長鏈非編碼RNA H19在細胞衰老和衰老相關疾病中的研究進展*

嚴君萍 楊琪琳 曹貴媛 祝寧俠

桂林醫學院基礎醫學院,廣西桂林市 541199

衰老是對人類健康最嚴重的威脅之一,被認為是引發所有慢性疾病最重要的風險因素。作為機體衰老的標志,細胞衰老成為研究者探索衰老相關疾病機制及治療的熱點。細胞衰老是細胞內外過度應激或損傷引起的一種不可逆的細胞周期阻滯形式,與多種腫瘤和心血管疾病的發生密切相關[1]。長鏈非編碼RNAs(long non-coding RNAs,lncRNAs)是一類長度>200個核苷酸,無蛋白質編碼潛能的調控型RNA,在衰老介導的病理過程如代謝失衡、神經退行性變和腫瘤中發揮重要作用[2]。其中,lncRNA H19是最早被鑒定的印記基因之一,已有證據表明lncRNA H19通過影響細胞周期和衰老相關分泌表型等方式抑制細胞衰老。本文旨在對lncRNAH19在衰老及相關疾病中的研究進展進行綜述,以期為衰老機制和干預措施的探討提供思路,阻止或延緩衰老相關疾病發生。

1 細胞衰老特征和分類

衰老是機體對于外界環境刺激適應和調配的過程,并隨著時間的推移,出現機體功能狀況下降和死亡風險增加。作為機體衰老驅動因素之一,細胞衰老為未轉化細胞增殖的永久性停滯,呈現形態、分泌和分子方面的獨有特征,如細胞形態、衰老相關生物標志物、基因和蛋白表達模式等發生改變。

1.1 細胞衰老特征 細胞周期停滯是細胞衰老的重要特征之一。研究表明,細胞發生衰老,形態將變扁平、體積增大,偶見細胞核增多;細胞內脂褐素堆積,溶酶體增多及與之相關的β-半乳糖苷酶(SA-β-GAL)活性增加;染色質出現包括端?？s短、衰老相關異染色質簇集(Senescence associated heterochromatic foci,SAHF)形成、DNA損傷反應通路標志物組蛋白H2A.X磷酸化和8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-2 deoxyguanosine,8-OHDG)等水平升高,而衰老相關信號通路關鍵分子表達水平上調,如p53、細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(p21)、2A(p16)和2B(p15)[1]。衰老細胞的另一個重要特征,即產生衰老相關分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP),包含白細胞介素、趨化因子、生長因子、miRNAs和細胞外囊泡等[3]。SASP發揮吸引巨噬細胞清除衰老細胞作用,但也促進炎癥和腫瘤疾病發生和進展,機制與慢性炎癥微環境的建立加速衰老或促進衰老細胞清除的促炎環境有關[3]。由于衰老相關機制不是細胞衰老特有,且不一定存在于所有形式的衰老中,因此對于細胞衰老檢測常聯合多種生物標記物進行評定[2]。

1.2 細胞衰老分類 在衰老進程中,各種損傷刺激引起細胞在生理和(或)病理狀態下發生永久性周期阻滯,導致細胞生理完整性逐步喪失和組織器官功能損傷,最終引發受損器官的衰老相關疾病發生。根據損傷刺激的性質,細胞衰老分為端粒依賴性衰老和非端粒性衰老,也被稱為復制性衰老和過早衰老[4]。研究表明細胞衰老中復制性衰老與端粒長度有關[5]。根據病因,過早衰老也分為氧化應激誘導性早衰、基因毒性誘導性早衰和致癌基因誘導性早衰等類型[6]。除了復制性衰老,由各種應激或獲損傷因素引起的過早衰老在衰老相關疾病的發生和進展的作用和機制也是研究者關注的重點。

2 lncRNAs與衰老

非編碼RNA作為多種生物過程(如增殖、轉錄和翻譯等)的重要調控因子,可分為miRNA、lncRNA、circRNA等種類。lncRNAs不再是基因組的“轉錄噪音”,其在不同水平對基因表達發揮調控作用,異常表達則可導致多種衰老相關疾病發生,如腫瘤、心血管疾病和神經退行性疾病。

2.1 lncRNAs的結構和功能 lncRNAs作為一種無蛋白質編碼潛能的調控型RNA,其長度>200個核苷酸。根據基因組上相對于蛋白編碼基因的位置,可分為正義、反義、內含子、雙向、基因間和增強子等種類;lncRNAs具有不同細胞定位,如定位于細胞核,通過染色質修飾酶調控基因表達,或作為“分子誘餌”抑制基因轉錄,而lncRNAs細胞質亞結構定位,則發揮調節mRNA及蛋白穩定性、蛋白質翻譯和分子海綿作用[7]。目前,已發現3 000多種lncRNAs在組織和細胞中特異性表達,與細胞增殖、形態發生、多向潛能、發育、神經發生和配子發生等相關。

2.2 lncRNAs與衰老 多種lncRNAs調控細胞增殖、分化、凋亡和老化,參與細胞衰老進程[8];研究發現incRNA UCA1是CAPERα/TBX3阻遏復合物的直接作用靶點,在衰老過程中隔離hnRNPA1穩定CDKN2A-p16INK,阻止人原代包皮成纖維細胞和小鼠胚胎成纖維細胞發生衰老,從而揭示了一種癌基因誘導衰老的新機制。有研究報道,incRNA ANRIL通過調控miR-181a/sirtuin1,增強細胞活性,發揮抑制血管平滑肌細胞衰老作用,機制與p53/p21信號通路失活,減輕細胞周期阻滯有關,而在衰老的血管平滑肌細胞中其表達下調[9]。Patel等[10]發現,源于相對消瘦人群的脂肪干細胞呈現明顯衰老表型(如SA-β-半乳糖苷酶活性增加),推測與干細胞衍生外泌體中incRNA GAS5含量較高有關,表明外泌體細胞間通訊方式也是incRNAs調控細胞衰老及衰老相關疾病的特殊方式。上述結果顯示incRNAs通過干預細胞活性,減輕細胞周期阻滯,從而延緩或干預細胞衰老進程。

3 LncRNA H19與衰老及衰老相關疾病

作為最早被鑒定的印記基因,lncRNA H19參與調節多種細胞過程,其在衰老中的作用近年來備受關注。lncRNA H19全長約2.3kb,由位于人類染色體上的11p15.5上的lncRNA H19基因編碼,為母源性印記基因,通過miRNA前體或分子“海綿”,影響細胞周期,促進細胞生長和增殖,延緩衰老[10]。同時,lncRNA H19也可以作為信號通路中的關鍵中介分子,介導其他因子對細胞行為的調控。在乳腺癌中,lncRNA H19競爭結合miR-152上調DNA甲基轉移酶1,促進癌細胞的增殖和侵襲,下調lncRNA H19則抑制參與細胞周期調控的p53基因的表達;在糖尿病患者中lncRNA H19通過減少葡萄糖攝入,抑制其重要靶基因在骨骼肌中的表達,從而延緩2型糖尿病的發生[11]。lncRNA H19在衰老相關疾病中如糖尿病、動脈粥樣硬化等疾病病理過程中,通過調節細周期、SAHF形成、SA-β-半乳糖苷酶活性、SASP分泌等發揮重要調控作用[11]。

3.1 糖尿病及并發癥 2型糖尿病是常見的糖尿病類型,胰島細胞衰老在一定程度上導致老年人群2型糖尿病發病率的升高。在糖尿病病理進程中,衰老細胞釋放的SASP因子可引起胰島素抵抗和糖尿病相關炎性細胞因子的釋放[12]。LncRNA H19可通過miR-let-7減少葡萄糖攝入,抑制其重要靶基因如胰島素受體和脂蛋白脂肪酶在骨骼肌中的表達,從而緩解胰島素抵抗和2型糖尿病的發生[11]。在糖尿病患者血管內皮細胞中,H19表達上調,而敲低H19能夠上調miR-29b和下調血管內皮生長因子A,避免內皮細胞在高糖誘導下產生炎癥和氧化應激,減緩糖尿病相關的動脈粥樣硬化進程[13]。Jiang等[14]在小鼠腎小球系膜細胞(SV40-MES-13)中進行常規培養和高糖培養后,發現lncRNA H19在高糖處理組小鼠腎小球系膜細胞中表達上調,并通過miR-143-3p/TGF-β1軸促進細胞增殖、炎癥因子表達以及細胞外基質積累,加速了糖尿病腎臟病變的進展。以上結果提示lncRNA H19在糖尿病及其并發癥發生發展中發揮重要作用,為其臨床治療策略研究提供了新的思路。

3.2 動脈粥樣硬化 年齡是動脈粥樣硬化的重要危險因素之一。衰老的內皮細胞和平滑肌細胞功能下降,處于促炎狀態,加速了動脈粥樣硬化發展。在ApoE基因敲除小鼠動脈粥樣硬化斑塊模型中,lncRNA H19表達水平顯著增高,表達定位在主動脈和血液組織中,miR-146a-5p的表達水平下降;而抑制lncRNA H19能夠上調miR-146a-5p的表達,提示lncRNA H19通過調控miR-146a-5p促進脂質在巨噬細胞中的積累,從而促進動脈粥樣硬化的發生發展[15]。Hofmann等[16]發現,lncRNA H19在衰老小鼠的內皮和人頸動脈斑塊中表達下降,而敲低人臍靜脈內皮細胞(Human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)lncRNA H19則導致S和G2/M期細胞顯著減少,細胞阻滯在G0/G1期,SA-β-gal的活性增加及p16和p21表達上調,細胞增殖抑制,細胞衰老加速,機制與Stat3信號通路有關。提示lncRNA H19在血管內皮細胞衰老和動脈粥樣硬化病理進程中發揮著重要作用,為其臨床治療研究提供了新的策略。

3.3 缺血性心臟病 心血管系統衰老常伴隨缺血性心臟病的發生。近期有研究在暴露于氧糖剝奪/再灌注的心肌細胞模型中,發現敲低lncRNA H19能抑制miR-675表達,降低細胞凋亡率、炎癥因子表達和氧化應激水平,增加細胞活力,減少心肌梗死面積,從而發揮心肌保護作用[17]。Yoshimura等[18]發現,敲低lncRNA H19可以上調SAHF和下調衰老標志蛋白p53和p21以及促炎因子IL-6的表達,阻斷褪黑素對H2O2誘導的C-kit+心臟祖細胞過早衰老的保護作用。在高糖誘導下新生小鼠衰老的心室肌細胞和衰老小鼠心臟中,lncRNA H19水平顯著升高,過表達lncRNA H19可以通過競爭結合miR-19a上調其靶基因SOCS1,激活p53/p21通路,增加β-半乳糖苷酶陽性細胞數量,引起細胞周期阻滯,加速心肌細胞衰老[19]。心肌肥大是導致缺血性心臟病的重要原因,心肌細胞損傷模型中,lncRNA H19是m6A甲基化轉移酶核心蛋白METTL3/14的靶點,METTL3或METTL14敲除能夠顯著逆轉低氧預適應所提升的細胞活力、抗凋亡能力和lncRNA H19表達[20]。同樣lncRNA H19表達上調也可通過靶向CaMKIIδ抑制心肌細胞肥大[11]。這些結果提示lncRNA H19對缺血性心臟病存在潛在保護作用,為其臨床治療策略研究提供了新的方向。

3.4 其他疾病 在年齡相關性白內障(Age-related cataract,ARC)患者晶狀體中,lncRNA H19表達上調,并可作為ceRNA與miR-29a競爭性結合抑制DNA糖苷酶,降低UVB照射誘導的氧化損傷及8-OHDG生成,增強細胞增殖能力,減緩人晶狀體上皮細胞的凋亡進程[21]。研究者在衰老相關疾病帕金森病模型中,發現lncRNA H19通過抑制miR-301b-3p上調次黃嘌呤磷酸核糖轉移酶1表達,活化Wnt/β-catenin信號通路,從而發揮保護多巴胺能神經元功能[22]。肝星狀細胞活化作為慢性膽汁淤積性肝損傷的主要驅動因素,近期Li等[23]分離老年Mdr2基因敲除(Mdr2-/-)小鼠血清中富含lncRNA H19的外泌體,通過尾靜脈注射到年輕Mdr2-/-小鼠體內,發現源于肝臟和血清的外泌體lncRNA H19表達水平與肝纖維化嚴重程度呈正相關,且體內炎性細胞因子水平顯著升高;過表達lncRNA H19能促進肝星狀細胞在體內的分化和增殖,從而加劇膽汁淤積性肝損傷。IL-22在促進腸道內環境穩態中發揮著重要作用,研究發現在小鼠和患者的腸道炎癥組織中,lncRNA H19表達水平升高,且作為炎癥因子IL-22的重要下游分子參與炎癥狀態下腸上皮穩態;過表達lncRNA H19可抑制miR-34a、let-7和p53的表達下降,促進腸上皮細胞增殖和上皮再生[24]。在毛囊再生研究中,位于毛囊底部的毛乳頭細胞隨著傳代增加,細胞逐漸呈現衰老表型,失去毛囊誘導功能,而研究者通過RNA芯片篩選出毛囊誘導功能密切相關、差異表達最顯著的lncRNA H19,進一步的研究發現lncRNA H19過表達能夠延緩毛乳頭細胞衰老表型的出現,維持毛乳頭細胞的毛囊誘導功能[25],為臨床上脫發性疾病的機制和治療研究提供新的思路。

4 結語

衰老細胞的堆積和SASP因子對機體的不利影響成為衰老相關疾病的重要驅動因素,影響著人們的身體健康。細胞衰老是個動態過程,因此如何延緩或干預細胞衰老成為研究者們治療衰老相關疾病的有益探索方向;lncRNA H19作為最早被鑒定的印記基因之一,通過作用于衰老相關信號通路,與細胞衰老進程密切相關,并在衰老相關疾病如糖尿病、心血管疾病中發揮促衰或抑衰作用,提示其可作為預防和治療衰老相關疾病靶點的可能性,是潛在的衰老生物標志物。由于細胞衰老檢測需要聯合多種生物標志物才能進行評定,而lncRNA H19在衰老進程中的作用及翔實機制尚未被完全闡述,暫時無法將其作為一個研究衰老相關疾病的生物標志物。期待研究者在后續的探索中,利用快速發展的技術和可靠的疾病模型能夠更清晰地揭示lncRNA H19在細胞衰老和相關疾病中的作用及機制,充分地評估lncRNA H19作為新的生物標志物的合理性,提供更準確和安全的治療策略,延緩衰老和降低衰老相關疾病的發生,減輕社會負擔,提升患者生活質量。