长链非编码RNA在神经系统疾病中的功能及研究进展

周雪灵　王健健　张荟雪　陈丽霞　王丽华



长链非编码RNA在神经系统疾病中的功能及研究进展

周雪灵王健健张荟雪陈丽霞王丽华

长链非编码RNA(long-noncoding RNA, lncRNA)是指长度大于200 nt的非编码RNA，它能通过表观遗传学、转录和转录后水平调控基因表达，越来越多研究表明lncRNA在神经系统疾病进展中起重要作用。本文就近年来lncRNA在神经系统退行性疾病、脑缺血、神经胶质瘤、癫痫中的功能研究进展进行综述，可能为了解神经系统疾病提供一个新的视角。

长链非编码RNA；神经系统退行性疾病；脑缺血；神经胶质瘤；癫痫

长链非编码RNA(long-noncoding RNA, lncRNA)是一类长度大于200 nt，缺乏编码蛋白能力的ncRNA。lncRNA一般分为基因间lncRNA、基因内RNA、环状RNA、竞争性内源RNA、超保守转录区域、反义RNAs等[1]。与编码蛋白的RNA相比，lncRNA长度更短，外显子较少，编码能力弱，有组织或细胞特异性，并且在近缘种中lncRNA序列与mRNA相比保守性更低[2]。目前对lncRNA的功能研究越来越多，发现其功能复杂，可参与调控基因表达的各个阶段，通过影响分子水平发挥作用[1]：(1)染色质结构；(2)转录活性；(3)mRNA稳定性；(4)mRNA转录后加工；(5)mRNA翻译。lncRNA在脑中表达并有组织特异性，与大脑的发育、神经元分化、神经系统疾病相关。

1　lncRNA在神经系统退行性疾病中的作用

神经系统退行性疾病以神经组织进行性丢失出现神经功能紊乱为特点，一旦出现相关临床症状，表明已经出现明显的神经组织丢失和中枢神经系统损害。

1.1lncRNA在阿尔茨海默病(Alzhimer disease，AD)发生中的作用AD是最常见的神经系统变性疾病，其发病机制目前仍然不清楚，其中一个主要机制为β分泌酶1(β-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme，BACE1)裂解淀粉样前蛋白(amyloid precursor protein，APP)形成的淀粉样斑块在神经元聚集，打破了Aβ42/Aβ40的平衡状态，产生神经毒性。随着对AD的不断研究，发现了一系列异常表达的lncRNA，与AD的发病及进展密切相关。BC200在神经突触可塑性中有着重要作用，它在正常老化大脑的额叶皮质中减少，而AD患者中表达却增加，在AD早期BC200就能异常定位、聚集在核周围，并且其增加的水平与疾病严重程度呈平行关系[3]。Ciarlo等[4]发现51A在AD患者脑中过表达，通过驱使SORL1可变性剪切增加Aβ生成。BACE1-AS是BACE1基因的反义转录物，神经元在应激条件下(如活性氧、慢性低氧、Aβ1-42)能增加BACE-AS的转录，研究发现AD患者脑中高表达的BACE1-AS能增加BACE1 mRNA 的稳定性，通过前馈调控使Aβ42表达增加，促进了AD的病理过程[5]。RAD18是一种与DNA损伤修复系统有关的酶，NAT-Rad 18来源于RAD18基因的反义转录。研究发现，Aβ刺激皮质神经元后NAT-Rad18上调，Rad18转录后产物下调，表明Aβ降低了神经元承受DNA损伤应激能力，增加了凋亡的敏感性。尽管没有研究证实NAT-Rad18表达与AD病情严重程度相关，但该发现提示AD中NAT-Rad18在DNA损伤修复系统中具有潜在的作用[6]。

通过微阵列数据分析发现，AD患者与健康人相比，脑组织中lncRNA 差异表达，且大多数是基因间lncRNA，如：AD中表达明显下调的lncRNA n341006能显著影响蛋白泛素化途径。泛素蛋白酶复合系统在蛋白修复、周转和降解中起重要作用，但在AD中受损，淀粉样斑块可能是泛素-介导蛋白降解缺陷的产物。此外还发现胆固醇通过直接影响APP的代谢从而促进Aβ生成，上调的lncRNA n336934与胆固醇平衡有关。n341006及n336934具体作用机制还有待进一步研究[7]。

1.2lncRNA在帕金森病(Parkinson disease，PD)发生中的作用PD是神经系统分泌多巴胺细胞丢失导致的一种慢性、进展性运动障碍的疾病。lncRNA在PD白细胞中广泛表达，通过RNA-Seq数据对lncRNA进行研究发现，5个lncRNA在PD白细胞中过表达，脑深部电刺激术后表达减少，包括U1剪切体lncRNA和RP11-462G22.1，它们与多个miRNA存在互补序列[8]。AS Uchl1是近期发现的Uchl1的反义转录物，通过调控Uchl1 mRNA促进UchL1蛋白的表达，参与了脑功能和神经退行性疾病。研究发现与中脑多巴胺能神经元的发生、发育和存活有密切关系的Nurr1能调控AS Uchl1的表达，并且AS Uchl1在PD的体内外神经化学模型中表达显著下调[9]。研究发现PD家族相关基因(如alpha-synuclein、Parkin、PINK1、DJ-1、LRRK2等)均与线粒体功能有关，提示线粒体内稳态性能对PD很重要。NaPINK1来源于PINK1基因座反义转录，它有稳定PINK1表达的功能。NaPINK1沉默可以引起PINK1在神经元中表达减少[10]。在鼠脑的研究中也得到相似的结果，NaPINK1可能通过dsRNA介导机制稳定PINK1表达[11]。

1.3lncRNA在亨廷顿病(Huntington disease，HD)发生中的作用HD是一种常染色体显性遗传的基底核和大脑皮质变性疾病，由亨廷顿基因中CAG序列异常扩增所致。lncRNA在HD中也发挥着重要的作用。人类加速区(HARs)与转录调控及神经发育有关，HAR1区域包含lncRNA(HAR1F和HAR1R)，并且在人类胚胎神经系统发育时期表达。REST是HTT破坏基因调节的主要效应器，可以作用于多个lncRNA。研究发现REST通过DNA调控元件抑制HAR1转录，lncRNA HAR1F和HAR1R在HD患者大脑纹状体中表达下调[12]。lncRNA TUNA在胚胎干细胞多能性和神经分化中起重要作用，研究发现TUNA在HD患者大脑尾状核中表达减少，与疾病的严重性呈负相关[13]。 Francelle等[14]发现有着抵抗HTT蛋白神经毒性作用的lncRNA Abhd11os在HD鼠模型中表达减少，提示lncRNA Abhd11os减少导致HD中纹状体的易感性增加。

2　lncRNA与脑缺血

2.1脑缺血对lncRNA表达谱的影响脑缺血能显著改变脑中lncRNA的表达。在模型鼠短暂大脑中动脉闭塞后再灌注3～12 h间有359个lncRNA表达上调，84个lncRNA表达下调，62个卒中应答lncRNA与蛋白编码基因外显子有>90%序列同源性[15]。还有研究发现，脑缺血后血管内皮细胞受损会导致血-脑脊液屏障破坏，脑微血管内皮细胞在缺氧-缺糖的条件下有362种lncRNA发生明显变化，其中上调的包括：Snhg12、Malat1、lnc-OGD 1006，下调的包括：281008D09Rik、Peg13、 lnc-OGD 3916，这些lncRNA的调控机制有待进一步研究[16]。

2.2lncRNA对脑缺血发生的作用在脑缺血模型鼠的脑皮质中发现177个lnRNA与CMPs Sin3A或coREST的结合明显增加， lncRNA如 Fos DT可能通过调控REST-介导基因沉默参与脑缺血后表观遗传学势能[17]。ANRIL是一个新近发现的lncRNA，ANRIL可能作为动脉粥样硬化、脑卒中和复发相关的标志基因，研究发现9p21.3区基因型rs10757278GG及rs10757274GG能增加卒中及复发风险。Rs10757278的GG基因型与AA基因型相比，在粥样硬化斑块中MTAP、ANRIL短转录子DQ485454和EU741058表达显著降低，而p16INK4a和ANRIL长转录子NR-003529表达升高[18]。

3　lncRNA与神经胶质瘤

在成人中枢神经系统中胶质瘤是最常见的肿瘤，占原发脑肿瘤的80%。神经胶质瘤中异常表达的lncRNA能通过调节染色体重构、DNA甲基化、组蛋白修饰等发挥作用。

lncRNA与miRNA形成调控网络，参与了肿瘤发生的过程：(1)与miRNA形成互相抑制反馈通路：恶性胶质瘤细胞中lncRNA XIST表达上调，XIST沉默能使miR-152表达上调从而抑制肿瘤发生，此外，miR-152过表达也能抑制XIST表达，XIST与miR-152互相抑制形成反馈通路[19]；(2)作为miRNA前体，产生成熟的miRNA：研究发现H19是miR-675的前体，二者与胶质瘤等级呈正相关，H19通过生成miR-675调控胶质瘤细胞侵袭性[20]。

lncRNA与蛋白调控网络：lncRNA可作用于染色质修饰复合物、转录因子等，如lncRNA HOTAIR能维持肿瘤细胞增殖，与胶质瘤的分子亚型、分期、等级及预后相关，它能结合PRC2及LSD1/COREST复合物，增加组蛋白H3第 27 位赖氨酸三甲基化，减少组蛋白H3 第 4 位赖氨酸去二甲基化，从而发生表观遗传学沉默。此外，BET蛋白能直接调控HOTAIR的表达，应用BET抑制剂I-BET151能使HOTAIR表达下调[21]。lncRNA自身也受表观遗传学修饰调控：lncRNA CRNDE通过mTOR信号途径促进胶质瘤细胞生长，组蛋白乙酰化能增加CRNDE表达[22]。

4　lncRNA与癫痫

癫痫是由于神经元异常兴奋引起的反复抽搐发作的神经系统疾病。脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)是神经活性的重要调节者，能阻止癫痫发作，对神经元再生、重塑有着积极作用。癫痫患者脑中的高尖峰区域BDNF表达上调而lncRNA BDNFOS表达显著减少，体外细胞实验表明BDNFOS能负性调节BDNF[23]。研究发现毛果芸香碱和红藻氨酸癫痫模型鼠中有110个lincRNA表达上调，8个lincRNA表达下调，大多数lincRNA能正性调控它们相邻的蛋白编码基因，如：(1)lincRNA:chr16:30170306-3022319正义链与相邻基因Cpn2：在两种模型中表达均明显上调，抑制Cpn2的活性能增加电惊厥阈值，上调的CPn2可能促进了癫痫的发展。(2)linc RNA:chr15:79764481-79809909正义链与相邻基因Cbx7：在两种模型中表达也均明显上调，Cbx7是一个染色体相关因子，能识别并与甲基化H3K27相互作用促进基因沉默，上调的Cbx7可能与癫痫发作相关[24]。此外，在颞叶癫痫患者外科手术切除的海马中发现4个lncRNA(UCA1、ADARB2-AS1、LINC324、MAP3K12-AS1)表现出不同甲基化，但其作用机制有待进一步研究[25]。

近年来国内外的研究改变了人们对基因组和转录组的认识，不仅关注蛋白编码基因，视野还拓展到了有着强大调控功能的lncRNA。在复杂的神经系统中，大量lncRNA特异性表达，通过调控靶基因参与神经系统生理和病理过程。目前由于lncRNA的复杂性，对其调控机制还不能完全解释，但随着芯片技术及高通量测序技术的发展，将会进一步探究lncRNA的功能，为疾病的预防、早期诊断、靶向治疗提供新的策略。

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(本文编辑：时秋宽)

10.3969/j.issn.1006-2963.2016.05.011

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