長鏈非編碼RNA(LncRNA)在惡性腫瘤與代謝紊亂相互關系中的作用

王方文 陳 姝

惡性腫瘤已成為影響人民健康的重要疾病之一。據2018年公布的數據顯示，我國惡性腫瘤新發病例占全球的23.7%，而死亡病例約占全球因惡性腫瘤死亡人數的30%，對大眾健康和經濟發展造成了極大的危害[1]。盡管廣大人民群眾和臨床醫生對惡性腫瘤的認識不斷提高，然而我國癌癥的發病率和病死率仍持續增加，其原因與我國人民的生活水平顯著提高，不良生活方式增加，使某一些腫瘤的發生呈逐年增長的趨勢。隨著基礎醫學和臨床醫學研究的不斷深入，越來越多的證據顯示，包括葡萄糖、脂肪酸等多種代謝的紊亂均是惡性腫瘤發生的重要危險因素和致病原因[2]。研究顯示，葡萄糖、脂肪酸等代謝紊亂或代謝綜合征可顯著增加癌癥的患病率和病死率，使大腸癌、膀胱癌、子宮內膜癌、胰腺癌、宮頸癌等風險大幅度增加，其增幅可達到80%以上[3]。所有的代謝紊亂因素，包括超重或肥胖、高血壓、高血糖、血脂異常等，均被證實可顯著增加癌癥的死亡風險[4-7]。

越來越多的基礎和臨床研究指出，包括炎癥、氧化應激以及內分泌因子等多種因素介導了代謝紊亂與惡性腫瘤之間的相互作用。代謝綜合征已被證實為一種慢性炎癥性疾病，而肥胖、2型糖尿病或高脂血癥等造成了多種炎癥因子的釋放。包括白介素-6(interleukin-6, IL-6)、IL-8及腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)等炎癥因子可能通過激活核因子-κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)通路促進了腫瘤的發生、生長和侵襲等[8]。葡萄糖、脂肪酸等代謝紊亂造成的細胞無氧呼吸以及糖酵解增強，將一般細胞的三羧酸循環有氧代謝模式轉變為適合腫瘤細胞產生、增殖和侵襲的代謝模式，而氧自由基的堆積也增加了正常細胞的突變風險，誘發了惡性細胞增殖[9]。糖酵解是腫瘤代謝的重要途徑之一。為了保持腫瘤細胞的快速增殖和生長，腫瘤細胞需要大量的ATP和能量供應，因此，盡管在有氧環境下，腫瘤細胞的功能仍采用糖酵解的方式進行，這被稱為Warburg效應。此外，多種內分泌因子被認為在代謝紊亂和惡性腫瘤不良交互影響中發揮了巨大的作用。例如，胰島素抵抗誘導胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)的釋放，后者直接或間接的激活p21/ras/有絲分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途徑，促進了腫瘤細胞的增殖并抑制了腫瘤細胞的凋亡發生[10]。而瘦素(leptin)和脂聯素(adiponectin)等與代謝紊亂密切相關的脂肪因子亦與惡性腫瘤密切相關。瘦素可上調包括血小板衍生生長因子-2(platelet-derived growth factor-2, PDGF-2)、成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor, FGF)、表皮細胞生長因子(epidermal growth factor, EGF)、巨噬細胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)以及肥大細胞生長因子(mast cell growth factor, MGF)等多種生長因子，促進細胞增殖和血管新生，增加了乳腺癌、肝細胞癌、胰腺癌、前列腺癌、卵巢癌以及結腸癌等多種惡性腫瘤發生和轉移的風險[11]；而代謝紊亂降低了血中脂聯素的水平，后者可通過抑制雷帕霉素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin, mTOR)，通過p53、單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)等分子蛋白，抑制腫瘤細胞增殖，促進其凋亡，抑制脂聯素的表達將減弱這一脂肪因子的抑癌作用，促進腫瘤細胞的存活能力和侵襲能力[12]。

除了神經-體液因素以外，作為重要環境因素，葡萄糖以及脂肪酸等代謝紊亂亦可通過表觀遺傳途徑影響惡性腫瘤的發生發展。多種表觀遺傳因素參與了惡性腫瘤的發生，包括組蛋白乙酰化、DNA甲基化、染色體重塑以及非編碼RNA(non-coding RNA, ncRNA)[13]。其中，非編碼RNA發揮了較為重要的作用，亦是學術界關注和研究的重點。ncRNA是指不能編碼蛋白的核糖核酸，其發揮了調節基因表達和蛋白功能等多種生物學效應。ncRNA由RNA聚合酶Ⅱ在細胞核內生成和轉錄，并形成較長的前體mRNA，前體mRNA在剪切復合物的作用下，形成短鏈(≈20個核苷酸)、中等長度(≈20-200個核苷酸)以及長鏈(>200個核苷酸)的ncRNA[13]。不同于其他長度的ncRNA，長鏈ncRNA(lncRNA)發揮了順式作用元件和反式作用因子的功能，通過轉錄、翻譯、剪切等調節基因表達。由于功能多而強大，lncRNA在腫瘤和代謝紊亂中的作用日漸受到關注，同時也在二者的相互關系中發揮了重要的作用。

一、葡萄糖代謝相關lncRNA在腫瘤中的作用

糖尿病及胰島素抵抗與惡性腫瘤的發生密切相關，并提示了腫瘤的預后不良[14-16]。多種lncRNA通過對肌肉、胰島以及肝臟的作用，參與了對機體整體血糖或單個細胞葡萄糖利用的調節，并影響了多種腫瘤的發生和腫瘤細胞的生物學效應[17]。其中，lncRNA ANRIL的作用最為突出。lncRNA ANRIL與糖尿病的關系密切，與包括2型糖尿病、妊娠期糖尿病、移植相關糖尿病以及囊性纖維化相關的糖尿病均有關[18]。同時，ANRIL發揮了反式作用因子的作用，起到抑制腫瘤抑制基因CDKN2A/CDKN2B的作用，從而增加了腫瘤的發生，增強了腫瘤細胞的增殖和侵襲。基于ANRIL的作用，現有已研究廣泛發現lncRNA影響了多種腫瘤的發生，包括膀胱癌、卵巢癌、肺癌、肝癌、胃癌、乳腺癌、食管癌、鼻咽癌、甲狀腺癌、骨肉瘤、宮頸癌、結腸癌、前列腺癌以及膠質瘤等[18]。

LncRNA亦可調節單個腫瘤細胞的葡萄糖代謝，這在腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲或死亡中起到了重要的作用。LncRNA NBR2對葡萄糖轉運體(Glucose transporter 1, GLUT1)具有促進作用，抑制lncRNA NBR2可降低腫瘤細胞的葡萄糖攝取，增加藥物誘導的腫瘤細胞凋亡[19]。LncRNA-p21與缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)結合，參與了腫瘤細胞在無氧狀態下的糖酵解，對于多種腫瘤細胞在缺氧條件下的生存具有重要的作用[20]。此外，lncRNA PCGEM1通過c-Myc，lncRNA UCA1并通過mTOR與信號傳導及轉錄激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3, STAT3)信號通路，以及lncRNA CRNDE通過胰島素/IGF均可影響腫瘤細胞內的葡萄糖轉運和葡萄糖代謝，直接影響腫瘤細胞的生物學功能[17]。

此外，一些腫瘤相關的lncRNA亦參與了對葡萄糖代謝的調節。LncRNA H19早期被發現通過與Zeste基因增強子同源物2(enhancer of Zeste homolog 2, EZH2)結合，抑制基因轉錄，提高了膽囊癌細胞的侵襲能力[21]。而lncRNA H19在高胰島素作用下表達下降，影響了骨骼肌對葡萄糖的利用[22]。

而長鏈非編碼RNA母源性表達基因3(Maternally Expressed Gene 3, MEG3)在脂代謝和多種腫瘤之間建立起了橋梁。LncRNA MEG3來自于DLK1-DIO3基因簇，定位于染色體14q32.3上，早期的研究認為其受到子宮環境變化的調節[23]。隨著胚胎在子宮的發育、形成胎兒、分娩并成長為成體，lncRNA MEG3一致存在于機體中，并參與了葡萄糖代謝的調節。lncRNA MEG3與胰島β細胞的發育密切相關。敲除lncRNA MEG3可降低胰島素的合成和釋放，增加胰島β細胞的凋亡，其表達下則降誘導胰島β細胞的氧化應激和炎癥損傷，參與糖尿病的發病[23]。另一方面，lncRNA MEG3同時被認為是一個潛在的腫瘤抑制因子。早期研究認為，lncRNA MEG3對機體血糖的有效調節作用是其控制腫瘤的作用機制。研究顯示，lncRNA MEG3的表達下降或丟失在25%的神經細胞瘤、81%的肝細胞癌、82%的神經膠質瘤患者中被觀察到，并且lncRNA MEG3的水平下降與各種腫瘤的不良預后密切相關[24]。除了lncRNA MEG3對糖代謝的調節發揮對腫瘤發生的抑制作用以外，lncRNA MEG3也存在不依賴于葡萄糖代謝調節的作用。lncRNA MEG3可抑制MDM2癌基因，降低其降解經典的腫瘤抑制因子p53的作用，誘導p53的表達增加，并通過p53降低細胞自噬，提高細胞凋亡和細胞周期停滯，發揮抑制腫瘤的作用[25]。lncRNA MEG3對腫瘤的抑制作用也與其他的一些機制有關。lncRNA MEG3可破壞PI3K/AKT信號通路，抑制腫瘤的生長，發揮控制腫瘤的作用；同時，lncRNA MEG3也可控制腫瘤血管的生長，敲除lncRNA MEG3后，血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)及其受體(VEGFR1及VEGFR2)的基因表達顯著下降，對腫瘤的形成和生長具有抑制作用[23]。

二、脂肪酸代謝相關lncRNA在腫瘤中的作用

高脂血癥是多種疾病的關鍵風險因素。除了心腦血管疾病以外，越來越多的研究證實脂代謝異常亦與腫瘤的發展密切相關。報道顯示，高脂血癥增加了包括肺癌、前列腺癌和乳腺癌在內的多種惡性腫瘤的風險[26-28]。高脂血癥對惡性腫瘤的調節涉及多個方面，廣泛影響腫瘤的化療敏感性、細胞增殖、腫瘤血管形成、腫瘤的侵襲等多個方面[29-30]。而lncRNA在高脂血癥與惡性腫瘤相互關系中發揮了重要的作用。脂肪酸合酶(fatty acid synthetase, FASN)介導了細胞脂肪酸的合成，同時也被發現在多種類型的腫瘤組織中表達和活性增加，并介導了腫瘤的生成、增殖和侵襲[31]。LncRNA HAGLR發揮了抑制FASN表達的作用，其在腫瘤細胞中增加了游離脂肪酸的合成并增加了非小細胞肺癌的增殖和侵襲能力[32]。而lncRNA PVT1可增加FASN的表達，并促進骨肉瘤細胞的增殖、轉移和侵襲，降低細胞凋亡[33]。而脂肪酸轉運亦與腫瘤的生理狀態密切相關。lncRNA LNMICC通過調節脂肪酸代謝，可提高宮頸癌的淋巴轉移，其機制在于lncRNA LNMICC提高了核因子核仁磷酸蛋白1(nucleophosmin 1, NPM1)與脂肪酸結合蛋白5(fatty acid-binding protein 5, FABP5)啟動子結合[34]。此外，lncRNA SNHG16通過影響硬脂酰基-輔酶a脫氫酶(stearoyl-CoA desaturase, SCD)影響了結腸癌的病變。lncRNA SPYR4-IT1靶向作用于二酰甘油酰基轉移酶(diacylgycerol acyltransferase, DGAT)及磷脂酸磷酸水解酶(phospha-tidic acid phophyhydrolase, PAP)參與了黑色素瘤的發生[35]。lncRNA GAS5(growth arrest specific 5)是一個與腫瘤關系密切的lnc RNA，其通過上調細胞周期重要的基因p21和周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinases, CDK6)參與了細胞周期的調節，影響了細胞的增殖，在多種腫瘤的發生中具有作用，包括膀胱癌、胃癌及肝細胞癌等[36]。而近期的研究也發現，過表達lncRNA GAS5對高脂血癥具有改善作用。這說明lncRNA GAS5的表達改變可能是腫瘤和高脂血癥發生的共同機制和病因，其在二者發病的相關性中的具體作用和分子機制尚需要進一步的研究進行論證[37]。

而前述的lncRNA MEG3與多種腫瘤的發生發展密切相關，同時其與脂質代謝存在雙向調節作用：一方面，lncRNA MEG3調節了脂質代謝，其通過調節肝細胞的慢性炎癥和活性氧簇生成，抑制了肝細胞的細胞外基質堆積和肝纖維化，降低了異常的脂質過氧化，對于維持肝細胞對脂質的正常代謝具有重要的作用[38]；另一方面，肥胖以及高脂飲食等不良脂肪代謝因素造成了lncRNA MEG3的低甲基化，造成lncRNA MEG3的表達下降，這可能是脂質代謝紊亂致多種腫瘤發生的重要因素之一[39]。

三、礦物質代謝相關lncRNA在腫瘤中的作用

除了糖脂代謝以外，機體的礦物質代謝異常亦被認為是影響腫瘤細胞增殖轉移，促進癌癥發生的重要代謝因素。如鈣通過與鈣調蛋白(calmodulin)結合，導致鈣調磷酸酶(calcineurin)的激活，后者將導致活化T細胞核因子(nuclear factor of activated T-cells, NFAT)去磷酸化及核轉位，進而靶向調節下游靶基因，引起細胞異常增殖[40]。而鈣的代謝差異也反應了腫瘤對放射治療的敏感性[41]。此外，鋅的代謝與胞內重定位與乳腺癌細胞的侵襲能量有關；鎂代謝異常影響細胞的色氨酸代謝，導致細胞呈現惡性腫瘤的特點；硒代謝與惡性腫瘤進展風險有關；鐵代謝異常可影響腫瘤細胞對化療藥物的敏感性，增加了乳腺癌對多柔比星和順鉑的耐藥性[41]。

LncRNA亦參與了礦物質代謝的調節，其可能是礦物質代謝與腫瘤之間的中間介質。lncRNA ANRIL與多種腫瘤密切相關，其作用依賴于抑癌基因CDKN2[19]，而后者亦被發現可調節機體的礦物質代謝，影響骨的發育[42]。此外，膽囊癌相關的lncRNA H19也被報道與影響了礦物質代謝，這一作用依賴于lncRNA H19對NOTCH1的抑制作用，后者的下游通路為Hes相關家族bHLH轉錄因子1(Hes related family bHLH transcription factor 1, HEY1)，這是骨礦物質代謝相關因子——骨形態發生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2, BMP2)和Runt相關轉錄因子2(runt-related transcription factor 2, RUNX2)的重要抑制蛋白。因此，lncRNA H19可抑制NOTCH1，并可通過HEY1-BMP2/RUNX2信號通路擾亂骨和礦物質的代謝，以及骨骼的發育和形成[43]。此外，皮膚癌與皮膚角質細胞的異常增殖和分化密切相關。作為重要的一種微量元素，鈣調節了皮膚角質細胞的增殖和分化，并在皮膚癌的發生中發揮重要的作用。LncRNA通過調節鈣的代謝，參與了皮膚癌的發生。研究顯示，多種lncRNA在其中具有作用：通過lncRNA芯片發現，在皮膚癌角化細胞中，lncRNA H19、lncRNA HOTTIP以及lncRNA Nespas的表達顯著增加；而抑制腫瘤的lncRNA，如lncRNA p21和lncRNA Kcnq1ot1的表達顯著下降。上述lncRNA通過對鈣代謝相關的維生素D受體調節，參與了機體鈣的代謝，亦在皮膚癌的發生中發揮了作用，在鈣代謝和皮膚癌的發生中具有相互關系[44]。前期研究顯示，鐵的代謝與肝細胞癌密切相關。LncRNA PVT1介導了鐵代謝異常與肝細胞癌的發生。有報道指出，LncRNA PVT1在肝細胞癌組織及細胞中表達上升，上調的LncRNA PVT1則可使miR-150下調，并可使缺氧誘導蛋白2(Hypoxia-inducible protein 2, HIG2)的表達上調；HIG2的增加減少了肝癌細胞的凋亡，增加了肝癌細胞的增殖，同時對肝癌細胞的鐵代謝平衡造成了不良的影響[45]。

綜上所述，lncRNA作為日漸受到研究者以及臨床醫生關注的重要非編碼RNA，其在機體的正常生理功能維持和病理條件下的疾病進展中發揮了重要的作用。作為重要的信號分子，lncRNA在多種代謝相關疾病和多種腫瘤的發生之間搭建起了關鍵的橋梁。在針對基礎研究的同時，基于基礎研究的多種成果，越來越多的研究者聚焦于針對lncRNA為靶點的探索性治療手段，以希望打斷代謝疾病與腫瘤之間的不良聯系，實現對代謝相關疾病和腫瘤的改善及治療目的。例如，lncRNA SRA在肥胖、脂肪肝等代謝疾病以及乳腺癌、前列腺癌等腫瘤疾病中均有重要的作用，利用CRISPR-Cas9等基因編輯技術，針對lncRNA SRA進行組織特異性的剪切或過表達將有望對肥胖、脂肪肝等代謝疾病以及乳腺癌、前列腺癌等腫瘤疾病進行治療[46]。但這些治療的開展仍需長期和大量的基礎和臨床研究提供理論依據。