長鏈非編碼RNA及其與腫瘤發生發展的關系

范月瑩，張洪，高潔芳，馮豆，宋玲

(武漢大學人民醫院藥學部，武漢 430060)

根據基因組微陣列、全基因組和轉錄組測序技術等的研究，人們確定至少90%的基因組進行了轉錄[1]。然而，僅有不到2%全基因組序列具有編碼蛋白質的功能，非編碼RNA的數量遠遠大于編碼RNA，非編碼RNA指不具有編碼蛋白能力，但在生物體生命活動中發揮作用的RNA分子，按長度可將其分為長鏈非編碼RNA(long non-coding，lncRNA)和短鏈非編碼RNA兩大類[2]。一直以來，蛋白質被認為是調節細胞功能的主角，中心法則“DNA→RNA→蛋白質”表明遺傳信息儲存在蛋白質編碼基因中，而RNA僅被認為是基因和蛋白質之間的中介[3]。因此，在過去的幾十年人們的研究焦點在于蛋白質編碼基因在疾病發生、發展過程中的作用。但是全基因組和轉錄組測序的證據表明，生物的各種生命活動可能也受到短鏈或長鏈非編碼RNA的調控[4]。其中微RNA (microRNA，miRNA)屬于短鏈非編碼RNA，是目前研究最多的非編碼RNA[5]。近年來，人們逐漸將目光轉向lncRNA，發現lncRNA在生物體內的功能是多種多樣的，而且在包括癌癥在內的多種疾病中表現出異常調控及組織特異性[6]。現就lncRNA的研究概況及其與腫瘤的關系予以綜述。

1 lncRNA概述

1.1lncRNA的發現 lncRNA通常指長度超過200個核苷酸的非編碼RNA分子。在miRNA被發現前就有lncRNA的報道，但人們并未將其命名為lncRNA。最早被報道的lncRNA基因之一是印跡基因H19，它編碼一個2.3 kb的非編碼RNA分子，可參與表觀遺傳調控、轉錄及轉錄后調控等，與多種惡性腫瘤的發生、發展相關[7]。隨后很快發現X染色體失活特異轉錄本RNA基因，該基因可引發X染色體沉默[8]。然而，第一個miRNA“lin-4”的發現將非編碼RNA研究的焦點從lncRNA轉向了miRNA[6]。之后，人們對于miRNA的研究不斷增加，但關于lncRNA的功能研究甚少。2007年，Rinn等[9]報道，發現了一種功能性lncRNA——HOX轉錄反義RNA(HOX transcript antisense RNA，HOTAIR)，HOTAIR編碼基因長2.2 kb，位于染色體12q13.13；HOTAIR可以作用于多梳蛋白，對染色質進行修飾，抑制HOX基因轉錄，進而調節生物體生長發育。自此，lncRNA逐漸得到研究人員的關注，越來越多的具有重要生理病理功能的lncRNA被發現，使人們對lncRNA的認識顯著提升[10]。隨著研究的深入，估計人類基因組中目前有7 000～23 000個lncRNA，這意味著非編碼RNA可能在癌癥生物學中發揮重要作用的組成部分[11]。人類全基因組分析提供了完整的人類lncRNA數據集，詳細描述了lncRNA在人類基因組中的表達、功能和分布，極大地促進了對lncRNA的了解[12]。盡管如此，lncRNA的分類仍有待統一，因為它們可以根據多種不同的特征進行分類，包括結構、序列、功能、代謝以及與蛋白編碼基因或其他已知DNA元素的相互作用等[13]。例如，按照lncRNA同蛋白質編碼基因的位置關系進行分類，可將其分為順式反義型、重疊型、內含子型和雙向型等[14]；而根據lncRNA的功能進行分類，又可將其分為誘餌分子、信號分子、引導分子和骨架分子四類[15]。

1.2lncRNA的特點 lncRNA參與許多生物學作用，如參與調控細胞發育和分化、調控細胞凋亡和細胞周期，也參與基因印跡、剪接、表觀遺傳調控、轉錄和翻譯調控等[16]。lncRNA大多由RNA聚合酶Ⅱ轉錄，隨后發生多聚腺苷酸化和RNA前剪接等共轉錄修飾[15]。lncRNA具有標準剪接位點信號，但與信使RNA相比，外顯子相對較少，因此，lncRNA通常比信使RNA短，中位數為592 nt，而信使RNA為2 453 nt；雖然lncRNA通常不如信使RNA穩定，但一項以小鼠細胞為模型的研究表明，大部分lncRNA具有較高的穩定性[17]。多數lncRNA位于核內，這與lncRNA在基因表達表觀遺傳調控中的主要功能一致[18]。但也有大量lncRNA在細胞質中富集，發揮包括翻譯調控在內的重要功能。有趣的是，一些lncRNA被切割成不同的片段，分別在細胞核和細胞質中發揮作用，如能夠產生lncRNA肺腺癌轉移相關轉錄本1 (metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1)的位點被核糖核酸酶P裂解，產生具有類多聚腺苷尾3′端的MALAT1轉錄本和一個進入細胞質中的小的轉運RNA樣RNA[19]。

2 lncRNA在腫瘤發生、發展中的作用

lncRNA的異常表達與惡性腫瘤細胞的生長、增殖、侵襲、轉移等生物學行為密切相關。如lncRNA漿細胞瘤可變易位基因1是胃癌預后不良的指標，通過調節p15和p16的表達抑制結直腸癌細胞凋亡，促進細胞增殖[20]；lncRNA肌動蛋白纖維相關蛋白1-反義RNA1通過刺激應激纖維的形成，促進鼻咽癌細胞的侵襲和遷移[21]；下調lncRNA尿路上皮癌相關基因1 (urothelial carcinoma associated 1，UCA1)的表達能誘導癌細胞的放射敏感性，并降低其增殖能力等[22]。

2.1通過表觀遺傳的改變影響腫瘤的發生、發展 遺傳學是指基因序列發生改變，從而引起基因表達水平發生變化(如基因雜合丟失、基因突變和微衛星不穩定)；而表觀遺傳學和遺傳學相對應，并未發生基因序列的改變，而是在非基因序列改變的基礎上導致的基因表達水平變化(如組蛋白變體、染色質構象改變、DNA甲基化修飾、DNA組蛋白修飾)[23]。但lncRNA鏈較長，且有二級結構等較為復雜的結構，不同lncRNA間功能差異較大，機制復雜，尚未被完全闡明。HOTAIR即是一種參與表觀遺傳調控的lncRNA，它是第一個被發現通過全基因組表觀遺傳重編碼參與癌癥進展的致癌lncRNA，通過與多梳抑制性復合物2 (polycomb repressive complex-2，PRC2)亞基相互作用，參與基因沉默；PRC2是兩類多梳蛋白之一，具有組蛋白甲基轉移酶活性，主要使組蛋白H3亞基第27位賴氨酸三甲基化，是轉錄沉默染色質的標記，而HOTAIR在抑癌基因啟動子區域招募PRC2亞基，通過將PRC2引入特定位點來調節組蛋白H3賴氨酸27的甲基化水平，從而抑制染色質復合物的形成，并導致腫瘤抑制基因的表觀遺傳沉默，促進多種腫瘤細胞的發生和進展[24]。高表達的母系表達基因3可通過將組蛋白甲基轉移酶zeste基因增強子同源物2和組蛋白脫甲基酶Jumonji家族富含AT結合結構域2，引入上皮鈣黏素編碼基因和miR-200家族基因的調節區域，來調節組蛋白H3的甲基化水平，參與到由轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)介導的上皮-間充質轉化(epithelial mesenchymal transition，EMT)過程中，在表觀遺傳學水平上調節EMT，而EMT參與多種癌癥的發生、發展，因此母系表達基因3的高表達與肺癌、肝癌、胃癌、結直腸癌、膀胱癌等惡性程度密切相關[25]。

2.2通過與RNA之間的相互作用影響腫瘤的發生、發展 lncRNA的相互作用包括與其他RNA亞型的串擾，從而形成一個可以參與癌癥機制的相互作用網絡。Salmena等[26]首次提出了競爭性內源性RNA假說，該假說提出非編碼RNA通過轉錄組中的miRNA響應元件實現與信使RNA的交叉作用。有文獻報道，lncRNA CA3-反義RNA1通過與miR-93/人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因 (phosphatase and tensin homology deleted on chromosome ten，PTEN)的相互作用，抑制結直腸癌的增殖和侵襲，并促進其凋亡[27]。PTEN基因編碼磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸3-磷酸酶，該產物阻礙細胞生長過快，因此，PTEN基因作為抑癌基因在腫瘤的發生、發展中發揮重要作用，它的突變是許多癌癥的表現之一。有研究表明，miR-93調控PTEN的表達，而lncRNA CA3-反義RNA1能夠直接與miR-93結合，減輕miR-93過表達的結直腸癌細胞的增殖和侵襲[28]。

2.3通過信號通路影響腫瘤的發生、發展 信號轉導通路異常活化與惡性腫瘤的發生、發展及預后有著密切聯系。多種信號通路并非獨立作用，而是處于復雜的多維調控中，在腫瘤細胞的增殖、分化、遷移及凋亡等方面發揮重要功能[29]。lncRNA可調控信號通路的作用，參與癌細胞的多種生命活動[30]。有研究表明，lncRNA OTUD6B反義RNA1(OTUD6B antisense RNA 1，OTUD6B-AS1)通過影響Wnt/β聯蛋白(β-catenin)信號通路抑制腎透明細胞癌細胞的增殖，并促進其凋亡[31]。Wnt信號通路參與細胞的增殖和再生，在胚胎發育和EMT過程中發揮重要作用，是一種高度保守的信號通路，由一系列癌基因和抑癌基因蛋白質組成[32]。其中最經典的途徑是Wnt/β-catenin信號途徑。β-catenin可與上皮鈣黏素結合形成上皮鈣黏素/β-catenin復合物，維持細胞間黏附結構和細胞穩定性；Wnt信號通路能抑制糖原合酶激酶3β的磷酸化和β-catenin在細胞質中的降解，并上調轉錄因子(如snail和twist)的表達，從而抑制上皮鈣黏素轉錄，提高細胞內游離β-catenin水平，激活核內EMT相關的轉錄因子，誘導EMT發生[33]。通常情況下，Wnt信號通路在細胞中是受抑制的，但在多種癌癥中被激活。研究人員研究了OTUD6B-AS1過表達對腎透明細胞癌細胞中Wnt/β-catenin途徑激活的影響，結果顯示，與對照組相比，OTUD6B-AS1過表達組磷酸化和非磷酸化蛋白激酶B及糖原合酶激酶3β的水平均下降，β-catenin的總水平也下降，但上皮鈣黏素的表達上調[31]。所以OTUD6B-AS1可以調節Wnt/β-catenin信號通路的活性，并影響幾種EMT相關蛋白在腎透明細胞癌細胞中的表達，最終抑制腎透明細胞癌細胞的增殖，并促進癌細胞的凋亡。

另有研究表明，核仁小分子RNA宿主基因6(small-nucleolar-RNA host gene 6，SNHG6)編碼的lncRNA可能通過結合上游移碼突變體(up-frameshift mutant 1，UPF1)激活TGF-β/Smad信號通路，進而調控結直腸癌的增殖、遷移及侵襲；TGF-β信號通路作用廣泛，可調控干細胞活性及器官形成等，并與癌癥的發生、發展有密切聯系，TGF-β下游的跨膜受體是多個Smad蛋白，是TGF-β超家族信號傳遞的重要調控分子，UPF1是人無義介導的信使RNA降解底物的一部分，可以介導RNA降解過程，并使編碼的TGF-β抑制劑Smad7不穩定，刺激TGF-β信號轉導[34]。研究發現，當SNHG6基因被剔除時，在結直腸癌組織中，UPF1蛋白和Smad7下游TGF-β途徑蛋白(如p-Smad2和p-Smad3)的表達均降低，而總Smad2和Smad3的表達水平則無顯著改變[35]。可見，SNHG6通過對UPF1的作用調節TGF-β/Smad通路，促進腫瘤細胞增殖、遷移和侵襲。

2.4通過與非通路蛋白的其他蛋白分子作用影響腫瘤的發生、發展 lncRNA除了可以與通路蛋白作用外，還可與其他多種蛋白分子作用。有研究表明，位于染色體17p13.1的p53調節相關lncRNA(p53 regulation-associated lncRNA，PRAL)基因編碼的lncRNA PRAL能夠在肝癌中上調p53的表達，并可通過PRAL、熱激蛋白90(heat shock protein 90，HSP90)和p53之間的聯系減少p53的泛素化[36]。p53自20世紀90年代末發現以來，在分子水平上得到了深入的研究[37]。它是一種能夠誘導細胞生長停滯或細胞凋亡重要的轉錄因子，與癌癥的發生、發展有著緊密聯系，作為抑癌因子，p53在各種癌癥中表達通常下調[38]。鼠雙微體基因2能夠通過E3泛素酶活性調控p53，使其泛素化，影響p53的功能[39]。有研究使用生物物理學手段發現，人類p53 DNA結合域與酵母HSP90的多個域相互作用[40]。據報道，p53利用HSP90依賴性運動系統沿胞質動力蛋白驅動的微管束向細胞核移位[41]。因此，lncRNA PRAL可直接與HSP90結合，增強HSP90與p53之間的相互作用，阻斷鼠雙微體基因2對p53的泛素化，進而促進肝癌細胞的凋亡。

3 lncRNA與癌癥治療

3.1lncRNA作為臨床治療靶點 從臨床角度來看，由于lncRNA與癌癥的發生、發展密切相關，使它成為一種新的有前途的治療靶點。人們正在積極探索通過反義寡核苷酸(antisense oligonucleotide，ASO)靶向lncRNA從而調節基因表達的方法。ASO是人工合成的核酸片段，可以通過堿基互補原則與信使RNA某一區段互補，并阻礙基因的表達。近來人們發現，ASO同樣可以作用于lncRNA，PRC2是許多lncRNA發揮作用所必需的蛋白復合物，ASO可以替代PRC2結合lncRNA，影響lncRNA與染色質之間的相互作用，調控基因表達[42]。因此，可以將lncRNA作為臨床治療靶點，采用ASO阻礙lncRNA的作用達到治療疾病的效果[43]。有研究發現，通過ASO作用于MALAT1能夠減少小鼠乳腺癌或肺癌的轉移，提示lncRNA作為臨床治療靶點的可能性[44]。此外，阻斷lncRNA蛋白相互作用或干擾lncRNA-蛋白復合物形成的小分子抑制劑種類也在增加，靶向lncRNA治療癌癥成為臨床治療癌癥的一個新方向[45]。

3.2lncRNA作為治療癌癥的監測因子 lncRNA與癌癥的發生、發展密切相關，可以作為臨床治療癌癥效果的監測因子。如lncRNA結腸癌相關轉錄本1可以作為監測因子來預測溴結構域和超末端結構(bromodomain and extraterminal， BET)抑制劑治療結腸癌的效果[46]。根據起始分子改變可將結腸癌分為3大類，即染色體不穩定型、微衛星不穩定型和CpG島甲基化表型[47]。CpG島甲基化表型結腸癌是其中較獨特的一種，患者預后較其他類型更差。研究發現，CpG島甲基化表型腸癌非常依賴于BET和增強子及其他表觀遺傳機制的共同作用進行原癌基因cMYC的轉錄[48]。研究人員還發現，lncRNA結腸癌相關轉錄本1是BET增強子轉錄而來的lncRNA，可用于反映增強子活性，從而成為BET活性生物標志物，進一步預測BET抑制劑對結腸癌治療的效果[46]。而且lncRNA結腸癌相關轉錄本1可通過定量聚合酶鏈反應或原位雜交術檢測，在臨床應用方面切實可行，是福爾馬林固定石蠟包埋組織中理想的生物標志物。

3.3lncRNA與癌癥耐藥性 lncRNA在癌癥的耐藥性中也發揮著重要作用。化療是治療晚期膀胱癌的一種手段，但是約50%的晚期膀胱癌患者會逐漸產生耐受，研究lncRNA UCA1在膀胱癌化療期間順鉑耐藥中的作用，發現UCA1水平在順鉑耐藥膀胱癌細胞中升高，UCA1過表達顯著增加了順鉑治療期間的細胞存活率，而UCA1敲低降低了順鉑治療期間的細胞存活率[49]。機制方面，可能是UCA1通過提高Wnt6的表達，激活Wnt/β-catenin信號通路，增加膀胱癌細胞對順鉑的耐藥性。該項研究指明，lncRNA參與癌癥的耐藥，并為臨床克服膀胱癌的耐藥性提供了新靶點。

4 小 結

隨著新一代測序技術的發展，lncRNA的特征、功能及與疾病(尤其癌癥)發生、發展的關系正在被人們深入地了解。lncRNA雖然不參與蛋白質的編碼，但它在機體內發揮的功能十分廣泛，包括在表觀遺傳、轉錄和轉錄后等不同水平調控基因表達，在基因組修飾、轉錄激活、轉錄干擾、染色體沉淀等方面發揮關鍵作用。lncRNA的異常表達與惡性腫瘤細胞的生長、增殖、侵襲、轉移等密切相關，正在成為癌癥治療的新靶點，并可以作為癌癥預測及預后的生物標志物指導臨床應用。lncRNA在癌癥治療等方面有巨大的潛力，值得人們更多的關注。