lncRNA與miRNA相互作用對中樞神經系統發育的影響

趙培源 陳少昀 劉喜紅

河南中醫藥大學1醫學院，2第二臨床醫學院（鄭州 450046）

人類中樞神經系統（central nervous system，CNS）是高度進化的生物系統，由神經元和膠質細胞亞型組成，它們負責調節CNS 的復雜功能。人類基因組中非編碼基因占比高達98%，機體復雜性狀的差異可能即源于非編碼轉錄產物的不同［1］。非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）包括微小RNA（microRNA，miRNA）、長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和核仁小分子RNA等。miRNA 是20-23 nt 構成的單鏈RNA，通過與靶mRNA 結合來降解或抑制其翻譯；lncRNA 是長度至少200 nt 的非蛋白編碼轉錄本，它與mRNA 穩定性、競爭性內源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）和翻譯活性有關［2］。特異性lncRNA 和miRNA 的動態和時空表達參與了神經干細胞的增殖分化，神經突起生長，突觸穩定性調節和髓鞘形成等［3］，本文就lncRNA 與miRNA 的相互調控作用對CNS 發育的影響進行介紹。

1 lncRNA 與miRNA 的相互調節作用

1.1 lncRNA 調控miRNA

1.1.1 lncRNA 作為miRNA 的來源50%的miRNA 由非編碼轉錄本產生，lncRNA 基因內含子或外顯子中含有嵌入的miRNA 序列，可作為miRNA 前體，通過細胞內RNA 剪接產生特定miRNA，并增強對靶mRNA 的轉錄后調控。如miR-15a 位于宿主基因lncRNA DLEU2 的內含子中，過表達DLEU2能以miR-15a 依賴方式阻止腫瘤細胞增殖［4］。lncRNA MIR155HG 外顯子中含有miR-155 基因，它能通過增強miR-155 的轉錄活性，促進喉癌細胞的增殖、遷移［5］。

1.1.2 lncRNA作為miRNA的“海綿”分子lncRNA可作為miRNA 的負調節因子，通過miRNA 應答元件競爭性結合靶miRNA，抑制miRNA 靶基因降解，調節其表達，此即ceRNA 機制，這種競爭性結合miRNA 的作用為miRNA 海綿作用。如lncRNA SNHG1 能夠靶向miR-7，作為ceRNA 調節NLRP3，促進小鼠腦神經元損傷［6］；lncRNA HOTAIR 通過ceRNA 機制結合miR-126-5p，調控RAB3IP 抑制神經元自噬并促進神經元死亡［7］。

1.1.3 lncRNA 與miRNA 競爭性結合miRNAlncRNA 可以競爭性地與miRNA 靶基因的3'UTR結合，來抑制miRNA 對靶基因的負向調控。如miR-485-5p 和lncRNA BACE1-AS 在β-分泌酶-1（β-secretase-1，BACE1）轉錄本的外顯子擁有共同結合位點，BACE1-AS 通過掩蓋BACE1 中的共同結合位點阻止miR-485-5p 降解BACE1，增強BACE1的穩定性來實現其調控作用［8］。

1.2 miRNA 調控lncRNA

1.2.1 miRNA降低lncRNA的穩定性及表達lncRNA有著類似于mRNA 的轉錄過程，因此miRNA 能以類似調節mRNA 的方式，通過堿基互補配對結合靶lncRNA 的3'UTR，調控其結構和功能的穩定性［1］。miR-21 可以調控靶基因PTEN 和TPMl 的表達，lncRNA GAS5 與miR-21 競爭性結合能延長PTEN 和TPMl 的半衰期，而兩者結合后，miR-21 又能減弱lncRNA GAS5 的穩定性，加速lncRNA GAS5降解。miRNA 可引起lncRNA 衰變，如miR-217 能通過Ago2 蛋白抑制lncRNA MALAT1，引起其衰變［9］。

1.2.2 miRNA增強lncRNA表達胞質中的miRNA可以重新回到細胞核并調節lncRNA 的轉錄［10］。miR-140 可以促進脂肪的生成，敲除該基因后lncRNA NEAT1 水平下調，同時脂肪干細胞成脂能力降低，研究表明miR-140 可以進入細胞核，通過特異性結合lncRNA NEAT1，促進NEAT1 表達，提高其核穩定性，調節脂肪生成［11］。

2 lncRNA 與miRNA 相互作用對CNS 發育的影響

CNS 發育過程中，lncRNA 與miRNA 的相互調節作用對大腦的發育和認知能力至關重要，它們不僅參與神經干細胞的增殖、分化與凋亡，還調節神經突起生長、突觸穩定性和髓鞘形成等多個過程（表1）。

表1 lncRNA-miRNA 相互調控在CNS 發育中的作用Tab.1 The Roles of LncRNA-miRNA Interaction on the Development of the CNS

2.1 調節神經干/祖細胞的增殖、分化與凋亡胚胎干細胞（embryonic stem cells，ESCs）是神經細胞分化發育的起源，miR-145 可以靶向核心轉錄因子Oct4、Sox2 抑制ESCs 分化，而linc-RoR 能以ceRNA方式競爭性結合miR-145，調節ESCs 的分化［12］。

miRNA 和lncRNA 可以維持神經祖細胞池。研究發現，LncND 能作為miR-143-3p 的海綿分子，miR-143-3p 可以靶向Notch-1 和Notch-2，神經母細胞瘤細胞敲除LncND 可以下調Notch-1 和Notch-2水平，促進細胞分化為神經元，這與Notch 在神經元分化中的功能一致。此外，LncND 在人皮質放射狀膠質細胞中高表達，并通過Notch 信號通路在大腦皮層擴張過程中起到維持神經祖細胞池的作用［13］。

LncRNA Gm21284 可作為ceRNA 結合miR-30e-3p，抑制海馬神經干細胞的增殖，并促進其向膽堿能神經元分化［14］。Sox6 是關鍵的神經分化基因，miR-96 和miR-467a-3p 都可以靶向Sox6 3'UTR，lncRNA Rik-201 和Rik-203 則以ceRNA 作用分別吸附miR-96 和miR-467a-3p，抑制其與Sox6 的結合，進一步調節神經分化［15］。Rik-203 還可以與miR-101a-3p 相互作用，以ceRNA 機制調控下游靶標GSK-3β 從而促進神經分化［16］。LncRNA 1604在神經分化過程中高度表達，它是miR-200c 的ceRNA，通過調控核心轉錄因子ZEB1 和ZEB2 促進神經分化［17］。

一些ncRNA 在膠質細胞成熟中發揮重要作用，如沉默lncRNA UCA1 能抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化并促進其向神經元分化，研究表明UCA1 以ceRNA 機制通過miR-1/Hes1 軸調控神經干細胞的增殖分化［18］；miR-128-3p 在腦內過表達能抑制神經元分化并增強膠質細胞分化，lncRNA MEG3 作為miR-128-3p 的負向調節因子通過CREB 通路促進神經元分化［19］。

miRNA 和lncRNA 還可以調節神經祖細胞的凋亡。研究發現，miR-9 可以與促凋亡基因Bcl2l11結合，抑制神經細胞凋亡，而lncRNA TUG1 通過ceRNA 方式與miR-9 結合，促進Bcl2l11 表達，加速神經祖細胞凋亡［20］。

綜上所述，通過精準調控ncRNA 調控網絡，靶向下游基因和通路，可以調控神經祖細胞活性，誘導神經元分化，未來可能在神經元損傷相關疾病中作為潛在治療靶點。

2.2 調節神經突起生長神經突起的生長參與神經系統發育過程中神經網絡的建立。Spastin 是一種調節神經突起生長的蛋白，Spastin 表達水平受到lncRNA MALAT1/miR-30 軸調控，過表達miR-30，Spastin 表達和促神經突起生長作用被抑制；而過表達MALAT1 能夠逆轉該抑制，MALAT1 能吸附miR-30 調節Spastin 表達，影響神經突起生長［21］。因此，對MALAT1/miR-30/Spastin 軸的深入研究可能為治療遺傳性痙攣性截癱和其他神經元功能障礙性疾病開辟潛在的新途徑。

2.3 調節突觸穩定性神經系統發育過程中，形成穩定的突觸很重要，小腦肽1（cerebellin-1，Cbln1）是形成和維持突觸的重要分子。lncRNA Synage 在小腦中富集，其基因座與Cbln1 基因座相鄰，miR-325-3p 能同時結合Cbln1 和Synage，過表達miR-325-3p 能降低Cbln1 和Synage 的水平，證實Synage作為miR-325-3p 的海綿分子調節Cbln1 的表達從而調節小腦突觸穩定性［22］。因此，調節Synage/miR-325-3p 信號軸可以影響突觸功能和穩定性，進而影響神經元的生長，針對該信號軸的治療策略將對緩解小腦神經發育障礙具有重要意義。

2.4 調節髓鞘的形成少突膠質細胞（oligodendrocyte，OL）形成髓鞘并確保CNS 神經電信號的快速傳導。一項測序鑒定了在少突膠質前體細胞（oligodendrocyte progenitor cell，OPC）分化期間高表達的lncRNA（lncOL 1-4），敲低任何一種lncRNA 均能導致髓鞘相關蛋白表達降低［23］。此外，miR-219在促進OL 分化中有重要作用，而miR-219-2 基因位于lncOL4 的內含子中，lncOL4 的敲低導致miR-219 下調［24］，這表明lncOL4 通過調節miR-219 控制OL 分化，調控髓鞘形成。lncRNA Gm7237 位于OPC 胞質中，過表達Gm7237 能增強髓鞘堿性蛋白的水平，它通過ceRNA 機制與miR-142a 結合，調節髓鞘基因調控因子（myelin gene regulatory factor，MRF）進而促進CNS 髓鞘形成［25］。

OL中miRNA水平存在差異，miR-23a是OL中的小RNA 之一，miR-23a 能增強OL 分化，過表達miR-23a可以消除核纖層蛋白B1對OL的不良影響。miR-23a 的靶標包括lncRNA 2700046g09Rik 和PTEN，miR-23a能上調2700046g09Rik的轉錄并抑制PTEN表達，而2700046g09Rik反過來可以延長miR-23a的半衰期。這提示了miR-23a 可能與2700046g09Rik協同作用，通過介導PTEN/PI3K/AKT/mTOR 信號轉導級聯來調節CNS的髓鞘形成［26］。

綜上所述，lncRNA-miRNA 調控網絡在OL 分化和髓鞘形成中有著獨特的表達模式，突出了ncRNA 在神經退行性疾病如多發性硬化和阿爾茨海默病中作為促進髓鞘再生分子療法的治療潛力，尤其是干預OL 中特異性表達的ncRNA 對其他細胞類型影響較小，未來將降低該療法可能引起的副作用。

3 展望

lncRNA/miRNA 在CNS 中相互作用的深入研究有助于完善對復雜神經網絡的認識。目前ceRNA 仍是lncRNA-miRNA 相互作用在CNS 發育中的主要調控機制，未來可以通過空間轉錄組測序和單細胞測序等新方法獲取對于ncRNA 時空差異性表達的信息。然而目前在海量測序數據中識別lncRNA-miRNA 相互作用仍較困難，最近研究提出lncRNA 和miRNA 關聯預測的計算模型，并通過機器學習技術來提高預測的準確性和穩健性［27］，但仍需更多的基礎研究明確ncRNA 的確切機制；另外，將反義寡核苷酸和siRNA 有效遞送到大腦以調控ncRNA 的水平將是未來RNA 靶向治療的重要研究方向。揭示lncRNA 與miRNA相互作用并開發相應的口服腦滲透劑靶向藥物將對CNS 發育異常及退行性疾病的治療產生深遠的影響。