長鏈非編碼RNA在骨代謝中的研究進展

郭健民 陳 熙 鄒 軍

(上海體育學院運動科學學院，上海 200438)

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長鏈非編碼RNA在骨代謝中的研究進展

郭健民 陳 熙1鄒 軍2

(上海體育學院運動科學學院，上海 200438)

lncRNA；骨代謝；骨代謝疾病

隨著骨科學研究的不斷深入，其研究從單純的骨形態結構向跟更加細微的層次發展。非編碼RNA在骨代謝中的作用成為當下一大研究熱點。非編碼RNA是一類由基因編碼而成但不編碼蛋白質的RNA分子 。根據非編碼RNA的大小，可將其分為兩類：一類是小非編碼RNA，如microRNAs；一類是長鏈非編碼RNA(long non coding RNA，lncRNA，>200 nt)。長鏈非編碼RNA一詞在2002年被首次提出〔1〕，它可以參與調控骨髓間充質干細胞〔2〕、成骨細胞的活動〔3〕，從而對骨代謝產生關鍵性的影響。本文綜述國內外長鏈非編碼RNA在骨代謝中的最新研究，旨在闡述其在不同細胞與不同骨代謝疾病中的研究進展，為進一步探索其功能和機制提供理論基礎。

1 長鏈非編碼RNA與骨代謝疾病

骨質疏松是一種以全身性骨量減少及骨組織微觀結構退化為特征的疾病，從而造成骨強度降低，脆性增加，骨折危險度增加〔4〕。研究發現免疫系統與骨代謝存在關聯〔5〕，循環單核細胞直接參與影響破骨細胞分化，是破骨細胞的前體細胞。Tong等〔6〕通過比較絕經后骨質疏松與絕經后非骨質疏松女性血液單核細胞中的lncRNA-DANCR，發現在絕經后骨質疏松患者的血液單核細胞中lncRNA-DANCR的表達上調。陳娟等〔7〕通過基因芯片比較絕經后健康與骨質疏松婦女的lncRNA，發現8條存在差異表達的lncRNA；并進一步通過KEGG Pathway分析發現，差異表達的lncRNA與Jak/STAT信號通路、MAPK信號通路等與骨質疏松有密切關系的信號通路存在關聯。

在全球范圍內，65歲及以上人口中約有50%患有骨關節炎(OA)〔8〕。骨關節炎中lncRNA的異常表達譜系的報道，為進一步研究lncRNA在骨關節炎中的潛在作用、作為診斷骨關節炎生物標志物的可行性，以及將其用于疾病治療提供了有力的依據。Fu等〔9〕通過比較骨關節炎軟骨和正常的軟骨發現，差異性表達在2倍以上的lncRNA中有3 007條上調和1 707條下調，此外差異表達在6倍以上的lncRNA有122條。MEG3可以通過抑制血管生成來抑制腫瘤的發展〔10〕。Gordon等〔10〕發現在小鼠的大腦中MEG3的表達下降可以促進血管生成，血管再生在骨關節炎的發展中起著關鍵性作用〔11〕。VEGF可以調控軟骨的重塑、骨化以及生長板軟骨的血管浸潤活動，軟骨的血管浸潤是骨化的關鍵一步，因為血管為軟骨募集細胞和骨沉積所需物質提供通道〔12〕。Su等〔13〕發現骨關節炎病人的MEG3表達低于正常人，通過相關性分析發現MEG3的表達與VEGF的表達存在關聯，并由此推測MEG3可能通過調控VEGF在骨關節炎中發揮作用。Kim等〔14〕的研究表明在骨關節炎軟骨細胞中lncRNA HOTTIP表達上調，它可以通過調控HoxA13基因的水平促進integrin-α1的表達，從而調節軟骨細胞的分化和增殖。Liu等〔15〕研究發現lncRNA在骨關節炎軟骨中表達異常，并且在體外lncRNA-CIR可通過誘導軟骨細胞外基質降解與軟骨損傷相關聯。Song等〔16〕的研究表明lncRNA GAS5可能通過抑制miR-21的活動在骨關節炎的發病機制中發揮關鍵性作用。

多發性骨肉瘤是以骨髓中腫瘤細胞不斷積累增多為特征的惡性腫瘤。它的主要特征是引起骨吸收和骨生成的失衡，進而誘發骨疾病〔17，18〕。研究發現正常人與多發性骨肉瘤患者的骨髓間充質干細胞存在差異；Li等〔19〕通過比較25 733條lncRNA在骨肉瘤組織和癌旁組織中的表達發現，有403條lncRNA表達上調，有798條lncRNA表達降低。在多發性骨肉瘤患者中，骨髓間充質干細胞的成骨分化受到影響，并且會導致成骨缺乏癥〔20〕。BMP4是轉錄生長因子的一員，在胚胎發育過程中起著關鍵性作用，可以調節軟骨和骨的形成〔21〕。由于MEG3在某些腫瘤中表達降低，因此MEG3被作為一個腫瘤抑制基因〔22〕。Zhuang等〔23〕發現長鏈非編碼RNA MEG3靶基因為BMP4，上調MEG3可以使BMP4的表達增加從而促進多發性骨肉瘤患者骨髓間充質干細胞向成骨分化。楊一搏〔24〕研究發現，lncRNA Twist1-AS在骨肉瘤瘤體組織中的表達高于正常組織。此外Zhang等〔25〕的研究發現，lncRNA-TUG1的下調可以抑制骨肉瘤細胞的增殖，并促進其死亡。Cong等〔26〕通過沉默基因技術，發現抑制lncRNA TUSC7(tumor suppressor candidate 7)的表達可以顯著促進骨肉瘤瘤體的生長，并由此推測TUSC7可能是潛在的骨肉瘤抑制基因。以上研究為lncRNA作為骨肉瘤診斷的生物標志物以及作為潛在的治療靶點提供了理論基礎。

綜上所述，lncRNA在諸多的骨代謝疾病中，存在著差異性表達，通過有針對性地對差異性表達的lncRNA進行研究，以探索出其在疾病中的作用機制，為各種骨代謝疾病的臨床診斷和治療提供理論基礎。

2 長鏈非編碼RNA與骨髓間充質干細胞(BMSCs)

BMSCs可以分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞和成肌細胞。成骨細胞是合成骨的主要細胞，主要來源于BMSCs〔27〕；骨細胞和軟骨的形成也主要來源于BMSCs〔28〕。眾多micRNA被證明在BMSCs分化過程中發揮重要的作用，與micRNA不同的是lncRNA可以折疊形成二級結構或者更高級結構，這為蛋白和靶標的識別提供了潛在可能性〔29〕。LncRNA在轉錄、轉錄后水平甚至翻譯水平上都起著關鍵性的調控作用〔30〕。但lncRNA在人BMSCs成骨分化中的作用仍不明確。

通過lncRNA芯片，比較成骨過程中分化細胞與未分化細胞lncRNA，發現有1 206條lncRNA存在差異，其中687條lncRNA上調，519條lncRNA下調；LncRNA-H19表達顯著上調，并且在成骨分化過程中起著關鍵性作用〔31〕。EZH2(enhancer of zeste homolog 2 )是調控人的BMSCs成骨分化和成脂分化的關鍵因子〔32〕，H19與EZH2存在關聯〔33〕。H19是產生miR-675的前體miRNA，可以產生兩個同源的miRNA：miR‐675‐5p和miR‐675‐3p。H19/miR-675可以通過抑制TGF-β1，來促進人BMSCs向成骨分化〔2〕。Liang等〔34〕通過細胞轉染發現β-catenin是miR-141和miR-22靶標，兩者可以下調β-catenin的表達；通過熒光素酶報告發現，H19可以抑制miR-141和miR-22與靶標β-catenin的結合從而促進成骨細胞分化。羅嘉全等〔35〕研究發現在人的間充質干細胞向成骨誘導分化后lncRNA AK096529和uc003ups顯著下調，可能通過下調Smurf1以減少Runx2的降解，繼而促進其向成骨分化。孫翔等〔36〕通過lncRNA芯片篩選出hBMSC向成骨誘導分化前后差異性表達的lncRNA 665條，其中433條上調，232條下調；并推測lncRNA可能通過調節鄰近成骨分化相關基因的表達來調控成骨分化。

BMSCs是軟骨組織的一個重要來源〔28〕。Wang等〔37〕通過比較BMSCs與向軟骨誘導分化14 d后的細胞發現，在向軟骨誘導分化的細胞中有2 166條lncRNA上調，1 472條lncRNA下調。此外lncRNA ZBED3-AS1 和 CTA-941F9.9在向軟骨誘導分化7 d時顯著增高，在14 d時達到頂峰，并一直持續到28 d；這個趨勢表明長鏈非編碼RNA在BMSCs向軟骨分化的早期起著關鍵的調節作用。

3 長鏈非編碼RNA與成骨細胞

SIT1的激活可以促進骨礦沉積和成骨標志物的表達增加〔38〕。由于SIT1可以促進骨形成，因此被作為骨質疏松治療的靶標〔39〕。TGF-β可以通過甲基CpG結合蛋白對SIT1的表達產生影響〔40〕。TGF-β配體可以激活TGF-β受體Smad3信號系統，Smad3可以激活SIT1的轉錄〔41〕。HDX10是一種腫瘤抑制因子，并且可以調控軟骨的成熟和成骨細胞分化〔42〕。Xu等人〔43〕的研究發現：TGF-β可以抑制SIRT1的表達，SIRT1可以促進lncRNA HIF1α-AS1的表達，lncRNA HIF1α-AS1可以促進HOXD10的表達。這表明lncRNA HIF1α-AS1可以通過調控HOXD10，對成骨細胞分化起到關鍵性調節作用。Zhu等〔3〕的研究發現lncRNA-ANCR可以通過靶向調控EZH2與Runx2，從而對進成骨細胞分化起到調節作用，lncRNA-ANCR下調可以促進成骨細胞分化。高艷等〔44〕研究發現BMP-2誘導C2C12向成骨分化后，lncRNA AK051397表達上調，并進一步證明其可以促進C2C12細胞向成骨分化。 王錦玉〔45〕通過篩選出17條小鼠成骨細胞特異性表達的lncRNA，并通過SiRNA下調其表達發現成骨分化標志物Runx2和Osterix表達降低，這說明成骨特異性表達的lncRNA可以促進成骨分化。

骨代謝處于一個動態平衡狀態，由成骨細胞主導的骨形成和破骨細胞主導的骨吸收共同維持。破骨細胞主導的骨吸收活動增強，若沒有相應的骨形成活動發生則會導致骨質的流失甚至會引起骨質疏松〔46〕。Dou等〔47〕通過誘導RAW264.7細胞向破骨細胞分化，并采用基因芯片技術分析不同階段lncRNA的差異表達；結果發現，破骨前體細胞階段有1 643條lncRNA表達上調，2 705條表達下調；破骨細胞成熟階段有1 896條lncRNA表達上調，2 706條表達下調；破骨細胞激活階段有2 716條表達上調3 124條表達下調。目前還未見有lncRNA對破骨細胞影響機制的報道，這將是lncRNA新的研究熱點。

4 小 結

綜合國內有關報道發現，我國關于lncRNA在骨代謝中的研究處于比較前沿的水平。但目前關于lncRNA的研究，還處于基礎階段，主要是通過基因芯片或者高通量測序比較細胞分化的不同時期以及在正常與病變個體間lncRNA的差異性表達。關于lncRNA在骨髓間充之干細胞分化中機制的研究、lncRNA對成骨細胞、破骨細胞以及軟骨的作用的研究，以及在多發性骨肉瘤、骨關節炎、骨質疏松等骨代謝疾病中作用機制的研究還較少。lncRNA在骨代謝中的作用機制及其在臨床上的應用價值，都需要不斷探索。

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〔2016-06-20修回〕

(編輯 曲 莉)

國家自然科學基金項目(81572242)；上海市人類運動能力開發與保障重點實驗室(上海體育學院)(11DZ2261100)

1 溫州醫科大學體育科學學院

2 上海體育學院發展規劃處

鄒 軍(1969-)，男，教授，主要從事運動與骨代謝的研究。

郭健民(1991-)，男，碩士，主要從事運動與骨代謝的研究。

R68

A

1005-9202(2016)19-4923-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.19.118