競爭性內源性RNA在神經退行性疾病中作用的研究進展

趙 麗，馬 慧，孫 艷*

（哈爾濱醫科大學公共衛生學院勞動衛生與環境衛生學教研室，黑龍江 哈爾濱 150081）

神經退行性疾病是大腦和脊髓神經元喪失而引起的一類不可逆轉的神經系統變性疾病，以發作遲緩和選擇性神經元功能障礙為特征表現，是嚴重威脅人類健康的疾病，主要包括阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森氏病(Parkinson's disease，PD)、亨廷頓氏病(Huntington's disease，HD)、肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)。近年來，神經退行性疾病潛在機制的研究進展促進了其有效治療方案的發展，進而對疾病有效生物標記物的需求增加，其中細胞外分子RNA在神經退行性疾病病理過程中的相互作用成為人們關注的焦點。有證據揭示，競爭性內源性RNA (competing endogenous RNAs，ceRNAs)與神經退行性疾病的發生發展密切相關。確定ceRNAs在神經退行性疾病發病機制中的作用，不僅可以加深對這些疾病生理和病理過程的認識，而且可以為這些疾病的診斷和預防提供新的思路和解決方案，這將有助于神經退行性疾病的早期診斷和治療監測。本文就近年來ceRNAs在神經退行性疾病中的相關研究作一綜述。

1 ceRNA假說概述及組成

ceRNA假說由Salmena等[1]于2011年在Cell雜志上首次提出。該假說認為，信使RNA(messenger RNA，mRNA)、長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA，lncRNA)、環狀RNA(circular RNA，circRNA)、假基因(pseudogene)等各類RNA分子能通過相同的微小RNA應答元件(microRNA respons elements，MREs)競爭性結合或共享microRNA(miRNA)來調控靶基因，從而解除或減少miRNA對靶基因的作用，進一步對人類發育和相關疾病產生影響[2]。ceRNA假說中，miRNA是核心RNA分子，作為ceRNA分子研究較多的是lncRNA和circRNA。

miRNA是一種小的非編碼RNA分子，能夠靶向大量mRNAs，被認為可以調控30%左右的人類基因，在神經發育和功能方面起重要作用，是AD、PD、HD等神經變性疾病的必需調節因子[3]。lncRNA是一類具有低蛋白質編碼潛力的轉錄物，長度大于200個核苷酸，主要參與表觀遺傳、基因轉錄及轉錄后的基因表達調控，也參與神經退行性疾病的發生與發展[4]。circRNA是由特定外顯子循環產生的進化上保守的非編碼RNA，在神經組織中富集，并在突觸可塑性和神經元功能中起著重要作用[5]。假基因是基因家族在進化過程中形成的無功能殘留物，與正常基因相似，但喪失正常功能的DNA序列。Costa等[6]提出，假基因約80%的miRNA結合位點與其親本基因共享，可能成為新的ceRNA參與神經退行性疾病過程。

總之，lncRNA、circRNA、假基因在神經退行性疾病中都有著重要作用，并可能通過競爭性結合miRNA形成復雜的ceRNA調控網絡并參與神經退行性疾病的發生發展機制，相比傳統的miRNA-RNA調控模式來說，ceRNAs的調控更為精細及復雜化。ceRNA假說的提出揭示了一種全新的基因表達調控模式，為神經退行性疾病的早期診斷和治療監測提供了新的線索及研究方向。

2 ceRNA與神經退行性疾病

ceRNA在許多疾病中都存在差異性表達，包括心血管疾病、消化系統腫瘤、呼吸系統腫瘤[7-9]等。lncRNA、circRNA、假基因也通過ceRNA機制參與了神經退行性疾病的發生和發展過程。

2.1 ceRNA與AD

AD是一種能導致嚴重殘疾和死亡的慢性疾病，是最常見的神經退行性疾病，臨床上以進行性認知功能障礙為特征，其典型病理特征是細胞外淀粉樣β蛋白(amyloidβ-protein，Aβ)沉積形成的老年斑及細胞內過度磷酸化的Tau蛋白形成的神經元纖維纏結。

Aβ來源于Aβ淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)，而APP產生Aβ的限速步驟由β位點的APP裂解酶1(betasite app cleaving enzyme 1，BACE 1)介導，BACE 1失調可導致過量Aβ沉積。Wang等[10]在晚發型AD患者的顳葉皮質中發現miR-107減少，該miRNA與BACE 1的3′UTR之間存在功能上的相互作用。核富集轉錄體1(nuclear paraspeckle assembly transcript 1，NEAT 1)是一種在哺乳動物細胞中發現的lncRNA，在Aβ處理的神經母細胞瘤細胞SH-SY5Y和SK-N-SH細胞中表達增強，并通過海綿miR-107加重Aβ誘導的神經元損傷[11]。NEAT 1在AD小鼠模型中也明顯上調，抑制NEAT 1或過表達NEAT 1能上調或下調miR-124的表達，從而影響BACE 1的表達[12]。

細胞周期蛋白依賴性激酶5激活因子1(cyclin-dependent kinase 5 regulatory subunit 1，CDK5R1)參與腦發育和腦功能，并與AD的發生發展密切相關。Spreafico等[13]研究了3個潛在的調控CDK5R1表達水平的lncRNAs：NEAT 1、Hox轉錄反義RNA和轉移相關肺腺癌轉錄本1，發現3個lncRNAs都能正向調節miR15/107家族，而miR-15/107家族可反向調節CDK5R1的表達以修飾mRNA的穩定性。

神經血管功能紊亂已成為多種血管和神經系統疾病的發病機制，lncRNA心肌梗死相關轉錄本(myocardial infarction association transcript，MIAT)作為血管功能障礙的調節因子，可通過miR-150-5p/血管內皮生長因子軸調節神經和血管細胞功能，而MIAT基因敲除可導致腦微血管變性、進行性神經元丟失和神經變性等，MIAT可能是治療神經血管相關疾病包括AD的藥理靶點[14]。抑制轉化生長因子β激活的長鏈非編碼RNA可通過調節miR-200/鋅指基因217軸預防Aβ誘導的大鼠腎上腺髓質嗜鉻瘤細胞神經毒性[15]。

AD與circRNA相關的ceRNA調控網絡之間也有潛在聯系。Zhang等[16]在快速老化小鼠模型中獲得235個明顯調控異常的circRNA轉錄本、30個明顯調控異常的miRNAs和1 202個顯著失調的mRNAs，并構建了較全面的circRNA相關ceRNA網絡，該模型中的ceRNA網絡主要參與Aβ清除和髓鞘功能調節。Sekar等[17]利用AD和健康受試者后扣帶回上的整個轉錄組測序檢測星形細胞的circRNA，其中circRNA小腦變性相關蛋白1反義轉錄物具有74個不同miRNAs結合位點和63個miR-7結合位點，最終建立了包括4個circRNA、11個miRNAs和49個基因的circRNA-miRNA-mRNA調控網絡。

miRNAs通過與靶轉錄體上的MREs相互作用來協調大腦功能，攜帶MREs的非編碼假基因轉錄本(PSG+MRE)在人顳葉神經元表現出同源性、進化守恒性和較高表達，與靶向miRNAs能夠雙向協同調控，而PSG+MRE在大腦發育和認知中具有功能作用，支持PSG+MRE在人腦神經元中對生理的影響[18]。因此，PSG+MRE可能作為ceRNA參與包括AD在內的神經系統疾病的發生發展機制。

2.2 ceRNA與PD

PD也稱為震顫麻痹，是繼AD后的第二常見神經退行性疾病，也是中老年人最常見的錐體外系疾病。該病以黑質多巴胺能神經元變性丟失及胞質內嗜酸性包涵體即路易小體(Lewy body，LBs)形成為主要特征，臨床表現主要為靜止性震顫、動作遲緩及減少、肌張力增高、姿勢不穩等。

α-突觸核蛋白(α-synuclein，SNCA)與PD的發病機制和相關功能障礙密切相關，其異常聚集能導致黑質多巴胺能神經元的變性丟失及胞質內LBs的形成[19]。SNCA是SNCA基因編碼的產物，而SNCA基因是第1個被發現的與PD相關的突變基因[20]。circSNCA和SNCA是同源基因，二者具有相同的miR-7靶位點并存在內源性競爭。Sang等[21]發現circSNCA在PD中作為ceRNA與miR-7結合并上調其靶基因SNCA，減少促凋亡基因的表達，而抗凋亡蛋白B淋巴細胞瘤-2基因和自噬相關蛋白微管相關蛋白1輕鏈3B-II的表達隨著circSNCA的下調而增加，即circSNCA作為miR-7抑制劑促進了PD的病理過程。

鋅鐵調控蛋白ZIP-2(ZRT，IRT-like protein-2)基因合成的circZIP-2，是Kumar等[22]在轉基因線蟲PD模型中鑒定的一種新circRNA分子。ZIP-2沉默導致PD模型中circZIP-2的表達降低。此外，Kumar等還利用生物信息學方法鑒定了11個與circZIP-2相互作用的miRNA，其中miR-60-3p是主要的miRNA，并具有經過驗證的mRNA靶點。在Chi等[23]用22個健康對照血液樣本和50個PD血液樣本構建的ceRNA調控網絡中，胰島素樣生長因子-1受體是miR-133b和lncRNA X染色體失活特異轉錄物的靶點。

編碼溶酶體葡萄糖苷酶的葡萄糖腦苷脂酶(glucocerebrosidase，GBA)基因突變是PD的主要易感因素，GBA與其假基因GBAP 1的高度同源性使假基因成為一種有希望的ceRNA，發揮miRNA海綿作用。研究發現，miR-22-3p能夠結合并下調GBA和GBAP 1，并將其內源性mRNA的水平降低到70%，GBAP 1 3′-非翻譯區過表達可隔離miR-22-3p，從而提高GBA mRNA和GBA的表達水平，提示GBAP 1作為ceRNA發揮作用[24]。

2.3 ceRNA與其他神經退行性疾病

除常見的AD和PD外，HD和ALS也屬于神經退行性疾病，非編碼RNA在HD和ALS的疾病過程中也有著重要作用。在HD中，亨廷頓(Huntingtin，Htt)蛋白在細胞中積累而影響神經細胞的功能。lncRNA Htt反義轉錄本在HD患者額葉皮質低水平表達，能導致Htt mRNA的高水平表達，進而促進HD的發生[25]。Chanda等[26]發現HD細胞和動物模型中的lncRNAs母系表達基因3和NEAT1水平均發生了改變。Muraoka等[27]的研究結果提示，lncRNA CR18854和人類肉瘤融合蛋白(fused in sarcoma，FUS)的果蠅同源體Cabeza之間存在遺傳相互作用，而FUS是ALS的致病基因之一。總之，lncRNAs參與了HD和ALS的發病機制，但作為ceRNA參與這兩種疾病的機制還有待進一步研究。

3 總結與展望

ceRNAs假說的提出，不僅打破了傳統的基因調控模式，同時也揭示了lncRNA、circRNA和假基因等非編碼RNA在人類疾病中的功能機制，為研究許多人類疾病發生發展的分子機制提供了新的思路。而神經退行性疾病的發病機制一直是人類研究和關注的焦點，雖然非編碼RNA在神經退行性疾病中的機制研究取得了一定進展，但關于非編碼RNA作為ceRNA參與神經退行性疾病的發生及發展探索還處于初步階段，需要科研工作者進行深入的分子機制研究，進一步了解神經退行性疾病中ceRNA調控網絡的作用機制，為神經退行性疾病的靶向治療提供更多的理論依據。