MEG3在神經膠質瘤、亨廷頓病、缺血性腦卒中發生發展中作用機制的研究進展

閻紅琳，黃文先，袁靜萍

(武漢大學人民醫院，武漢430060)

近十年來基因組測序技術的進步使轉錄本的發現達到空前規模，其中最重要的發現是非蛋白編碼的轉錄本支配了哺乳動物基因組的轉錄輸出。目前普遍認為,人類基因組的90%可以發生轉錄，但僅有2.94%可編碼蛋白質[1]。轉錄的產物中大部分是非編碼RNA(ncRNAs)，根據其功能可分為管家ncRNAs和調控ncRNAs，由于調控ncRNAs可對蛋白編碼的基因進行調控，因此是目前研究較廣泛的ncRNAs。根據RNA的長度，調控ncRNAs可分為兩類：第一類為長度小于200個核苷酸(nt)的小非編碼RNA，包括微小RNAs(miRNAs)、小干擾RNAs和Piwi相關RNAs；第二類為長度大于200 nt的長鏈非編碼RNA(lncRNAs)[2]。最近研究表明，lncRNAs在神經元功能、神經元分化、大腦發育及腦功能方面發揮重要調控作用。lncRNAs的失調和(或)功能障礙參與了多種神經系統疾病包括腦缺血再灌注損傷、缺血缺氧性腦損傷、神經退行性疾病、神經膠質瘤等疾病的發生[3～6]。母系表達基因3(MEG3)是一種由母系印記基因編碼的lncRNA，最初被發現作為腫瘤抑制因子在多種人類腫瘤中發揮作用，近年發現其與神經膠質瘤、亨廷頓病和腦卒中等神經系統疾病的發病機制有關，可能是神經系統疾病新的生物標志物。本文就lncRNA MEG3在神經膠質瘤、亨廷頓病和腦卒中等神經系統疾病發生發展中的作用機制研究進展綜述如下。

1 長鏈非編碼RNA MEG3的病理生理作用

MEG3是小鼠基因捕獲基因2的人類同源物，是首次通過基因捕獲鑒定的母系表達的印跡基因[7]。MEG3位于染色體14q32，屬于DLK1-MEG3印記位點，該位點含有多個印記基因，包括至少3個父系表達的蛋白質編碼基因和大量的母系表達的非編碼RNAs[8]。成熟的MEG3 RNA由10個外顯子組成，長度約為1 600 nt，在腦、腎上腺、胎盤、睪丸、卵巢、胰腺、脾臟、乳腺和肝臟等組織中都有豐富的表達[7]。MEG3在不同組織來源的多個癌中表達缺失，包括25%的神經母細胞瘤、81%的肝細胞癌和82%的神經膠質瘤，MEG3的表達缺失涉及多種機制，如基因缺失、基因間差異甲基化區域的高甲基化、啟動子高甲基化等[8]。當過表達MEG3時可抑制腫瘤形成，因此MEG3在癌癥中起抗腫瘤細胞增殖作用，被認為是腫瘤抑制因子[8]。MEG3基因產物作為非編碼RNA除了可抑制細胞增殖外，還可促進細胞凋亡。近年研究發現,MEG3在缺血性腦卒中患者中過表達，且這種過表達可誘導缺血性神經元死亡[4]。MEG3在腫瘤性疾病和缺血性疾病中截然相反的作用與其參與的眾多信號通路有關。Zhou等[9]首次報道MEG3可通過p53依賴性和非依賴性途徑介導p53的激活，導致細胞周期阻滯、復制性衰老和(或)細胞凋亡。多項研究顯示，MEG3既可通過直接結合p53,誘導p53蛋白的聚集和活化，也可通過磷酸化、乙酰化和SUMO化抑制鼠雙微基因2(MDM2)的表達，從而影響p53的激活(MDM2編碼核E3泛素連接酶，介導包括腫瘤抑制蛋白在內的蛋白質的泛素化，例如p53蛋白的降解)，因此，MEG3誘導的細胞凋亡和抗增殖活性可能通過抑制MDM2和隨后激活p53信號途徑介導[4,10]。近年，lncRNAs的作用機制研究又有新的進展。研究發現，大多數lncRNAs與表觀遺傳調控有關，lncRNAs通過與miRNAs、mRNAs和蛋白的相互作用在基因表達的表觀遺傳調控中起著至關重要作用。在基因表達中，lncRNAs可通過轉錄或轉錄后模式調控基因表達。已發現，內源性lncRNA MEG3可通過干擾miRNA通路，如作為內源性競爭性RNA(ceRNAs)與miRNAs競爭其靶mRNA的結合，從而減少miRNAs對這些mRNA的抑制作用，影響多種疾病轉錄后調控[5,11,12]。

2 長鏈非編碼RNA MEG3在神經膠質瘤發生發展中的作用機制

膠質瘤是中樞神經系統中最常見腫瘤，由于缺乏有效手段診斷和治療，預后仍然不佳。lncRNAs是轉錄、轉錄后和表觀遺傳水平上基因表達的新型調控因子。研究發現，MEG3在各種類型的人類腫瘤和腫瘤細胞系，包括膠質瘤中都表達缺失，是神經膠質瘤發生發展的調節因子[13]。最近研究表明，lncRNAs的表達模式與膠質瘤惡性程度有顯著相關性，可能在調節神經膠質瘤的進展中起重要作用[14,15]。Zhang等[16]通過比較正常組織和高級別神經膠質瘤的表達譜，鑒定出與星形細胞瘤惡性程度密切相關的lncRNAs，在這些lncRNAs中，CRNDE和HOTAIRM1隨著惡性程度的升高而上調，而PAR5、MEG3、C21orf131及其他lncRNA下調。MEG3在膠質瘤組織中的丟失是由于DNA甲基轉移酶1介導的MEG3啟動子的高甲基化所致[17]。進一步的研究表明，MEG3所在的染色體位點14q32是一個包含抑癌基因的區域，MEG3的異位表達抑制了人類癌細胞的生長[8]。Wang等[18]研究結果表明，MEG3在膠質瘤細胞系U251和U87MG中的異位表達可抑制細胞增殖，促進細胞凋亡；MEG3與p53蛋白有關，并且這種關聯是p53活化所必需的。MEG3高甲基化可導致MEG3表達缺失，抑制p53通路在神經膠質瘤中的表達[17]。也有研究顯示,MEG3的抗細胞增殖作用一部分是通過抑制MDM2表達和隨后激活p53信號通路[9,10]而實現。最近研究顯示,MEG3可作為miR-19a的ceRNA抑制腫瘤發生[19]。研究報道，miR-19a與PTEN的30-UTR結合，抑制PTEN的表達，促進膠質瘤細胞增殖、遷移和侵襲[19]。MEG3還可抑制miR-93和PI3K/AKT通路相關蛋白表達調控膠質瘤生長[20]。MEG3不僅可以影響膠質瘤的進展，也在膠質瘤細胞順鉑治療中起作用。MEG3表達增加可增強膠質瘤細胞對順鉑的敏感性，而MEG3表達下調則增加對順鉑的耐藥性[14]。進一步的機制研究[21]表明，MEG3通過抑制自噬介導順鉑誘導的細胞凋亡。

3 長鏈非編碼RNA MEG3在亨廷頓病發生發展中的作用機制

亨廷頓病患者大腦中的神經退行性病變常常伴隨基因調控網絡的廣泛變化。最近研究發現，這些變化不僅局限于蛋白質編碼基因，還包括非編碼RNA。Johnson等[22]挖掘了現有的基因芯片數據，發現7個在亨廷頓病患者大腦中失調的新lncRNA，其中有4種lncRNA在亨廷頓病患者的大腦中發現顯著變化：TUG1和NEAT1上調，而MEG3和DGCR5下調。值得注意的是，阻遏子元件沉默轉錄因子(REST)可結合到DNA的神經元限制性沉默元件(NRSE)上，對基因的表達具有阻遏作用[23]。研究發現，在亨廷頓病腦組織中顯著下調的DGCR5是REST的靶點，可被REST抑制[22]。有研究顯示，MEG3在其轉錄起始位點的10 kb內也包含REST的結合位點，提示MEG3也可能是REST的靶點之一，因此MEG3在亨廷頓患者腦組織中顯著下調的原因一部分可能是受到了REST的抑制[24]。Johnson等[22]認為，MEG3是目前發現的所有亨廷頓病候選標志物中最好的，因為MEG3在小鼠神經系統發育過程中動態表達，且在成人和小鼠大腦的各個區域都高表達，同時是一種重要的表觀遺傳調控因子。有研究[25]在細胞染色質中發現MEG3能夠綁定核心蛋白復合體PRC2。由于cAMP可通過CREB轉錄因子調控MEG3，推測MEG3可能參與神經元興奮性毒性[25]。最近研究[26]發現，MEG3在海洛因依賴者的伏隔核中上調。Gordon等[27]構建了MEG3基因敲除小鼠模型，發現當敲除小鼠腦內MEG3后，小鼠大腦皮質基因表達發生顯著變化，導致皮質微血管密度升高，VEGF血管生成途徑相關基因表達增強。以上研究結果提示，MEG3可能是大腦發育過程中以及成熟大腦中重要的表觀遺傳調節劑，它可以穩定地改變基因表達譜以響應神經元活動，因此MEG3在亨廷頓病中的顯著下調可能會導致眾多基因突變，引發不同種類后遺癥[22]。

4 長鏈非編碼RNA MEG3在缺血性腦卒中發生發展中的作用機制

缺血性腦卒中是全世界病死率和致殘率較高的疾病。近年，使用RNA測序、深度測序和基因芯片等新技術已篩選出缺血性腦卒中患者或缺血性損傷動物模型中大量表達異常的lncRNAs。MEG3在腦缺血動物模型，如大腦中動脈阻塞模型(MCAO)和(或)氧糖剝奪(OGD)細胞模型中表達顯著增加，其在神經系統和缺血性卒中患者中的表達和作用逐漸被發現[4,12,28]。研究顯示，MEG3可作為MCAO模型和OGD模型中神經元缺血性損傷的細胞毒性因子，因為在小鼠MCAO術后的缺血組織及OGD處理的N2a神經細胞中，MEG3的表達均顯著增加3倍以上[4]。采用特異性的小干擾RNA(siRNA)抑制MEG3的表達可降低MCAO引起的小鼠腦梗死和腦水腫體積，改善神經行為評分；同時，MEG3的增加伴隨著神經元死亡和凋亡的增加[4]。進一步研究發現，p53通路、miR-181b-12/15-LOX通路和miR-21-PDCD4通路參與了MEG3的功能。p53在DNA修復中起重要作用，它在G1/S期阻滯細胞周期，促進DNA修復，并在DNA損傷不可修復時啟動細胞凋亡。因此，p53被認為是抑癌因子以及細胞和遺傳穩定性的關鍵。在腦缺血損傷小鼠模型中，MEG3的增加通過直接與p53基因的DBD270-281位點結合而促進p53表達，從而促進神經元凋亡[4]。MEG3-p53結合體中p53的分離抑制了小鼠神經元凋亡和梗死體積的增加，表明MEG3通過p53起作用[4]。12/15-LOX是脂氧合酶的主要異構體，脂氧合酶是一組酶，催化多不飽和脂肪酸如亞油酸和花生四烯酸形成氫過氧化物。研究表明，神經元12/15-LOX在受損腦中被激活，其介導氧化應激誘導的神經元功能障礙，最終導致腦缺血后神經元死亡[29]。miR-181b是12/15-LOX表達的關鍵調控因子，miR-181b的過度表達抑制了12/15-LOX-1的產生[12]。MEG3在miR181b-12/15-LOX通路中起ceRNA的作用。小鼠MCAO術后腦組織或OGD神經元中MEG3表達上調，競爭性抑制miR-181b對12/15-LOX的影響，導致12/15-LOX表達上調，從而誘導神經元死亡[12]。MEG3在miR-21-PDCD4通路中也可作為ceRNA發揮作用。miR-21在缺血后表達下調，在N2a神經細胞中過表達miR-21可以保護OGD引起的細胞凋亡[5]。值得注意的是，PDCD4作為miR-21最常見的靶蛋白之一，其活性受到miR-21的抑制，而這種抑制效應可被過表達的MEG3消除，更重要的是，在缺血性卒中MCAO動物模型及OGD細胞模型中，MEG3競爭性結合miR-21調控其靶蛋白PDCD4，介導缺血性神經元死亡[5]。GO富集分析預測MEG3與器官發育(肺、肝臟、胚胎、骨骼肌發育)、血管功能(血管生成和VEGF信號通路)、基因調控(DNA轉錄、RNA折疊、甲基化和基因印跡)、炎癥(Notch信號通路、SMAD蛋白信號轉導)和細胞生長(細胞分化、細胞增殖負調控)等生物學過程有關[28]。眾所周知，預防缺血性損傷和促進神經發生是缺血性腦卒中治療的兩個主要策略。根據GO富集的結果，MEG3還可能通過基因調控機制(轉錄、RNA折疊和甲基化)干擾神經再生、血管生成和炎癥。

綜上所述，MEG3通過參與基因調控、促進細胞增殖、抑制細胞凋亡、促進血管生成等機制參與神經膠質瘤、亨廷頓病、缺血性腦卒中等疾病的發生發展。鑒于MEG3是大腦神經元中重要的表觀遺傳調節劑，而神經系統眾多疾病與多種基因的表達變化有關，因此MEG3可能是上述神經系統疾病新的生物標志物。