長鏈非編碼RNA在肌少-骨質疏松癥中調控作用的展望

張迪 劉靜 劉蘭英 黃馳歡 郭志杰 韋理鈺 許華寧 季發權 徐道明

南京中醫藥大學附屬醫院,江蘇 南京 210029

肌肉和骨骼均起源于間充質干細胞,在位置上相毗鄰,并通過力學作用和化學作用等途徑及相似的分子信號通路在功能上交互串擾,協同完成站立、行走及運動[1]。機體在25歲時肌肉和骨骼的質量達到峰值,而30歲以后肌骨系統的機能慢慢下降[2]。其中肌肉代謝異常所致的肌少癥(sarcopenia,SP)[3]和骨骼代謝異常所致的骨質疏松癥(osteoporosis,OP)[4]是老年人中群最常見的兩類慢性肌骨疾病,肌骨共病形成肌少-骨質疏松癥(osteosarcopenia,OS)[5]。長鏈非編碼RNA(long non-codingRNA,lncRNA)是一類長度超過200個核苷酸的RNA分子[6],可以在表觀遺傳、轉錄及轉錄后等多個水平參與基因表達,從而調節包括肌少癥和骨質疏松癥在內的多種疾病[7-8]。因此,本文就lncRNAs在肌少-骨質疏松癥中的最新發現及調控作用作一綜述,并探討未來通過lncRNAs診治肌少-骨質疏松癥的巨大潛力。

1 肌少-骨質疏松癥與長鏈非編碼RNA

最近一份全球疾病負擔數據的統計表明,世界范圍內患有肌肉骨骼疾病的人數高達17.1億人[9],且隨著人口增長和老齡化的快速發展,此人數仍在迅速增加。肌骨系統疾病成為全球殘疾的主要原因之一,也是全球康復服務需求最大的健康問題,肌骨共病逐漸成為老年醫學的研究熱點。其中,老年人肌肉質量減少、肌肉力量下降和(或)軀體功能減退形成肌少癥;老年人骨量降低,骨組織微結構被破壞形成骨質疏松癥。肌少癥與骨質疏松癥并存則被診斷為肌少-骨質疏松癥。近年來,越來越多的研究表明肌肉含量與骨密度成正相關[10],肌少癥和骨質疏松癥往往同時發生且互相影響[11]。樊潔等[12]分析了甘肅省東鄉族成人骨量-肌量變化規律,發現骨量異常組肌少癥前期檢出率(男性75.0 %,女性57.1 %)遠高于骨量正常組(男性25.0 %,女性42.9 %),提示低骨量可能是肌少癥發生的潛在風險因子。另有研究指出,四肢骨骼肌肉量每增加一個單位,機體患有骨量減少或骨質疏松癥的風險便下降37 %[13]。這些結果共同提示肌少-骨質疏松癥是肌肉和骨骼相互影響的結果——肌量下降將引起并加速骨礦的丟失,而骨骼強度降低也將促使肌肉形態的萎縮和功能的衰退。

長鏈非編碼RNA又稱lncRNA,是一類長度超過200個核苷酸的非蛋白質編碼RNA[14]。在研究之初,因其大部分缺乏編碼蛋白質的能力,故很少被作為研究的主要焦點[15]。然而,隨著遺傳學的深入研究,lncRNAs在生物體基因層面的調控作用引起了人們的廣泛關注。其大多表達于細胞核和細胞質中,能夠折疊成復雜的二級結構,參與轉錄、剪接、翻譯、組蛋白修飾、染色質重塑等多種生物學過程[16]。最近,多項研究分析表明,lncRNAs在成骨、破骨、肌生成及肌萎縮中均發揮重要調控作用[17-19],增加了對肌少-骨質疏松癥發病機制的理解,為肌骨系統的研究提供了新思路。下面對lncRNAs在肌少-骨質疏松癥中的調控作用進行詳細闡述。

2 長鏈非編碼RNA在骨質疏松癥中的調控作用

骨骼的完整性依賴于骨形成和骨吸收之間的動態平衡,這一過程也被稱為骨重建。成年期骨重建平衡,使正常的骨量得以維持;此后隨年齡增加,骨吸收/骨形成比值升高,骨重建失衡,導致骨量逐漸流失[20]。因此,對骨形成和骨吸收的調控已成為對抗骨質疏松癥的有效策略。

2.1 lncRNAs能調控骨形成

成骨細胞是骨重塑單位內參與骨形成的重要細胞,其分化能力及活性與OP的發生發展密切相關[21]。有研究顯示,lncRNAs能直接調控成骨細胞分化以參與骨形成。在新生小鼠前成骨細胞樣細胞測得的18 d RNA-Seq數據集顯示,有3 948個lncRNAs在成骨細胞分化過程中發生了動態變化,同時鑒定出72個成骨細胞分化相關標志物基因,證明lncRNAs可能參與成骨細胞的分化過程[22]。lncRNA-MALAT1是一種編碼于人類染色體11q13.1上的高度保守RNA,其在OP患者中的表達顯著低于健康人。Song等[23]研究發現lncRNA-MALAT1海綿miR-217使其沉默,并激活下游靶點AKT3促進成骨分化,miR-217沉默效應打破則逆轉這一現象。mTOR是對骨骼功能維持至關重要的一種保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,激活mTOR信號可促進骨形成[24]。Wang等[25]通過卵巢切除術(OVX)構建絕經后骨質疏松癥模型(PMOP),發現lncRNA -KCNQ1OT1過表達上調了OVX小鼠股骨中的mTOR表達,同時增強了成骨相關基因膠原蛋白-1(Col-1)、相關轉錄因子2(RUNX2)和骨鈣素(OCN)的表達以促進成骨細胞分化,上調lncRNA -KCNQ1OT1可緩解OVX小鼠模型中的PMOP。骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)是一種能分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞等的多能性基質細胞,其成骨分化能力的高低在骨重塑中至關重要[26]。lncRNA-TUG1是位于染色體22q12.2上的牛磺酸上調基因1,可通過AMPK-mTOR自噬信號通路促進BMSCs分化為成骨細胞,阻斷上述通路可阻斷lncRNA-TUG1在BMSCs中的成骨作用[27]。另外,lncRNAs也能發揮對骨形成的負調控作用。脂多糖(LPS)是促使OP發生的因素之一,有研究顯示lncRNA-TMC3-AS1在OP患者中高表達,并通過下調miR-708表達增加LPS誘導的成骨細胞凋亡,加速了OP的進展[28]。Song等[29]首次發現lncRNA-GAS5在BMSCs中下調,并通過降解miR-382-3p以負調節BMSCs的成骨分化。綜上,lncRNAs可通過相關基因和通路以直接或間接作用方式調控骨形成。因此,深入研究lncRNAs在成骨方面的作用將有助于開發靶向治療OP的方法。

2.2 lncRNAs能調控骨吸收

破骨細胞是人體內唯一的骨吸收細胞,破骨細胞的過度激活將導致并加重骨質疏松癥[30]。通過比較小鼠骨髓源性前體細胞與分化破骨細胞的總RNA轉錄組,Toor等[31]在破骨細胞的早期分化過程中鑒定出35個潛在的新lncRNAs表達上調,37個lncRNAs表達下調,表明lncRNAs在破骨細胞分化過程中發揮重要作用。lncRNA-HOTAIRM 1在人和小鼠OP的血清和骨組織中下調,Ren等[32]通過進一步研究發現過表達lncRNA-HOTAIRM 1能夠降低破骨標志物相關基因Nfatc1和Mmp9的表達,并減弱由RANKL誘導的破骨細胞形成。活化T細胞核因子5(NFAT5)是一種滲透保護性轉錄因子,可以結合骨保護蛋白(OPG)的啟動子區域,抑制RANKL誘導的破骨分化[33]。Zhang等[34]發現lncRNA-KCNQ1OT1通過海綿miR-128-3p可以顯著上調NFAT5,同時抑制破骨相關標志物c-Fos、NFATc1和Ctsk等表達,進而抑制骨吸收過程。此外,lncRNAs也可通過促進體內破骨細胞形成過程以減少骨量。Zhang等[35]首次發現了lncRNA-NEAT1位點與OP風險關聯的遺傳機制,lncRNA-NEAT1過表達加速破骨細胞形成增加OP發生風險,敲低該因子則減弱骨吸收過程。NEK2是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶,近年來被發現在骨破壞中起關鍵作用[36]。lncRNA-SNHG15在RANKL誘導的破骨細胞中表達增加,在機制上通過海綿miR-2-381p上調NEK2表達以促進破骨細胞的增殖、遷移和分化[37]。總之,這些對破骨細胞有調控作用的lncRNAs可能代表了OP治療的突破,但目前這方面的研究還比較少,仍需作進一步的研究以闡明其在骨吸收中的具體機制。

3 長鏈非編碼RNA在肌少癥中的調控作用

骨骼肌是人體維持運動、姿勢以及體內平衡的關鍵器官。隨著年齡的增長,進行性生理變化使骨骼肌穩態被打破,肌肉成分的降解與合成失衡,肌肉萎縮導致老年人肌肉質量和力量降低[38]。一些研究報告了在骨骼肌中與年齡相關lncRNAs的差異表達,發現lncRNAs可通過控制肌肉肥大或萎縮參與肌少癥的調節[39]。

3.1 lncRNAs能調控肌生成

骨骼肌的形成過程是由多種功能性因子協同作用的復雜過程,其中衛星細胞增殖,隨后分化的成肌細胞融合為成熟的肌管,最終形成肌纖維成為骨骼肌組織[40]。Chang等[41]發現了一種新型肌肉特異性lncRNA——FAM,它在早期人類肌生成過程中強勁增加。lncRNA-FAM過表達可增強肌源蛋白MYBPC2的產生,從而促進人成肌細胞向肌管分化,沉默lncRNA-FAM則顯著延遲肌生成。Wnt5a是調控肌肉發生的關鍵分子,Zhang等[42]發現lncRNA-MAR1可通過海綿miR-487b調節Wnt5a蛋白以促進肌肉分化和再生,過表達lncRNA-MAR1增強了衰老小鼠的肌肉質量/力量,提示lncRNA-MAR1未來可能成為肌少癥新的治療靶點。MAPK信號通路在成肌細胞的增殖中發揮了重要作用,lncRNA-Has2可通過此通路促進骨骼肌再生與分化,敲低Has2os顯著阻斷肌生成,這一高度保守的lncRNA被認為是調節骨骼肌穩態的關鍵基因[43]。此外,lncRNAs還能負調節肌肉的生成,例如過表達lncRNA-Chronos可通過滅活BMP 7信號傳導抑制肌生成,從而加劇肌肉萎縮和肌少癥[44]。因此,深入探索lncRNAs在肌生成過程中的調控網絡機制有助于確定治療肌少癥的分子靶點。

3.2 lncRNAs能調控肌萎縮

lncRNAs在肌肉分化過程中發揮雙向調控作用,既可調控肌肉的生成與分化,也可參與肌萎縮的發生發展[45]。Jin等[46]將lncRNA-SYISL確定為可以調節肌少癥的一種保守lncRNA,其可與miRNA結合,進而增強肌肉萎縮相關基因MuRF1、Atrogin-1和FoxO3a的表達來加速肌肉萎縮,敲低或敲除lncRNA-SYISL可減輕衰老小鼠引發的肌少癥。Cai等[47]鑒定出一種名為SMUL的新型肌肉萎縮相關lncRNA,lncRNA-SMUL通過激活蛋白酶體降解和自噬途徑來上調肌肉萎縮標志基因ATROGIN1和MURF1,以促進肌萎縮。與之相反,lncRNAs還能通過不同的途徑抑制肌萎縮。Li等[48]將lncRNA-MAAT作為一種肌肉萎縮的調節因子,從機制上,lncRNA-MAAT通過順式與跨式作用調控下游及鄰近基因表達,從而緩解衰老引起的肌萎縮,有望成為治療肌少癥的新途徑。IGF1-PI3K/AKT通路是控制肌肉肥大的關鍵細胞內信號傳導機制,有研究發現lncRNA-IRS1通過激活此通路下調關鍵萎縮誘導基因Atrogin-1和MuRF3,可作為肌肉萎縮的治療靶點[49]。目前,越來越多的lncRNAs被鑒定出與肌肉萎縮密切相關,為進一步理解骨骼肌生物學和肌少癥的發病機制提供了新的見解。

4 長鏈非編碼RNA在肌少-骨質疏松癥中的調控作用

隨著對肌骨系統疾病交互的關注,不斷有研究整合SP和OP的發病機制,lncRNAs有望成為二者統一的治療靶點。Chai等[50]成功建立老年肌少癥聯合骨質疏松癥模型,通過分析OVX大鼠股骨和股四頭肌的RNA序列,發現分別有13個lncRNAs(8個上調,5個下調)、17個lncRNAs(9個上調,8個下調)發生差異性表達,并且lncRNA-LNC_004549和lncRNA-ENSRNOT00000090777被預測同時參與骨骼肌和骨骼的分化,為肌少-骨質疏松癥的發病機制提供新見解。另有研究顯示,成骨細胞來源的外泌體中lncRNA-TUG1水平升高,同時增強了成肌細胞的分化,而lncRNA-DANCR水平降低,并同時抑制了這一成肌過程[51]。這與先前的研究表明lncRNA-TUG1促進成骨分化,而lncRNA-DANCR通過Wnt/β-連環蛋白途徑抑制成骨分化結果相一致[52-53],同樣提示了lncRNAs可能在骨骼和肌肉之間的相互作用中發揮潛在作用。lnc-MIR22HG在BMSCs的成骨分化過程中上調,Li等[54]最新研究表明成肌細胞來源的外泌體相關同源盒2(Prrx2)可結合lnc-MIR22HG的啟動子區域,從而促進其轉錄激活以抑制OVX誘導的小鼠體內骨質疏松癥,為治療肌少-骨質疏松癥提供了新途徑。Ruan等[55]在年輕(4～6個月)和老年(22～24個月)小鼠的骨骼肌中發現,lncRNA-MALAT1的表達隨著年齡增長顯著降低,lncRNA-MALAT1沉默可增加miR-34a表達進一步驅動骨骼肌衰老,并由此引發肌少癥。lncRNA-MALAT1在OP中的關鍵作用先前已得到證實,因此,該因子有望成為未來對抗肌少-骨質疏松癥的關鍵因子。lncRNA-DLEU2在OP患者中高表達,隨著研究的深入,Wang等[56]成功建立肌少癥風險預測模型,發現lncRNA-DLEU2可海綿miR-181抑制骨骼肌的再生和分化,lncRNA-DLEU2高表達同樣被認為是老年人肌少癥的危險因素之一。盡管目前構建肌少-骨質疏松癥模型分析lncRNAs的研究還處于探索階段,但在肌少-骨質疏松癥中具有共同治療作用的lncRNAs已經展現了其診治肌少-骨質疏松癥的巨大潛力,從而進一步揭示肌骨之間交互串擾的潛在機制。因此,深入研究lncRNAs與肌少-骨質疏松癥的關系仍將是未來的主題。

5 總結與展望

肌肉和骨骼共同組成肌骨系統,在生理上互相協助,病理上互相影響。本科研團隊經過長期臨床觀察發現,大部分骨質疏松癥患者都伴有肌肉質量的下降[57],肌少-骨質疏松癥概念的提出有利于人們進一步思考肌骨交互作用的本質。自lncRNAs首次被證明在哺乳動物中存在以來,其越來越被認為是具有許多生物學功能的關鍵調控分子。在骨質疏松癥中lncRNAs能通過相關基因及通路調控骨形成和骨吸收,從而調節OP患者中失衡的骨穩態;在肌少癥中lncRNAs能通過競爭性結合miRNAs等多種途徑參與肌生成和肌萎縮,以調節骨骼肌的生長發育。

將肌肉和骨骼單元視為一個整體,lncRNAs展現了未來診治肌少-骨質疏松癥的巨大潛力。同一種lncRNA可以同時參與肌肉和骨骼的分化,以揮發對肌少-骨質疏松癥的調控作用,而不同的lncRNAs也可以通過肌骨間共同的信號通路發揮調控作用。例如上述提到的AMPK信號通路、BMP信號通路、MAPK信號通路、IGF1/PI3K/AKT信號通路等,在改善骨量和肌肉質量等方面的作用已被證實,因此,可以假設靶向lncRNAs以通過其中的一條通路發揮對肌少-骨質疏松癥的調控作用。此外,黃宏興團隊[58]應用去勢聯合腹腔注射DXM法已能夠建立穩定的肌少-骨質疏松癥大鼠模型,這也提示了未來進一步探索lncRNAs在肌少-骨質疏松癥中作用機制的可能性。

綜上,lncRNAs對未來肌少-骨質疏松癥的研究具有深刻意義,有望成為進一步探索肌肉和骨骼間相互作用的潛在標志物。但現有的研究也存在一定的不足,比如目前大多研究聚焦在動物實驗,使用老年人骨骼及肌肉樣本進行lncRNAs分析的比較少,故如何在臨床上應用lncRNAs診治肌少-骨質疏松癥仍需要作進一步的突破。