長鏈非編碼核糖核酸在神經系統疾病中的研究進展

羅 濤

近幾年，在生命科學領域，非編碼核糖核酸(RNA)的調控方式和機制得到廣泛研究。長鏈非編碼核糖核酸(long non-coding RNA, lncRNA)作為其中一員，參與了多種重要的病理生理調控過程，這些調控作用已逐步引起學者們的關注。lncRNA是一類可能具有初期或迭接轉錄本功能的RNA，其在中樞神經系統和外周神經系統中均有表達；一系列研究結果表明，其在神經系統疾病中發揮重要作用。本綜述旨在介紹lncRNA在神經系統疾病方面的研究進展。

1 lncRNA的概述

弗朗西斯·克里克于1958年提出“中心法則”并指出，遺傳信息由脫氧核糖核酸(DNA)轉錄成為RNA再翻譯成為蛋白質，從而發揮生物學功能。這一觀念的普及極大地促進了生命科學的發展。lncRNA是近期發現的不同于小分子RNA和結構基因(編碼蛋白質或RNA的基因)，可能具有初期或迭接轉錄本功能的一類RNA[1]。lncRNA主要基于表觀遺傳、轉錄水平、轉錄后水平等層面實現對基因表達的調控，從而在多種生物學過程中發揮重要作用， 與疾病的發生密切相關[2]。研究[3]發現，一般情況下，lncRNA表達水平低于編碼蛋白質基因水平，而在特殊組織中某些lncRNA優先表達。按照其相對于編碼基因的位置，lncRNA可以分為正義lncRNA、反義lncRNA、雙向lncRNA、內含子內lncRNA和基因間lncRNA 5類[1]。lncRNA有5個來源[4]：編碼蛋白的基因因結構中斷而轉變為lncRNA；兩個未轉錄的基因與另一個獨立的基因并列而產生含多個外顯子的lncRNA；由非編碼基因復制過程中的反移位產生的lncRNA；由局部的串聯復制子產生鄰近的lncRNA；基因中插入1個轉座子成分而產生功能的lncRNA。

2 lncRNA在神經系統中的功能

在中樞神經系統研究中，lncRNA參與了神經元分化、腦發育、突觸可塑性，以及神經退行性疾病和腫瘤的發生、發展；其在中樞神經系統和外周神經系統中均有表達。lncRNA有特定的定位，其表達具有組織特異性[5]和時空特異性[6]。研究[7-9]發現，lncRNA在處于發育過程中和成熟的神經系統組織或細胞中均有表達，例如腦組織、視網膜、神經元亞型等。lncRNA在小鼠神經系統發育的過程中有不同程度的表達，參與小鼠腹側前腦源性神經干細胞種系的形成、γ-氨基丁酸(GABA)能神經元和少突膠質細胞種系的發育、神經元向膠質細胞的轉變、少突膠質細胞種系的成熟和成熟髓鞘終末分化等過程[9]。功能學分析發現，神經系統表達的lncRNA主要參與調節神經細胞的發展、突觸的可塑性，使動物的行為活動發生改變，或調節視網膜發育等[10-15]。

3 lncRNA與神經系統疾病

3.1 lncRNA與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD) AD患者發病時淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)在腦內異常代謝導致β淀粉樣蛋白(β-amyloid peptide，Aβ)沉積。這一過程受β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site APP cleaving enzyme 1, BACE1)調控，該酶在AD患者腦內的活性高于正常人。BACE1-AS作為BACE1 mRNA反義鏈能夠在細胞受到各種外界壓力刺激下，與BACE1 mRNA形成RNA復合體來防止BACE1 mRNA受到核酸酶的降解，增強BACE1 mRNA的穩定性，導致更多的Aβ沉積，正反饋促進BACE1-AS的表達, 加速AD發展。BACE1-AS是AD的潛在治療靶點[16]。另外一種lncRNA BC200的表達量與AD患者病情嚴重程度呈正相關，表明lncRNA BC200的變異表達和非正常定位導致了AD的發生和病程進展[17]。

3.2 lncRNA與帕金森病(Parkinson disease，PD)PD是位于AD后的第二大常見神經退行性疾病。目前全球大約有600萬PD患者。由于腦黑質紋狀體多巴胺能神經元(dopaminergie neurons，DN)逐漸喪失功能并累積到一定程度，出現運動障礙，甚至發展成癡呆，但PD準確的發病機制仍未明確[18]。采用全轉錄組RNA序列分析的方法研究PD患者白細胞，篩選出諸多與微RNA(microRNA)互補的U1剪切體lncRNA，經實時熒光定量PCR證實，在PD患者白細胞、兩個腦區、杏仁體和黑質中共表達U1剪切體lncRNA，這為研究PD和其他神經退行性疾病提供了新思路[19]。

3.3 lncRNA與亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)HD是由于CAG三核苷酸重復序列過度擴展導致非正常亨廷頓蛋白(Htt)產生，從而造成紋狀體和皮質神經細胞的進行性死亡，伴隨舞蹈癥和癡呆的一種惡性常染色體顯性神經退行性疾病[20]。其主要表現為進行性運動障礙、精神異常和智能衰退等。研究發現，HD患者和模型動物中突變的Htt基因可促進抑制元素1——沉默轉錄因子(REST)核轉位并導致其眾多靶基因表達下調。HD患者的腦組織中發現多個lncRNA表達變化，其中包括視網膜發育所必需的lncRNA TUG1和活化T細胞核因子(NFAT)1表達上調，母系表達基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)的表達下調[21]。研究[22]結果顯示，lncRNA參與了HD關鍵性致病通路的機制調節，可引起基因轉錄紊亂并最終導致神經元損傷。

3.4 lncRNA與神經系統腫瘤 神經系統腫瘤包括神經膠質瘤和腦膜瘤兩大類。神經膠質瘤簡稱膠質瘤，也稱為膠質細胞瘤，是最常見的原發性中樞神經系統腫瘤，約占所有顱內原發腫瘤的50%。腦膜瘤是起源于腦膜與腦膜間隙的衍生物，發病率高。研究[23]表明，MEG3在正常腦膜細胞中高表達，而在大多數腦膜瘤組織或細胞株中無表達，證明MEG3具有腫瘤抑制因子的作用。研究[24]結果顯示，MEG3還與神經膠質瘤增殖相關，MEG3的異位過表達抑制細胞增殖、誘導細胞凋亡，這可能與MEG3誘導p53基因的活化有關。哺乳動物轉移相關肺腺癌轉錄本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1) 經轉錄后處理產生1個短鏈轉運RNA(tRNA)樣MALAT1相關小細胞質RNA(mascRNA)和1個長鏈伴有poly(A)尾樣區域的MALAT1轉錄本。小鼠MALAT1經核糖核酸酶P作用后產生1個長鏈3’ MALAT1和短鏈5’ mascRNA MALAT1轉錄本，位于核散斑中。該lncRNA廣泛表達于正常人組織，敲除小鼠成神經瘤細胞株的MALAT1基因會影響涉及神經原軸突與樹突發育相關的基因，提示MALAT1基因與神經系統的發育相關[25]。

3.5 lncRNA與其他神經系統疾病 lncRNA還與其他多種神經精神疾病[如唐氏綜合征(DS)、脆性X綜合征(FXS)、精神分裂癥等]有關。lncRNA NRON可特異性抑制NFAT轉錄因子由細胞質穿梭至細胞核，減少細胞核中的NFAT轉錄因子表達，導致核內NFAT活性下降，以及其介導的靶基因轉錄減少，這與DS疾病的發生相關[26]。FXS及其相關的震顫和共濟失調綜合征(FXTAS)與FMR1基因的突變相關。FMR4基因本身也可影響FXS的發病。已有研究提示，小干擾RNA敲低FMR4基因可改變細胞周期調控，導致細胞凋亡增加，而FMR4過度表達則促進細胞增殖。此外，起源于FMR1基因位點的另一個lncRNA——ASFMR1，也可能與FMR1基因位點突變相關，FXS患者的ASFMR1 表達增加[26]。不安腿綜合征(restless legs syndrome，RLS)與感覺運動功能障礙有關，其臨床表現為夜間睡眠時雙下肢極度不適感，迫使患者不停地移動下肢或下地行走，導致患者產生嚴重睡眠障礙。Meis1基因變異是該疾病主要的遺傳危險因素，該基因編碼一個同源框蛋白并在發育和腫瘤形成中具有重要作用[27]。研究[28]結果顯示，Meis1基因表達受內含子lncRNA順式作用元件的調控，表達降低者易患RLS。lncRNA也參與多種藥物成癮的形成，海洛因成癮者腦伏隔核內MEG3等多種lncRNA水平升高[29]。

4 lncRNA與神經免疫性疾病

lncRNA在神經免疫性疾病的發生、發展研究中發揮重要作用。多發性硬化(multiple sclerosis，MS)是以少突膠質細胞凋亡和軸突變性的慢性炎癥性脫髓鞘為特點的神經系統疾病，泰勒鼠感染腦脊髓炎病毒(TMEV)可作為MS的動物模型[26]。在人類和小鼠的免疫細胞中由細胞因子基因簇(如γ-IFN)轉錄產生的Tmevpg1 lncRNA通過控制TMEV的持續感染，調控MS的發病[26]。重癥肌無力(myasthenia gravis，MG)是神經肌肉接頭相關疾病中最常見的自身免疫性疾病。研究[30]發現，microRNA-181對MG中淋巴細胞的分化具有調控作用，其中，lncRNA的異常表達是microRNA-181在MG患者中表達下調的原因之一；表明，lncRNA既可調控microRNA-181前體的表達，同時也作為內源競爭性RNA(ceRNA)競爭結合microRNA-181，通過改變microRNA-181表達影響免疫細胞的分化機制。lncRNA MALAT-1通過吸收MG中microRNA-338-3p，作為ceRNA調控雄性特異致死基因(MSL)2的表達。MALAT-1與基因調控和選擇性剪接有關。研究[31]發現，MALAT-1在MG中表達下調，MG患者外周血單核細胞中microRNA-338-3p水平升高，MALAT-1作為與microRNA-338-3p競爭的ceRNA，可直接誘導MG中MSL2的表達，提示其可能為MG的治療靶點。

格林-巴利綜合征(Guillain-Barré syndrome, GBS)是以周圍神經和神經根的脫髓鞘病變，以及小血管炎癥細胞浸潤為主要病理特點的自身免疫性周圍神經病，其病因與發病機制尚不明確。研究[32]發現，GBS患者的外周血單個核細胞和CD14+單核細胞中lncRNA均存在表達差異，這些異常表達的lncRNA可能作為潛在的生物標志物在GBS的診斷中起到決定性作用。視神經脊髓炎譜系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorder, NMOSD)是一種較高發的特發性炎癥性中樞神經系統脫髓鞘疾病。在發病機制研究方面，有學者探討了NMOSD的一些表觀遺傳學特征，采用微陣列分析法分析了NMOSD患者的lncRNA表達譜，發現在NMOSD患者中有1 310個lncRNA存在表達差異。共表達網絡分析[33]結果表明，183個lncRNA被包括在該網絡中。這些研究結果提示，差異表達的lncRNA可能在NMOSD的發病機制中發揮重要作用，有望成為潛在的生物學標志物。

5 總結與展望

隨著功能基因組學技術的迅速發展，非編碼RNA家族的重要成員lncRNA受到學者關注。近幾年關于基因組與轉錄組學的研究結果提示，lncRNA主要參與調節神經干細胞的發育、分化與成熟，維持神經可塑性和人類特有的認知功能。隨著生命科學的發展，研究者可以利用分子生物學、細胞生物學和模式實驗來進一步研究中樞和外周神經系統相關生理、病理過程中lncRNA的表達及其作用機制，為神經發育、神經損傷再生新理念的提出奠定基礎。