長鏈非編碼核糖核酸在心臟發育及心血管疾病中的作用研究進展*

劉崗綜述，黃曉紅審校

長鏈非編碼核糖核酸在心臟發育及心血管疾病中的作用研究進展*

劉崗綜述，黃曉紅審校

長鏈非編碼核糖核酸（long noncoding RNA, lncRNA）是一類長度大于200個核苷酸的非編碼RNA。研究表明lncRNA能以RNA的形式在多種層面上（表觀遺傳、轉錄及轉錄后水平）調控基因的表達，參與了細胞凋亡、增殖，發育等重要生物學過程。近年來，lncRNA在心血管疾病中的作用獲得關注。現將lncRNA在心臟發育及心血管疾病中的作用作一綜述。

長鏈非編碼核糖核酸；心臟發育；心血管疾病

長鏈非編碼核糖核酸（long nocoding RNA, lncRNA）是一類轉錄本長度超過200個核苷酸的RNA分子， 并不具有編碼蛋白的能力，起初被認為是基因轉錄的“噪音”[1]。然而，近年的研究表明，lncRNA能以RNA的形式在多種層面上（表觀遺傳、轉錄以及轉錄后水平）調控基因的表達，參與了劑量補償效應、基因組印記、細胞發育分化等重要生物學過程。目前越來越多的研究揭示了lncRNA在心臟發育和心血管疾病中發揮了重要作用，本文就對lncRNA的功能以及在心臟發育和心血管疾病中的作用作一綜述。

1 長鏈非編碼核糖核酸的功能

1. 1長鏈非編碼核糖核酸與表觀遺傳調控

基因組印記以及劑量補償效應是表觀遺傳學的兩個重要內容。哺乳動物為二倍體生物，每個基因都是雙拷貝，一些基因的表達取決于來自父本還是母本，這種現象稱為基因組印記，而劑量補償效應表現為雌性個體細胞同型配子(XX) 中1 條染色體失活，其上等位基因完全沉默。研究證明lncRNA可與染色質修飾復合物結合引起特異性的組蛋白修飾模式，激活或抑制轉錄，在基因組印記和劑量補償效應中發揮了關鍵作用。例如在胰島素樣生長因子-2受體印記區，由父方印記控制區轉錄而來的lncRNA Airn可與組蛋白修飾酶G9a結合，通過順式作用關閉2個父源性印記基因—Slc22a2和Slc22a3的表達[2]。X 染色體失活特異轉錄因子（Xist）是另一種被人們所熟知的lncRNA，它在X染色體失活中具有重要作用。在雌性哺乳動物中，X失活中心是控制其中一條X染色體沉默的重要區域。Xist基因編碼一種稱為重復A的lncRNA，它可與多梳抑制復合體2（PRC2）結合形成復合體，并移動至X失活中心區，然后大量激活Xist的轉錄[3]。隨著Xist與轉錄因子YY1結合并定位覆蓋在X染色體上，引起廣泛的組蛋白被甲基化，最終導致X染色體失活[4]。

1. 2長鏈非編碼核糖核酸與轉錄調控

lncRNA能夠通過多種機制在轉錄水平實現對基因表達的調控，表現如下：① lncRNA的轉錄能夠干擾臨近基因的表達。例如，酵母的SER3基因會受到其上游lncRNA SRG1的轉錄的干擾[5]； ② lncRNA能夠通過封阻啟動子區域來干擾基因的表達。例如，二氫葉酸還原酶基因上游的一個lncRNA能夠和其啟動子區域形成RNADNA3螺旋結構，阻止轉錄因子TFIID的結合，從而抑制二氫葉酸還原酶的表達[6]；③lncRNA能夠與RNA結合蛋白作用，并將其定位到基因啟動子區從而調控基因的表達。例如，細胞周期蛋白D1啟動子上游一個lncRNA能夠調節RNA結合蛋白TLs的活性，進而調控細胞周期蛋白D1的表達[7]；④ lncRNA還能夠調節轉錄因子的活性，例如lncRNA Evf2能夠與轉錄因子Dlx2形成轉錄復合體從而激活Dlx6的表達[8]。

1. 3長鏈非編碼核糖核酸與轉錄后調控

lncRNA通過與mRNA形成雙鏈復合物，以掩蓋mRNA的主要順式作用元件，從而在轉錄后水平調控基因表達。例如，轉錄因子Zeb2的表達依賴于內部核糖體進入位點的剪切[9]，后者包含有一個內含子的5’端剪切位點，lncRNA Zeb2能夠和該內含子剪切位點形成雙鏈，從而抑制該內含子的剪切，提高Zeb2 蛋白產量。

2 長鏈非編碼核糖核酸與心臟發育及心血管疾病

2. 1長鏈非編碼核糖核酸與心臟發育

非編碼RNA Bvht是長度為590個核苷酸的lncRNA，其基因含3個外顯子，保守性較差。研究發現[10]Bvht在胚胎干細胞中就已開始表達，而在成年小鼠心臟中也觀察到Bvht的大量存在，提示Bvht可能參與了心肌細胞分化

過程。隨后證實在胚胎干細胞中敲除Bvht后, 其分化為具有搏動能力的心肌細胞數量明顯減少，并且心肌細胞標記物—肌鈣蛋白T水平亦明顯降低，而Bvht的缺失并不影響向其它組織分化的能力，表明Bvht能特異性地調控胚胎干細胞定向分化為心肌細胞。其機制是Bvht可以上調一些在心肌分化中起關鍵作用的轉錄因子包括MesP1及其下游調控因子（Gata4, Gata6, Hand1, Hand2, Tbx2, Nkx2. 5）的表達水平，從而使胚胎干細胞具有向心肌細胞分化的能力。和多數lncRNA一樣[11]，Bvht可能通過與染色質修飾復合物結合發揮調控作用。眾多的轉錄因子如MesP1都是PRC2的作用靶點[12]，而Bvht與PRC2的核心組分—SUZ12蛋白結合通過分子誘捕作用消除PRC2對這些靶基因的組蛋白修飾作用而保持激活狀態[10]。然而，我們仍需從組織水平上進一步闡明Bvht在心臟發育中的調控作用。

非編碼RNA Fendrr是小鼠側板中胚層特異表達的一種lncRNA[13]，其基因含有7個外顯子。體內研究表明敲出小鼠胚胎Fendrr后可引起心臟組織中的心肌細胞數量明顯減少，表現為心室壁變薄，心室收縮功能嚴重下降，最終導致胚胎死亡。值得注意的是，在Fendrr缺失時，細胞凋亡并未增加，提示心肌細胞數目的減少可能是由于側板中胚層向心肌細胞分化受阻所致。進一步研究發現Fendrr可直接與一些心肌細胞分化關鍵轉錄因子(Foxf1, Irx3, Pitx2)的啟動子區結合并招募PRC2蛋白引起組蛋白H3賴氨酸27三甲基化水平增高而抑制這些基因的表達。與之相反，Fendrr還能通過其它機制增加一些轉錄因子（Nkx2. 5, Gata6）的啟動子區組蛋白H3賴氨酸4三甲基化水平增加而激活轉錄。因此，我們相信Fendrr在心臟發育的調控網絡中可能起著正負調控作用，協調（激活或抑制）相關轉錄因子的表達，從而使心肌細胞分化有序進行。

2. 2長鏈非編碼核糖核酸與冠心病

染色體9p21區域是與冠心病患病風險密切相關的一個易感位點，在該區域上，其唯一的轉錄產物是lncRNA ANRIL。ANRIL 是一個可變剪接的RNA分子，可產生多個不同的轉錄本。研究表明[14]9p21區域上的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphisms, SNPs）與ANRIL尤其是短的轉錄產物（EU741058, DQ485454）表達水平密切相關。在冠心病患者中[15]，短轉錄本還與動脈粥樣斑塊負荷的嚴重程度密切相關。干擾血管平滑肌細胞中不同的ANRIL轉錄本后發現[16]與調節細胞增生、凋亡、外基質重塑以及炎癥反應有關的基因表達水平是不同的，提示不同的轉錄本可能在血管重塑中起著不同的調控作用。此外，在9p21變異人群還檢測到一些具有非線性（環形）結構的ANRIL轉錄本[17]。

腫瘤抑制因子P15INK4b和P15INK4a通過抑制細胞周期蛋白依賴性激酶4阻礙血管平滑肌細胞由G期進入S期，從而抑制血管重塑，延遲動脈粥樣硬化的形成。攜帶9p21易感位點的人群中，其血管平滑肌細胞中P15INK4b和P15INK4a的表達水平明顯下降，且血管重塑明顯[18]，而干擾ANRIL后[19]，兩者表達水平明顯增加。研究表明ANRIL可通過表觀遺傳作用抑制P15INK4b和P15INK4a基因的表達 。 ANRIL與PRC2蛋白復合體成分SUZ12蛋白結合[20]，將其招募至P15INK4b基因區，抑制P15INK4b的表達。此外，ANRIL還能與多梳抑制復合體1中的重要成員-CBX7蛋白結合[21]，誘導P15INK4a基因沉默。因此，我們推測在9p21區域的SNPs可能通過影響ANRIL的剪接，引起不同轉錄本表達水平及結構的變化，通過表觀遺傳作用降低具有抗動脈粥樣硬化作用的P15INK4b和P15INK4a的表達，增加對冠心病的易感性。將來ANRIL可能成為冠心病的新的基因標記物，其不同轉錄本在全血中表達水平的改變，可能有助于疾病嚴重程度的監測以及預后評估。

此外，通過全基因組關聯研究發現[22]lncRNA MIAT轉錄區多個SNPs與心肌梗死易感性相關。MIAT主要存在于特殊的核小體中，與剪接因子 SF1有高度的親和力，可能在轉錄后水平（剪接）調節基因表達[23]，但MIAT在心梗的作用機制仍不明確。

2. 3長鏈非編碼核糖核酸與心肌病

擴張型心肌病以左心室或雙心室擴張并伴收縮功能受損為特征，是致死性心力衰竭的常見病因。在三個獨立人群中，通過全基因組關聯研究證實[24]在轉錄非編碼RNA SRA1的基因區的變異是擴張型心肌病的一個易感位點；在斑馬魚中，敲除lncRNA SRA1可明顯降低心室的收縮功能，但其在心肌收縮功能的調節作用機制仍需進一步闡明。

肥厚性心肌病以室間隔不勻稱肥厚為特征，是誘發惡性心律失常引起心源性猝死的常見病因。患病風險與α-和β 肌球蛋白重鏈（MYH6, MYH7）基因變異密切相關[25]。許多lncRNA能以天然反義RNA 的形式通過順式作用調控基因的表達，MYH7的表達即受其反義RNA的調控[26]。MYH7反義RNA與MYH7基因部分重合并延伸至MYH7啟動子區，通過轉錄干擾這一機制阻止轉錄起始復合物（RNA聚合酶Ⅱ）的延伸，抑制轉錄，而MYH6的表達不受影響。因此，在病理因素或基因突變下，反義RNA的異常表達可能導致MYH6和MYH7兩者的表達水平比例失衡，從而影響心肌的收縮性能，最終導致病理性心肌肥厚。

2. 4長鏈非編碼核糖核酸與肥胖

肥胖是心血管疾病的一個重要危險因素，了解脂肪細胞的形成機制是我們控制肥胖發生的關鍵，而lncRNA可能在脂肪細胞的形成過程中發揮了重要作用。運用高通量測序技術發現[27]在前脂肪細胞與成熟的脂肪細胞中相比有將近上百個lncRNA的差異表達，并且在前脂肪細胞中高度表達的一些lncRNA基因啟動子區具有脂肪細胞形成的關鍵轉錄因子PPARγ的結合位點。在對這些lncRNA進行干擾后，發現前脂肪細胞向成熟脂肪細胞分化過程明顯受阻，表現為脂肪的聚集明顯降低以及成熟標記物表達水平下降。此外，成熟脂肪細胞與前脂肪細胞的蛋白表達譜差異也消失了。以上研究有力地證明了lncRNA可能是脂肪細胞形成及成熟的關鍵調控因子。

3 展望

目前已越來越清楚的知道lncRNA的許多分子功能，如調節轉錄模式、調控蛋白活性，作為小RNA的前

體和改變RNA的穩定性、維持細胞結構和保持其有序性等。但目前面臨的主要問題是，lncRNA的分子功能是如何影響有機體即影響疾病發生與發展的，這就涉及到對lncRNA立體的、多層次的調控模式的研究，為研究者提出了一個從未涉足的調控領域。lncRNA在心血管領域的研究也剛剛開始，但其意義的挖掘潛力巨大，隨著其在心臟發育及心血管疾病中作用機制的闡明，相信不久將來會成為新的靶標和治療策略。

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2014-01-07）

(助理編輯：曹洪紅)

國家自然科學基金（基金編號：81241007）

100037 北京市，北京協和醫學院 中國醫學科學院 心血管病研究所 阜外心血管病醫院 特需醫療診治中心

劉崗 博士研究生 主要從事心血管病研究 Email：liugang327@126. com 通訊作者：黃曉紅 Email：huangxhong12@gmail. com

R541

A

1000-3614（2014）04-0312-03

10. 3969/j. issn. 1000-3614. 2014. 04. 020