够部分逆转OIP5-AS1过表达对线粒体自噬的促进作用[21]。

4 氧化应激

氧化应激水平升高是PD早期的一个显著特征,细胞氧化还原调节失衡后,ROS的积累会介导神经元的损伤。据报道[22],锰(manganese,Mn)的暴露量增加可导致神经退行性疾病的发生,通常认为是Mn诱导的氧化应激反应起关键作用。Ding et al[23]的研究表明,Mn暴露会诱导MN9D细胞凋亡和ROS表达增加。而在Mn暴露的N2a细胞中,敲低lncRNA Sh2d3c可减少ROS的产生,增加细胞活力,从而抑制细胞凋亡[24]。

核因子E2相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2, Nrf2)是一种协调氧化应激反应的细胞转录因子,与抗氧化应答元件结合发挥作用。Nrf2通路已被证明在PD患者中受到影响,在PD细胞模型中激活Nrf2/HO-1信号通路后,可减轻细胞的氧化应激反应。此外,lncRNA可能通过与Nrf2相互作用的分子机制参与了百草枯和MPTP诱导的神经退行性疾病的发生[25-26]。在MPTP诱导的PD小鼠模型中,lncRNA MALAT1通过将zeste同系物2的增强子招募到Nrf2的启动子,抑制Nrf2的表达,从而促进神经炎症[27]。lncRNA MIAT在PD小鼠和细胞中大量表达,敲低 MIAT后,Nrf2的表达增加,抑制了神经元的凋亡和氧化应激[28]。

5 神经炎症

小胶质细胞诱导的神经炎症在PD的发病过程中扮演着重要角色。小胶质细胞被激活后,其分泌的炎症因子会对DA能神经元造成损伤。一项PD人群研究[29]表明,lncRNA TUG1在PD患者血清中高表达,且血清中的 TUG1与TNF-α、IL-6、IL-1β水平呈正相关;细胞实验表明,TUG1的下调显著抑制细胞增殖和 TNF-α、IL-6、IL-1β的释放,这说明TUG1的下调可能抑制PD进展过程中的炎症反应。与健康对照相比,PD患者血清中的lncRNA MALAT1的水平明显升高,同时血清中的IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-γ炎症因子水平也增高;在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)诱导的PD细胞模型中,敲低MALAT1后可降低炎症因子的分泌,减轻细胞的炎症损伤[30]。在PD小鼠模型中,沉默lncRNA DLX6-AS1可改善小鼠神经功能和减轻小胶质细胞炎症[31]。此外,lincRNA-p21能竞争性地与miR-181家族结合并通过 miR-181/PKC-δ途径诱导小胶质细胞活化,促进炎症反应的发生[32]。上述研究表明,抑制小胶质细胞的激活和减少炎症因子的表达对改善神经炎症、减轻神经元细胞损伤具有积极作用。

Nod 样受体蛋白 3(nod-like receptor protein 3,NLRP3)炎症小体是一种炎症复合物,能诱导IL-1β成熟,介导炎症反应。而NLRP3介导的神经炎症与PD的演变密切相关。α-syn能激活NLRP3炎症小体,Zhang et al[33]研究发现,lncRNA MIR17HG 通过靶向miR-153-3p和上调α-syn可以诱导PD中小胶质细胞炎症。lncRNA GAS5在PD小鼠模型和LPS激活的小胶质细胞中表达上调,上调的GAS5通过竞争性海绵化miR-223-3p正向调节NLRP3的表达,促进小胶质细胞的炎症反应[34]。相反,沉默lncRNA HOTAIR后则可抑制NLRP3介导的细胞焦亡来显著抑制神经元损伤[35]。此外,在MPTP诱导的PD小鼠模型中lncRNA SNHG1表达增加,下调SNHG1后miR-7的表达升高,抑制了小鼠中脑黑质紧凑区中小胶质细胞和NLRP3炎症小体的活化以及DA能神经元的丢失[36]。

6 铁死亡

铁死亡是一种由铁依赖的脂质过氧化诱导的调节性细胞死亡方式。神经细胞铁死亡可能是引起神经退行性疾病的重要途径,降低铁积累可抑制脂质过氧化引起的细胞损伤。在PD细胞模型中观察到lncRNA NEAT1上调,敲低NEAT1后,可降低Fe2+水平,提高细胞活力,同时NEAT1作为分子海绵发挥作用,抑制miR-150-5p的表达,而miR-150-5p过表达抑制了PD细胞模型中的铁死亡[37]。

7 表观遗传调控

表观遗传学证据[38]表明,认知障碍、神经元突触功能和线粒体凋亡相关的基因甲基化异常与PD的认知功能下降和运动功能进展相关。Coupland et al[39]研究发现,在PD中,启动子区域的DNA甲基化异常会导致Tau蛋白(microtubule-associated protein tau, MAPT) 基因表达失调。而在敲低lncRNA MAPT-AS1后可增加内源性MAPT启动子的甲基化以及MAPT同种型转录物的表达,这表明lncRNA可作为MAPT表达的潜在调控因子。

8 外泌体

外泌体允许细胞交换蛋白质、脂质和遗传物质,其携带的lncRNA在相邻细胞和远处细胞之间的细胞间通讯中发挥作用。研究[40]表明,PD患者和健康个体的血清或脑脊液中外泌体lncRNA有差异,而这些lncRNA在PD的进展和康复中起关键作用。另外,Wang et al[41]也发现,与健康对照组相比,PD组的外泌体lncRNA有15个上调和24个下调,而其中的lnc-MKRN2-42:1可能参与了PD的发生和发展。

9 总结与展望

lncRNA通过调控细胞自噬、细胞凋亡、线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症、铁死亡、表观遗传以及外泌体,从而影响PD的发生发展。这提示lncRNA有望作为疾病早期诊断的生物标志物或药物治疗的潜在靶点。鉴于PD的发病机制十分复杂,且不同的病理过程受到不同lncRNA的调控,其中发挥关键作用的lncRNA仍有待进一步的研究。此外,随着RNA测序技术的发展,许多与PD有关的新的lncRNA被发现,其分子功能和作用机制或可作为新的研究方向。