lncRNA與缺血性腦白質病的研究進展

楊 露 徐曼曼 韓露露 黃世敬

缺血性腦白質病是指由慢性腦缺血或低灌注造成的以腦白質區中樞神經脫髓鞘損害為主要特征的一類腦白質病變總稱，多發于老年人。臨床主要表現為認知障礙、情緒障礙、感覺運動障礙、尿失禁等癥狀，嚴重可導致腦卒中、癡呆甚至死亡。其中缺血性腦卒中發生率是正常人群的1.65～3.47倍，癡呆發生率是正常人群的1.40～2.43倍，病死率是正常人群的1.69～2.36倍[1]。缺血性腦白質病是血管-神經的一種慢性退行性病變，除了與年齡、腦血管發病危險因素等有關外，還受到腦缺血相關基因的表達調控。Li等[2]對慢性腦缺血白質損傷模型進行基因全轉錄組學分析發現358個差異表達的長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)，并且隨腦缺血時間動態改變。由此提示lncRNA參與缺血性腦白質病的相關調控。

一、lncRNA概述

lncRNA是一類位于細胞核或細胞質中長度超過200nt無蛋白質編碼作用的ncRNA。根據lncRNA在基因組中相對應編碼基因的位置可分為5種類型，即正義lncRNA、內含子lncRNA、反義lncRNA、基因間lncRNA和雙向lncRNA；或根據lncRNA功能分為4種類型，即信號型、誘餌型、引導型和支架型。隨著對基因組學測序技術的深入研究發現，lncRNA是基因表達的重要調節因子,其主要是通過與多種細胞生物分子如其他RNA(miRNA、mRNA)、DNA和蛋白質相互作用形成lncRNA互作體在表觀遺傳、轉錄、轉錄后和翻譯及翻譯后修飾等層面參與多種生物學過程的基因調控，從而發揮在疾病中的調控作用。人類基因組中有70%～80%的基因組被轉錄，但只有2%以下的基因組編碼蛋白質序列，剩余ncRNA的80%由lncRNA組成,而其中約有40%已識別的lncRNA在人類大腦中特異性表達，涉及4000～20000個lncRNA基因，這個數字表明lncRNA在人腦組織中高度豐富且穩定表達[3]。

二、lncRNA與缺血性腦白質病

急性和慢性腦缺血都會導致腦白質損傷，但隨著慢性腦缺血的進展，慢性腦缺血白質的進行性損害更為嚴重，且在相當長時間內是不可逆的。目前缺血性腦白質病的致病機制尚未完全闡明，國內外研究一致認為由慢性腦缺血或腦低灌注所導致的免疫炎性反應、氧化應激損傷、內皮障礙和血-腦脊液屏障破壞、細胞自噬和凋亡等參與缺血性腦白質病的病理機制。

1.lncRNA與免疫炎性反應:小膠質細胞和星形膠質細胞是中樞神經系統內的免疫活性細胞，在慢性腦缺血過程中被激活，活化的小膠質細胞和反應性增生的星形膠質細胞，一方面對神經元具有營養支持作用；另一方面，持續活化的星形膠質細胞和小膠質細胞會合成、釋放多種炎性細胞因子,誘導少突膠質細胞凋亡和髓鞘丟失，進而造成缺血性腦白質損傷，并阻礙白質修復。近年來研究表明lncRNA是炎性反應的潛在關鍵調控因子，通過調控炎性基因的轉錄表達參與炎性疾病的發生、發展。Zhong等[4]研究發現在大腦中動脈阻斷/再灌注處理的大鼠和氧糖剝奪/復氧(OGD/R)誘導的PC12細胞中高表達的lncRNA SNHG14，通過負調控miR-136-5p上調Rho相關卷曲螺旋形成蛋白激酶1(ROCK1)的表達，誘導炎性反應和神經元損傷，而抑制或敲除lncRNA SNHG14可明顯降低腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素6(IL-6)和IL-1β的表達水平，減少促凋亡半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3的表達以及神經細胞死亡數量，并改善神經功能。此外，腦缺血后過表達的lncRNA SNHG14還通過負調控miR-145-5p上調胞質磷脂酶A2IVA蛋白的表達促進小膠質細胞活化，釋放促炎性細胞因子TNF-α和NO，誘導神經細胞凋亡，加重缺血性腦損傷。核因子(NF)-κB通路是經典的炎癥信號轉導通路，Zhang等[5]研究證實上調腦缺血小膠質細胞中lncRNA-1810034E14Rik的表達，可通過抑制NF-κB通路激活，減少小膠質細胞活化以及促炎性細胞因子TNF-α和IL-1β的釋放，增加抗炎性細胞因子IL-4和IL-10的表達,減輕缺血性腦損傷。

2.lncRNA與氧化應激損傷：氧化應激不僅對構成腦白質的少突膠質細胞及軸突等產生損害，還會抑制腦白質損傷后少突膠質前體細胞介導的少突膠質細胞更新再生，阻礙腦白質的內源性修復，進一步加重白質脫髓鞘病變。lncRNA ROR在缺氧/復氧的PC12細胞中表達上調，而干擾其表達會促進miR-135a-5p過表達抑制ROCK1/2激活，降低活性氧(ROS)的產生和丙二醛(MDA)的含量，提高乳酸脫氫酶和超氧化物歧化酶(SOD)水平以及細胞活力，減少細胞凋亡[6]。表明抑制lncRNA ROR的過表達通過正調控miR-135a-5p調節ROCK1/2表達抑制氧化應激減輕腦缺氧缺血損傷。研究證實，抑制lncRNA BDNF-AS的表達可明顯提高淀粉樣β肽25-35誘導的PC12細胞活力，增加SOD和過氧化氫酶的活性，降低ROS和MDA的活性，抑制氧化應激損傷減少神經細胞凋亡[7]。Zhang等[8]研究顯示，上調腦缺血中lncRNA ZFAS1的表達可通過負調控miR-582-3p上調內皮型一氧化氮合成酶(eNOS/NOS3)表達來抑制氧化應激，保護神經細胞免受腦缺血再灌注損傷。而另一項研究表明抑制神經膠質細胞NOS3的活性可以維持線粒體結構和功能的完整性，減少少突膠質細胞凋亡，促進軸突功能恢復，從而保護缺血性腦白質損傷[9]。以上表明對于lncRNA ZFAS1調節NOS3表達在缺血性腦白質損傷的具體作用機制仍需進一步研究證實。

3.lncRNA與內皮障礙和血-腦脊液屏障破壞：在腦缺血期間，血管內皮細胞的結構和功能障礙會導致血-腦脊液屏障破壞, 血液及大分子物質緩慢滲漏到腦實質，引起腦水腫、神經膠質細胞損傷, 最終損害腦白質纖維。血-腦脊液屏障是由腦的連續毛細血管內皮及其細胞間的緊密連接、完整的基膜、星形膠質細胞腳板以及周細胞等構成的屏障結構,能夠維持腦組織的微環境穩態。Gao等[10]采用慢病毒FAL1轉染人原代腦微血管內皮細胞構建lncRNA FAL1過表達，其高表達減少了OGD/R誘導的細胞凋亡，抑制氧化應激損傷和炎性反應發生，更重要的是促進了eNOS的表達和NO的產生，這表明lncRNA FAL1高表達通過調節血管內皮功能障礙減輕腦血管內皮損傷。Li等[11]采用小鼠星形膠質細胞和腦微血管內皮細胞(BMEC)共培養建立血-腦脊液屏障模型，lncRNA LOC102640519在OGD/R處理的模型中表達上調，而敲除LOC102640519基因可通過正調控同源盒基因HOXC13的表達，上調緊密連接蛋白(ZO-1、occludin和claudin-5)的表達，減輕血-腦脊液屏障完整性破壞。主要在星形膠質細胞末端表達的水通道蛋白4是血-腦脊液屏障的重要調節因子，有研究發現，抑制lncRNA MALAT1和lncRNA TUG1表達可分別通過競爭結合miR-145正向調節水通道蛋白4的表達，減少OGD/R誘導的乳酸脫氫酶泄漏和星形膠質細胞凋亡，提示lncRNA MALAT1和lncRNA TUG1表達可能通過調節血-腦脊液屏障通透性參與腦缺血再灌注損傷[12，13]。

4.lncRNA與細胞自噬和凋亡：適度的細胞自噬可以清理受損的細胞器、蛋白質折疊錯誤或聚集，保護細胞免受損害從而促進細胞存活；而應激狀態下的過度自噬則會誘導包括細胞凋亡在內的細胞死亡。長期慢性腦缺血會導致自噬在腦白質中被過度激活，破壞白質完整性；而自噬抑制劑渥曼青霉素可通過抑制自噬減輕慢性腦缺血所致的白質損傷并改善認知障礙[14]。Zhou等[15]研究發現，lncRNA RMRP在OGD/R誘導的SH-SY5Y細胞中表達上調，而敲除RMRP基因可以顯著降低微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ/Ⅰ(LC3Ⅱ/Ⅰ)比值，提高細胞自噬受體蛋白p62表達水平，誘導神經細胞的增殖和遷移，抑制神經細胞凋亡和細胞周期阻滯,這表明抑制lncRNA RMRP的表達通過抑制細胞自噬和凋亡改善缺血性神經元損傷。Beclin1是一種能強烈誘導自噬的關鍵自噬相關蛋白，lncRNA MALAT1的下調可通過上調miR-30a的表達抑制腦缺血誘導LC3Ⅰ向LC3Ⅱ和Beclin1的轉化以及自噬體形成，促進神經細胞存活，表明抑制lncRNA MALAT1的表達通過負調控miR-30a抑制細胞自噬減輕神經元細胞死亡[16]。然而另有研究表明，lncRNA MALAT1是一種有效的自噬誘導劑，其過表達通過與miR-200C-3p競爭結合上調自噬介質沉默信息調節因子1的表達激活細胞自噬促進細胞存活，進而減輕缺血性腦損傷[17]。以上說明lncRNA通過調控腦缺血后的細胞自噬和凋亡，參與神經細胞損傷和神經細胞保護兩種不同作用機制發揮對缺血性腦損傷的作用,而這可能與自噬發生的時間以及程度有關。

三、lncRNA與缺血性腦白質病的治療

1.lncRNA對血管再生的作用：腦缺血發生后的代償性血管生成可以改善區的腦血流供應，減輕缺血性腦白質損傷，促進腦白質修復和認知功能恢復，因此促進腦缺血后的血管再生和改善腦血流量對缺血性腦白質病的治療具有重要意義。研究表明lncRNA SNHG1在OGD/R處理的BMEC中表達上調，其通過負調控miR-199a的表達上調缺氧誘導因子-1α(HIF-1α)和血管內皮生長因子(VEGF)mRNA及蛋白的表達水平，促進血管內皮細胞的增殖和遷移以及毛細血管樣結構的形成，提示lncRNA SNHG1與腦缺血后的血管重塑有關[18]。VEGF是血管生成的主要誘導因子，HIF-1α通過與VEGF啟動子的缺氧反應元件結合而成為VEGF轉錄激活的主要調控因子，兩者共同作用可促進新生血管的形成。另外，lncRNA SNHG12的上調也可通過負調控miR-199a增加VEGFA和成纖維細胞生長因子的表達，以及腦血管密度和毛細血管樣管形成，進而促進血管生成減輕OGD/R誘導的腦血管內皮細胞損傷[19]。Deng等[20]研究發現，抑制OGD/R誘導的BMEC損傷中lncRNA MIAT的高表達,通過競爭性結合miR-204-5p下調高遷移率族蛋白B1的表達，顯著促進VEGF和血管生成素-1的表達，并增加腦微血管密度和血管管腔形成數量。綜合以上，lncRNA參與調控腦缺血后的血管生成。

2.lncRNA對髓鞘修復的作用：慢性腦缺血誘導產生的少突膠質細胞減少或凋亡、髓鞘脫失、軸突變性以及白質疏松等病理改變是導致腦白質病變的主要原因。腦白質主要由成熟少突膠質細胞形成的髓鞘包裹軸突組成，少突膠質細胞是中樞神經系統唯一的成髓鞘細胞。研究報道lncRNA通過調控少突膠質細胞譜系發育階段和相關轉錄機制以及少突膠質細胞命運決定等方面參與髓鞘形成進而修復腦白質損傷。性別決定區Y相關的HMG盒8(SRY-related HMG-box8,SOX8)基因是調控少突膠質細胞成熟的重要轉錄因子，其互補編碼鏈lncRNA SOXOT通過與SOX8共享啟動子序列調節少突膠質細胞的成熟以及髓鞘基因的表達參與髓鞘再生[21]。He等[22]研究發現，lncOL1是一種少突膠質細胞限制性lncRNA，其過表達會促進少突膠質細胞分化和髓鞘形成相關基因(髓鞘蛋白脂蛋白、髓鞘相關糖蛋白、髓鞘堿性蛋白、髓鞘基因調控因子)的表達以及溶血酯酶誘導白質損傷脫髓鞘后的再髓鞘化過程，而lncOL1基因缺失則會導致少突膠質細胞分化和髓鞘形成的障礙，進一步研究發現,lncOL1是通過與多梳抑制復合物2的核心成分多梳蛋白Suz12相互作用，使Suz12在其靶基因位點沉積進而促進少突膠質細胞的分化。以上表明lncOL1通過與Suz12結合形成復合體調節少突膠質細胞的分化、髓鞘形成以及再髓鞘化修復。lncOL1基因位于蛋白質編碼Pcdh17基因內含子2中，而lncRNA Pcdh17it位于Pcdh17基因內含子1中，lncRNA Pcdh17it在未成熟的少突膠質細胞中特異表達，其通過調控Pcdh17基因的表達調節F-肌動蛋白組裝參與髓鞘形成[23]。

3.lncRNA對突觸可塑性的調節作用:腦白質的修復除了髓鞘再生和軸突重塑之外，還包括對突觸可塑性的調節。突觸可塑性主要包括突觸結構和突觸傳遞效能兩方面，其對正常白質束的發育和形成至關重要。Tan等[24]研究發現，敲除lncRNA Meg3會抑制N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體依賴的皮質神經元表面α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體GluA1亞基的增加,阻斷甘氨酸刺激長時程增強作用(LTP)的誘導和維持，表明lncRNA Meg3的表達通過調節突觸增強過程中神經元表面AMPA受體的最佳數量調控突觸可塑性。lncRNA Atlas是突觸蛋白Ⅱ(Syn2)的反義lncRNA，抑制lncRNA Atlas的表達可通過促進CUGBP Elav樣家族成員4與Syn2b的3′-UTR結合，抑制Syn2b基因的可變聚腺苷酸化并降低其表達，增加Syn2a的表達，促進突觸后膜上AMPA受體介導的興奮性突觸傳遞，增強突觸強度和突觸可塑性[25]。Raveendra等[26]研究表明，lncRNA GM12371是突觸功能的轉錄調節因子,其正常表達是維持海馬神經元興奮性突觸傳遞的必要條件，而敲除lncRNA GM12371會導致海馬神經元突觸總密度和樹突樹復雜性降低,棘突密度和蘑菇狀棘突數量減少，突觸長時程抑制和谷氨酸受體信號通路下調，以及腺苷酸環化酶激活劑誘導的突觸通訊增強也受到抑制。由此可見，lncRNA GM12371的表達參與突觸可塑性的調節，對突觸傳遞依賴性活動改變至關重要。LoNA是一種核仁特異性lncRNA，其缺失會促進核糖體向突觸的轉運，提高局部突觸后致密蛋白95、鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱα、AMPA受體和NMDA受體水平，增強LTP和突觸可塑性，最終鞏固記憶[27]。

四、展 望

綜上所述，lncRNA對慢性腦缺血后的免疫炎性反應、氧化應激損傷、內皮障礙和血-腦脊液屏障破壞、細胞自噬和凋亡等具有調控作用，同時亦通過調控血管再生、髓鞘修復以及突觸可塑性等方面發揮治療作用。此外，基于lncRNA的復雜多態性，筆者還發現一種lncRNA可以直接或間接靶向多個靶標形成調控網絡，而一個靶標也可以對應多個lncRNA,在慢性腦缺血白質損傷過程這種作用機制是同時發生，還是存在競爭擇優，這一點有待于深入研究。目前lncRNA的研究還處在初期階段，在已識別有限的lncRNA圖譜中，無法闡明其具體的體內調控機制。基因轉錄組學和高通量測序技術的發展必然會篩選出更多與腦白質病變相關的差異表達lncRNA，通過對其在動物實驗、細胞實驗以及臨床試驗方面的全面深入研究和驗證，使lncRNA應用于缺血性腦白質病的臨床治療成為可能。