lncRNA在帕金森病發病機制中的研究進展

劉 成 綜述 李 巖 審校

帕金森病(Parkinson′s disease, PD)是僅次于阿爾茲海默癥的第二大神經退行性疾病,其臨床表現主要有靜止性震顫、肌強直、姿勢不穩以及運動遲緩等。據報道[1],全球每年都有新增的PD患者,且隨著人口老齡化,病例呈逐年上升的趨勢。PD分為偶發性和遺傳性兩類[2]。約10%的PD遺傳病例由α-突觸核蛋白(α-synuclein, α-syn)、parkin RBR E3泛素連接酶(parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase, Parkin)、PTEN誘導的推定激酶1(PTEN-induced kinase 1, PINK1)、蛋白質去糖蛋白酶DJ-1和富亮氨酸的重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2, LRRK2)等基因突變引起;而某些環境因素破壞線粒體功能可能會導致偶發性PD,如殺蟲劑和重金屬。目前針對PD患者的治療只能改善其癥狀,而不能阻止疾病的進展。因此,進一步了解PD的發病機制,探尋潛在的早期診斷標志物和有效治療靶點十分重要。

長鏈非編碼RNA(long noncoding RNA, lncRNA)是長度超過200個核苷酸的RNA轉錄本,不具備編碼蛋白質的能力,但可通過與DNA、RNAs和蛋白質的相互作用調控轉錄、表觀遺傳修飾、蛋白質/RNA穩定性以及翻譯和翻譯后修飾。如,lncRNA可通過調控微小RNA(miRNA)的表達來影響其靶基因的表達量,還可直接參與到mRNA轉錄后調控過程中。研究[3]表明lncRNA大量存在于神經細胞中,參與了對神經退行性疾病,如PD的調控,且從多個方面影響了PD的發生和發展。

1 細胞自噬

自噬是一種細胞降解與再循環的過程,主要包含巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬(chaperone-mediated autophagy, CMA)三種類型。自噬的發生受一系列關鍵蛋白分子和部分信號通路的調控,這些蛋白和通路的異常變化會導致自噬功能異常,α-syn的病理性堆積通常被認為和自噬功能異常相關。

CMA是一種選擇性自噬過程,CMA激活可抑制α-syn寡聚體積累,但突變型LRRK2卻能干擾CMA降解α-syn,同時,有超過100個LRRK2突變基因已被證明與PD的發展有關[4]。在1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenylpyridinium, MPP+)誘導的PD細胞模型中,敲低lncRNA XIST后,可改善細胞的存活狀態,同時細胞內的LRRK2表達降低,α-syn表達減少[5]。此外,lncRNA HOTAIR也可以正向調控LRRK2的表達,HOTAIR敲低對MPP+處理的人神經母細胞瘤細胞(SH-SY5Y)有保護作用[6]。

自噬的啟動與腺苷酸激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)和雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)相關。在自噬小泡的起始部分, mTOR激活后,可促進 unc-51樣自噬激活激酶1(unc-51-like autophagy activated kinase 1, ULK1)的結合伴侶自噬相關基因13(autophagy-related genes13, ATG13)的磷酸化,從而阻止ULK1復合體的形成,進一步抑制自噬小泡的出現。在PD細胞模型中,Liu et al[7]發現,lncRNA AC136007.2通過失活AMPK/mTOR信號抑制SH-SY5Y細胞中的自噬,促進其存活,但在使用AMPK激活劑后觀察到細胞存活率下降,這可能與AMPK促進ULK1復合體的形成有關。而lncRNA小核糖體RNA管家基因1(small nucleolar RNA host gene 1, SNHG1)不僅能夠激活細胞中的Akt/mTOR信號通路,還能促進Bcl-xl的表達,同時過表達 SNHG1可降低MPP+處理的SH-SY5Y細胞活力[8]。此外, HAGLR反鏈lncRNA(HAGLR opposite strand lncRNA, HAGLROS)在1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine, MPTP)誘導的PD小鼠模型和MPP+處理的SH-SY5Y細胞中上調,并通過調節miR-100/ATG10軸和激活PI3K/Akt/mTOR 通路抑制細胞自噬來促進PD的發展[9]。相似地,在MPP+誘導的多巴胺能神經元損傷中,lncRNA SNHG14的上調使ATG10表達增加,細胞自噬受到抑制,這可能與被激活的ATG阻止了UKL1復合體形成有關[10]。

2 細胞凋亡

中腦黑質多巴胺(dopamine, DA)能神經元的逐漸喪失,導致紋狀體DA的缺乏,隨后PD患者出現運動功能障礙。Fan et al[11]研究發現,PD患者循環白細胞中四種lncRNA(AC131056.3-001、HOTAIRM1、lnc-MOK-6:1和RF01976.1-201)上調,其中HOAIRM1和AC131056.3-001可促進DA神經元的凋亡。另外,Zhang et al[12]發現,PD患者血清中的lncRNA miR-17-92a-1簇宿主基因(MIR17HG)上調,而miR-153-3p下調,通過抑制MIR17HG后上調miR-153-3p的表達,能夠改善中樞神經元凋亡。

髓樣細胞白血病-1(myeloid cell leukemia 1, MCL-1)是調節細胞凋亡Bcl-2家族蛋白的抗凋成員之一。據報道[13],lncRNA PART1能增強 MCL1的表達,減輕MPP+對SH-SY5Y細胞的損傷。凋亡的激活與線粒體外膜通透性(mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)的變化有關。MOMP增加,細胞色素C(cytochrome C, cyt-C)從線粒體膜間隙釋放到胞質中,并與凋亡蛋白酶激活因子1相互作用,后者結合dATP并形成功能性凋亡小體。凋亡小體隨后激活胱天蛋白酶9(caspase-9)和胱天蛋白酶3(caspase-3)誘導的線粒體依賴凋亡。Zhang et al[14]研究發現,過表達SH-SY5Y細胞中的lncRNA LINC01347,能夠抑制caspase-3的表達,減輕利多卡因誘導的細胞凋亡。與Lu et al[15]研究結果一致。而另外一項研究[16]表明上調lncRNA SNHG1的表達后,MPP+誘導的PD細胞模型中的caspase-3表達上調、cyt-C釋放增多,同時促進細胞的凋亡。

3 線粒體功能障礙

線粒體功能障礙與PD的發生相關。研究[17]表明PINK1-Parkin通路能夠選擇性地識別并從細胞中去除功能失調的線粒體,PINK1將Parkin募集到線粒體外膜后,Parkin通過其線粒體外膜蛋白的泛素化促進受損線粒體的選擇性降解。據報道[18],PD患者的黑質和小腦中的α-syn mRNA水平增加,而LRRK2和PINK1的mRNA水平降低,表明PINK1和Parkin與PD的發生相關。另外,在DA能神經元細胞中表達突變的PINK1和Parkin后,細胞表現出了異常的α-syn積累和線粒體缺陷[19]。而上調lncRNA NEAT1后可以通過正向穩定PINK1蛋白來促進MPP+誘導的SH-SY5Y細胞線粒體的自噬,減少功能障礙線粒體的積累[20]。另外,SH-5Y5Y細胞過表達lncRNA OIP5-AS1后,過表達miR-137或下調NIX可抑制線粒體自噬和ROS水平并加重線粒體空泡化,能夠部分逆轉OIP5-AS1過表達對線粒體自噬的促進作用[21]。

4 氧化應激

氧化應激水平升高是PD早期的一個顯著特征,細胞氧化還原調節失衡后,ROS的積累會介導神經元的損傷。據報道[22],錳(manganese,Mn)的暴露量增加可導致神經退行性疾病的發生,通常認為是Mn誘導的氧化應激反應起關鍵作用。Ding et al[23]的研究表明,Mn暴露會誘導MN9D細胞凋亡和ROS表達增加。而在Mn暴露的N2a細胞中,敲低lncRNA Sh2d3c可減少ROS的產生,增加細胞活力,從而抑制細胞凋亡[24]。

核因子E2相關因子2(nuclear factor E2-related factor 2, Nrf2)是一種協調氧化應激反應的細胞轉錄因子,與抗氧化應答元件結合發揮作用。Nrf2通路已被證明在PD患者中受到影響,在PD細胞模型中激活Nrf2/HO-1信號通路后,可減輕細胞的氧化應激反應。此外,lncRNA可能通過與Nrf2相互作用的分子機制參與了百草枯和MPTP誘導的神經退行性疾病的發生[25-26]。在MPTP誘導的PD小鼠模型中,lncRNA MALAT1通過將zeste同系物2的增強子招募到Nrf2的啟動子,抑制Nrf2的表達,從而促進神經炎癥[27]。lncRNA MIAT在PD小鼠和細胞中大量表達,敲低 MIAT后,Nrf2的表達增加,抑制了神經元的凋亡和氧化應激[28]。

5 神經炎癥

小膠質細胞誘導的神經炎癥在PD的發病過程中扮演著重要角色。小膠質細胞被激活后,其分泌的炎癥因子會對DA能神經元造成損傷。一項PD人群研究[29]表明,lncRNA TUG1在PD患者血清中高表達,且血清中的 TUG1與TNF-α、IL-6、IL-1β水平呈正相關;細胞實驗表明,TUG1的下調顯著抑制細胞增殖和 TNF-α、IL-6、IL-1β的釋放,這說明TUG1的下調可能抑制PD進展過程中的炎癥反應。與健康對照相比,PD患者血清中的lncRNA MALAT1的水平明顯升高,同時血清中的IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-γ炎癥因子水平也增高;在脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)誘導的PD細胞模型中,敲低MALAT1后可降低炎癥因子的分泌,減輕細胞的炎癥損傷[30]。在PD小鼠模型中,沉默lncRNA DLX6-AS1可改善小鼠神經功能和減輕小膠質細胞炎癥[31]。此外,lincRNA-p21能競爭性地與miR-181家族結合并通過 miR-181/PKC-δ途徑誘導小膠質細胞活化,促進炎癥反應的發生[32]。上述研究表明,抑制小膠質細胞的激活和減少炎癥因子的表達對改善神經炎癥、減輕神經元細胞損傷具有積極作用。

Nod 樣受體蛋白 3(nod-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體是一種炎癥復合物,能誘導IL-1β成熟,介導炎癥反應。而NLRP3介導的神經炎癥與PD的演變密切相關。α-syn能激活NLRP3炎癥小體,Zhang et al[33]研究發現,lncRNA MIR17HG 通過靶向miR-153-3p和上調α-syn可以誘導PD中小膠質細胞炎癥。lncRNA GAS5在PD小鼠模型和LPS激活的小膠質細胞中表達上調,上調的GAS5通過競爭性海綿化miR-223-3p正向調節NLRP3的表達,促進小膠質細胞的炎癥反應[34]。相反,沉默lncRNA HOTAIR后則可抑制NLRP3介導的細胞焦亡來顯著抑制神經元損傷[35]。此外,在MPTP誘導的PD小鼠模型中lncRNA SNHG1表達增加,下調SNHG1后miR-7的表達升高,抑制了小鼠中腦黑質緊湊區中小膠質細胞和NLRP3炎癥小體的活化以及DA能神經元的丟失[36]。

6 鐵死亡

鐵死亡是一種由鐵依賴的脂質過氧化誘導的調節性細胞死亡方式。神經細胞鐵死亡可能是引起神經退行性疾病的重要途徑,降低鐵積累可抑制脂質過氧化引起的細胞損傷。在PD細胞模型中觀察到lncRNA NEAT1上調,敲低NEAT1后,可降低Fe2+水平,提高細胞活力,同時NEAT1作為分子海綿發揮作用,抑制miR-150-5p的表達,而miR-150-5p過表達抑制了PD細胞模型中的鐵死亡[37]。

7 表觀遺傳調控

表觀遺傳學證據[38]表明,認知障礙、神經元突觸功能和線粒體凋亡相關的基因甲基化異常與PD的認知功能下降和運動功能進展相關。Coupland et al[39]研究發現,在PD中,啟動子區域的DNA甲基化異常會導致Tau蛋白(microtubule-associated protein tau, MAPT) 基因表達失調。而在敲低lncRNA MAPT-AS1后可增加內源性MAPT啟動子的甲基化以及MAPT同種型轉錄物的表達,這表明lncRNA可作為MAPT表達的潛在調控因子。

8 外泌體

外泌體允許細胞交換蛋白質、脂質和遺傳物質,其攜帶的lncRNA在相鄰細胞和遠處細胞之間的細胞間通訊中發揮作用。研究[40]表明,PD患者和健康個體的血清或腦脊液中外泌體lncRNA有差異,而這些lncRNA在PD的進展和康復中起關鍵作用。另外,Wang et al[41]也發現,與健康對照組相比,PD組的外泌體lncRNA有15個上調和24個下調,而其中的lnc-MKRN2-42:1可能參與了PD的發生和發展。

9 總結與展望

lncRNA通過調控細胞自噬、細胞凋亡、線粒體功能障礙、氧化應激、神經炎癥、鐵死亡、表觀遺傳以及外泌體,從而影響PD的發生發展。這提示lncRNA有望作為疾病早期診斷的生物標志物或藥物治療的潛在靶點。鑒于PD的發病機制十分復雜,且不同的病理過程受到不同lncRNA的調控,其中發揮關鍵作用的lncRNA仍有待進一步的研究。此外,隨著RNA測序技術的發展,許多與PD有關的新的lncRNA被發現,其分子功能和作用機制或可作為新的研究方向。