长链非编码RNA HOX转录反义RNA在肺癌中的研究进展

茅芯慧 张献全

长链非编码RNA HOX转录反义RNA在肺癌中的研究进展

茅芯慧 张献全

支气管肺癌； 长链非编码RNA(lncRNA)； HOX转录反义RNA

肺癌是世界上最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和病死率位居多种肿瘤之首，每年全世界有180万新诊断患者，同时超过140万的患者被其夺取生命[1-3]。由于肺癌早期诊断困难以及治疗方案有限，其5年生存率仅为15%左右，严重危害人类的健康[4]。因此，寻找用于早期发现和判断肺癌预后的生物学标记物十分必要。2001年人类基因组计划发现在人类基因组的30亿个碱基对中，仅有不到2%的基因具有编码蛋白质的功能，绝大多数的基因序列虽不参与蛋白质编码，却仍能被转录，生成非编码RNA(noncoding RNA, ncRNA)[5]。长链非编码RNA (long non-codingRNAs, lncRNAs)是一组长度超过200个核苷酸，缺少特异完整开放阅读框且不具备蛋白质编码功能的RNA。研究显示，lncRNAs广泛参与机体的生理和病理过程，以RNA形式在多种层面上调控基因的表达，其主要通路是控制蛋白质编码基因，从而调节肿瘤的发生和发展[6]。因此，识别癌症相关蛋白编码基因与lncRNA之间的关系是至关重要的。其中，HOX转录反义RNA (HOX transcript antisense RNA, HOTAIR)是第一个被发现具有反式作用的lncRNA，研究显示HOTAIR与肺癌、消化道肿瘤、妇科肿瘤、头颈部鳞癌、急性髓细胞白血病等多种肿瘤的发生、转移、耐药密切相关[7-14]。现结合lncRNA HOTAIR的功能及其在肺癌发生和发展中的作用进行综述。

一、HOTAIR的发现

HOTAIR是第一个已知的通过反式作用调节基因表达的lncRNA， Rine等[7]于2007年对 HOX基因簇转录过来的数百条非编码RNA进行分析，并于12号染色体的HOXC基因位点发现了HOTAIR。HOTAIR 定位于染色体12q13.13 的 HOXC 家族中 HOXC11与 HOXCl2 之间的位点上，全长2 158 nt，共含有6个外显子，包括5个短的外显子和1个长外显子。结构预测分析发现HOTAIR尽管序列保守性差,但其外显子1的5’端和外显子6的3’端基因序列和结构相对保守,正是这两个结构域可结合多梳蛋白，从而发挥广泛的生物学功能。研究显示，细胞完全分化后，许多基因的沉默是由多梳蛋白和lncRNA介导的组蛋白甲基化所致[15]。

研究发现，位于2号染色体的HOXD家族是染色质修饰复合体(polycomb repressive complex 2, PRC2)结合的一个靶点，高表达的HOTAIR 5’端与PRC2结合后，以PRC2/HOTAIR形式发生基因组间靶点转移，并与HOXD结合，使该位点上一段40kb的区域发生转录沉默[16]。已有的文献表明PRC2是一个作用于组蛋白H3赖氨酸第27位点K27的高度保守的组蛋白甲基转移酶，主要由甲基转移酶zeste同源增强子2(enhancer of zeste homolog2, EZH2)、zeste抑制剂12(suppressor of zeste12, SUZ12)和胚胎外胚层发育因子embryonic ectoderm development (EED) 3个亚基组成，可介导H3K27的三甲基化进而沉默特定基因的转录。其中EZH2是构成PRC2蛋白复合体的一个重要催化亚基,其能增强原代细胞的生长能力,与恶性肿瘤的发生发展密切相关[17]。Kaneko等[18]在EZH2和HOTAIR相互作用的结构域中发现苏氨酸残基345(T345)能被周期蛋白激酶1(cyclin-dependent kinases1, CDKl)磷酸化，而EZH2-T345 磷酸化作用可增强EZH2与HOTAIR 结合的亲和力，进而在细胞周期G2/M 期发挥作用，与肿瘤细胞增值密切相关。另一方面，HOTAIR 3’端结合组蛋白去甲基化酶1复合体(1ysine specific demethylase1, LSD1/REl-silencing transcription factor, REST/Co-repressor of REST, CoREST)，HOTAIR通过介导这两种复合体至富含GC的基因位点上，分别使染色体组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化(histone H3 tri-methylated at lysine 27，H3K27me3)和组蛋白H3第4位赖氨酸二甲基化(histone H3 dimethyl Lys4，H3K4me2)，继而重新编程染色体状态，去除染色质活性标志物，使该染色体区段处于封闭状态，导致基因沉默[19]。由此得出，在肿瘤的发生发展过程中异常表达的HOTAIR 与PRC2和LSD1结合，介导复合物至特异性的基因组位点，在表观遗传学水平上引起与肿瘤细胞增殖凋亡或转移相关基因的组蛋白H3K27位点三甲基化或H3K4me2去甲基化，重新编程染色体状态，从而使染色体处于封闭状态，基因沉默，最终导致肿瘤细胞增殖、转移、耐药，影响肿瘤患者的病情进展及后期药物的治疗效果等。

二、HOTAIR在肺癌中的表达

对于小细胞肺癌及非小细胞肺癌的多项研究表明，肺癌组织中HOTAIR表达量相对于癌旁组织显著上调[8-10,20-21]。在小细胞肺癌中，HOTAIR的高表达与淋巴结侵袭和肿瘤的复发密切相关[10]。在非小细胞肺癌中也发现了类似的现象，HOTAIR的过度表达与淋巴结、脑组织的转移及肺腺癌和肺鳞癌患者的低生存率明显相关[9,20-21]。

目前，HOTAIR在肺癌中高表达是否由基因的扩增、缺失、点突变引起尚不清楚。一项最新的研究表明，HOTAIR在其转录起始位点下游的+1 719 bp和+2 353 bp之间隐藏着一段类似增强子的区域，该区域包含食管鳞状细胞癌的危险因子rs920778 ，与等位基因rs920778C相比，rs920778T所含的增强子促进报告基因显示更高表达。更重要的是，等位基因rs920778T在食管组织中的高表达与食管癌的发生之间关系比等位基因rs920778C对其影响更密切[22]。类似的现象是否在肺癌中存在需要我们进一步探究。对HOTAIR在癌组织中表达上调的最新机制研究发现，通过原始致癌基因对HOTAIR转录的直接激活可导致HOTAIR高表达。例如，在胆囊癌细胞中，HOTAIR的激活是致癌因子Myc通过位于HOTAIR转录起始位点上游1 053 bp的E-box发挥作用[23]。由于Myc也是肺癌的致癌基因，所以该机制有必要在肺癌中进行再证实。另有研究表明，HOTAIR在癌组织中转录上调涉及到表观遗传机制。在乳腺癌组织中发现位于HOXC12和HOTAIR间的CPG DNA甲基化的增加与HOTAIR在乳腺癌中的高表达密切相关，并且这种甲基化方式作为一种屏障阻止异染色质由HOXC12基因扩散到HOTAIR周围[24]。除了DNA甲基化组蛋白修饰调节HOTAIR的表达，在乳腺癌细胞中，雌激素将组蛋白甲基转移酶混合细胞系白血病蛋白聚集到HOTAIR启动子处，通过H3K4me3促进HOTAIR启动子转录来激活HOTAIR的表达[25]。同时，Chiyomaru等[26-27]发现，在前列腺癌及肾癌细胞中，HOTAIR的miR-34a、miR-141靶点调控HOTAIR表达。虽然这些研究都是针对其它类型肿瘤，但是miR-34a、miR-141作为肺癌关键的肿瘤抑制基因，以及HOTAIR的表观遗传机制促使我们有必要进一步确定其在肺癌中是否存在类似作用。在乳腺癌及结直肠癌等其它肿瘤中还发现通过上皮细胞-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)促进HOTAIR表达的因子，如转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、1型胶原(type 1 collagen)等在肺癌中同样是EMT的有效诱导物，并能上调如miR-21和miR-17～92基因群促癌miRNA的表达[28]。上述机制的发现有助于探索HOTAIR在肺癌中的作用机制。

三、HOTAIR在肺癌中的作用

HOTAIR在肺癌中的高表达与肿瘤的侵袭、转移、预后有关。在肺癌细胞中，HOTAIR的调控基因和信号传导通路对于肺癌细胞的分化、增值、侵袭是至关重要的。其中，HOXA5在肺癌发生、发展中的作用已得到证实[7]。HOXA5是一个对于胚胎时期呼吸道的形成和出生后肺的发育必不可少的调控基因。Liu等[29]发现HOTAIR和miR-196a共同抑制HOXA5，使HOXA5的表达下调，从而在肺癌发生发展中促进肺上皮细胞去分化。进一步研究发现，另一个具有抑癌基因功能的p21WAF1/CIP1( p21) 基因是HOTAIR下游靶基因，能在DNA损伤应答中介导p53诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡[21]。因此，HOTAIR能促进肺癌的分化和增殖。

HOTAIR除了调控肺癌细胞的增殖还与肺癌细胞的侵袭作用密切相关。上皮细胞-间充质转化是上皮细胞来源的恶性肿瘤细胞获得迁移和侵袭能力的重要生物学过程。通过上皮细胞-间充质转化生物学过程，上皮细胞失去细胞极性及与细胞基底膜的连接特性，进而获得较高的迁移、侵袭、抗凋亡和降解细胞外基质的能力。HOTAIR通过上皮细胞-间充质转化抑制小细胞肺癌特征性细胞黏附相关基因的表达[10]。例如，HOTAIR可通过对Wnt抑制因子1(Wnt inhibitory factor 1, WF-1)、磷酸酶-张力蛋白同源体 (phosphatase and tensin homolog, PTEN)等上皮细胞-间充质转化抑制剂的抑制作用来诱导上皮细胞-间充质转化作用。除此之外，HOTAIR还可介导基质金属蛋白酶等上皮细胞-间充质转化效应器的表达，分解细胞外基质，从而促进肺癌细胞的侵袭。综上所述，EMT诱导HOTAIR的表达，其诱导产物反过来作用上皮细胞-间充质转化的表达，进而促进肿瘤细胞的侵袭、转移[11,20]。

众所周知，HOTAIR与PRC2结合，重新编程染色体状态，沉默相关基因，促使肿瘤细胞远处转移。PRC2组件在肺癌中高度表达，发挥着致癌作用。其中，EZH2在小细胞肺癌中高表达，抑制细胞黏附相关基因，为肿瘤细胞的转移创造条件。PRC2另一个组件SUZ12则通过抑制E2F1，ROCK1和ROBO1促进非小细胞肺癌的扩散和转移[30]。除了PRC2，HOTAIR还可以通过LSD1促进肺癌的发生发展。研究表明LSD1介导肺癌细胞的增殖和上皮细胞-间充质转化，其高表达与肺癌患者总生存期较短密切相关[19]。

另外，研究发现HOTAIR可以通过E3泛素连接酶和其相应底物结合诱导肺癌。例如，通过E3泛素连接酶作用，底物Ataxin-1, Snurportin-1和HuR共同竞争HOTAIR的同一区域，导致HOTAIR与HuR裂解衰变。同时，HOTAIR与Dzip3、Mex3b之间相互作用阻止细胞早衰，进而使Ataxin-1和Snurportin-1迅速水解。HOTAIR的衰变和蛋白的水解在细胞衰老中发挥着重要作用[31]。研究表明HOTAIR对衰老细胞的调节在肺癌发生发展中是关键的一步。此外，Lee等[32]发现Ataxin-1对于肺泡去分化是必不可少的。因此，HOTAIR可以通过HOXA5的转录抑制和泛素化介导Ataxin-1蛋白水解两种不同的机制促进肺上皮细胞去分化，从而在肺癌的发生发展中发挥重要作用。

HOTAIR的表达一方面受miR-34a和miR-141等肿瘤抑制miRNA的调控，另一方面HOTAIR通过拮抗肿瘤抑制miRNA发挥致癌作用。在胃癌中，HOTAIR作为一个竞争性的内源性RNA通过抑制miR-331-3p增加致癌基因HER2的表达[33]。在胆囊癌中，HOTAIR的致癌作用需要通过抑制miR-130a完成[23]。尽管miR-331-3p、miR-130a的作用都是在其他肿瘤中被确定的，但研究表明这些基因也是肺癌细胞的抑癌基因，提示有必要在肺癌中进一步探索其作用[34]。

四、HOTAIR在肺癌的诊断及治疗中的潜在应用

HOTAIR在肺癌细胞中的高表达与肺癌的转移、耐药、预后有关。例如，Liu等[8]发现在42例非小细胞肺癌患者中，21例HOTAIR高表达者术后5年生存率仅为20%，而低表达者为45%。在另一项对35例小细胞肺癌患者平均无病生存率的研究发现，其中12例HOTAIR高表达患者，其平均无病生存率为30.8个月，而23例HOTAIR低表达者平均无病生存率为46.3个月[10]。

HOTAIR作为肿瘤标志物的可行性在于lncRNAs在人的体液中是稳定的，并可通过非侵入方式测量。例如，在胃癌患者血浆中HOTAIR可被定量测量[35]。当同时检测与HOTAIR结合的其它相关基因时，HOTAIR作为生物标志物的价值将进一步被提升。例如，联合定量检测miR-21和 HOTAIR相比单独检测两者在区别喉鳞状细胞癌和良性息肉时有更高的敏感性和特异性[36]。值得注意的是，miR-21受Col-1调节同样与非小细胞肺癌的发生发展相关。因此，可以用同样的方法对其进行检测，提高对肺癌患者的认识[28]。HOTAIR是一个治疗靶点，在肺癌临床前模型中发现抑制HOTAIR有抗肿瘤效果。另外，在非小细胞肺癌及小细胞肺癌临床前模型中对PRC2的抑制也表现出非常好的效果[37]。因此，可以通过抑制这些靶点阻断HOTAIR与PRC2的相互作用，从而可抑制其功能。另一方面，Liu等[21]发现HOTAIR在介导肺腺癌对顺铂等耐药过程中起重要作用，这项研究提示我们可以联合传统化疗与抑制HOTAIR治疗方式克服肺癌耐药并增加传统化疗的疗效。

五、展望与小结

对HOTAIR在肺癌中的研究只是揭开了神秘面纱的一小部分，更多的生物学功能和具体分子机制仍停留在未知阶段。目前能肯定的是PRC2, LSD1和新发现的E3泛素化连接酶与HOTAIR共同作用促进肺癌的增殖、转移、耐药等，需在此基础上进一步去探索HOTAIR与其它相关蛋白间的相互作用以明确更多机制。HOTAIR在肺癌中已经成为新的调节因子，在肺癌早期诊断、预后、肿瘤分子靶向治疗等方面有极大的潜能。但是，HOTAIR的研究尚处于起步阶段，亟待更多研究者对HOTAIR与肺癌临床个体化诊断及治疗的关系进一步研究。

1 钱桂生. 肺癌不同病理类型发病率的变化情况及其原因[J/CD]. 中华肺部疾病杂志(电子版), 2011, 4(1): 1-6.

2 王会中, 任成山, 金发光. 肿瘤生物标志物在肺癌患者检测中的临床意义及研究进展[J/CD]. 中华肺部疾病杂志(电子版), 2016, 9(3): 329-333.

3 Siegel R, Naishadham D, Jemal A. Cancer statistics[J]. CA Cancer JClin, 2013, 63(1): 11-30.

4 Li CH, Chen Y. Targeting long non-coding RNAs in cancers: progress and prospects[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2013, 45(8): 1895-1910.

5 Kung JT, Colognori D, Lee JT. Long noncoding RNAs: past, present, and future[J]. Genetics, 2013, 193(3): 651-669.

6 Wapinski O, Chang HY. Long noncoding RNAs and human disease[J].Trends Cell Biol, 2011, 21(6): 354-361.

7 Rinn JL, Kertesz M, Wang JK, et al. Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs[J]. Cell, 2007, 129(7): 1311-1323.

8 Liu XH, Liu ZL, Sun M, et al. The long non-coding RNA HOTAIR indicates a poor prognosis and promotes metastasis in non-small cell lung cancer[J]. BMC Cancer, 2013, 13: 464.

9 Nakagawa T, Endo H, Yokoyama M, et al. Large noncoding RNA HOTAIR enhances aggressive biological behavior and is associated with short disease-free survival in human non-small cell lung cancer[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2013, 436(2): 319-324.

10 Ono H, Motoi N, Nagano H, et al. Long noncoding RNA HOTAIR is relevant to cellular proliferation, invasiveness, and clinical relapse in small-cell lung cancer[J]. Cancer Med, 2014, 3(3): 632-642.

11 Ishibashi M, Kogo R, Shibata K, et al. Clinical significance of the expression of long non-coding RNA HOTAIR in primary hepatocellular carcinoma[J]. Oncol Rep, 2013, 29(3): 946-950.

12 Qiu JJ, Wang Y, Ding JX, et al. The long non-coding RNA HOTAIR promotes the proliferation of serous ovarian cancer cells through the regulation of cell cycle arrest and apoptosis[J]. Exp Cell Res, 2015, 333(2): 238-248.

13 Li D, Feng J, Wu T, et al. Long Intergenic Noncoding RNA HOTAIR is overexpressed and regulates PTEN methylation in laryngeal squamous cell carcinoma[J].Am J Pathol, 2013, 182(1): 64-70.

14 Xing CY, Hu XQ, Xie FY, et al. Long non-coding RNA HOTAIR modulates c-KIT expression through sponging miR-193a in acute myeloid leukemia[J]. FEBS Lett, 2015, 589(15): 1981-1987.

15 Khalil AM, Guttman M, Huarte M, et al. Many human large intergenic noncoding RNAs associate with chromatin-modifying complexes and affect gene expression[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009, 106(28): 11667-11672.

16 Gupta RA, Shah N, Wang KC, et al. Long non-coding RNA HOTAIR reprograms chromatin state to promote cancer metastasis[J]. Nature, 2010, 464(7291): 1071-1076.

17 Simon JA, Kingston RE. Mechanisms of polycomb gene silencing: knowns and unknowns[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2009, 10(10): 697-708.

18 Kaneko S, Li G, Son J, et al. Phosphorylation of the PRC2 component Ezh2 is cell cycle-regulated and up-regulates its binding to ncRNA[J]. Genes Dev, 2010, 24(23): 2615-2620.

19 Hayami S, Kelly JD, Cho HS, et al. Overexpression of LSD1 contributes to human carcinogenesis through chromatin regulation in various cancers[J]. Int J Cancer, 2011, 128(3): 574-586.

20 Zhao W, An Y, Liang Y, et al. Role of HOTAIR long noncoding RNA in metastatic progression of lung cancer[J]. Eur Rev Med Pharmacol Sci, 2014, 18(13): 1930-1936.

21 Liu Z, Sun M, Lu K, et al. The long noncoding RNA HOTAIR contributes to cisplatin resistance of human lung adenocarcinoma cells via downregualtion of p21 WAF1/CIP1 expression[J]. PLoS One, 2013, 8(10): e77293.

22 Zhang X, Zhou L, Fu G, et al. The identification of an ESCC susceptibility SNP rs920778 that regulates the expression of lncRNA HOTAIR via a novel intronic enhancer[J]. Carcinogenesis, 2014, 35(9): 2062-2067.

23 Ma MZ, Li CX, Zhang Y, et al. Long non-coding RNA HOTAIR, a c-Myc activated driver of malignancy, negatively regulates miRNA-130a in gallbladder cancer[J]. Mol cancer, 2014, 13(1): 156.

24 Lu L, Zhu G, Zhang C, et al. Association of large noncoding RNA HOTAIR expression and its downstream intergenic CpG island methylation with survival in breast cancer[J]. Breast Cancer Res Treat, 2012, 136(3): 875-883.

25 Bhan A, Hussain I, Ansari KI, et al. Antisense transcript long noncoding RNA (lncRNA) HOTAIR is transcriptionally induced by estradiol[J]. J Mol Biol, 2013, 425(19): 3707-3722.

26 Chiyomaru T, Yamamura S, Fukuhara S, et al. Genistein inhibits prostate cancer cell growth by targeting miR-34a and oncogenic HOTAIR[J]. PLoS One, 2013, 8(8): e70372.

27 Chiyomaru T, Fukuhara S, Saini S, et al. Long non-coding RNA HOTAIR is targeted and regulated by miR-141 in human cancer cells[J]. J Biol Chem, 2014, 289(18): 12550-12565.

28 Li C, Nguyen HT, Zhuang Y, et al. Post-transcriptional up-regulation of miR-21 by type I collagen[J]. Mol Carcinog, 2011, 50(7): 563-570.

29 Liu XH, Lu KH, Wang KM, et al. MicroRNA-196a promotes non-small cell lung cancer cell proliferation and invasion through targeting HOXA5[J]. BMC Cancer, 2012, 12(1): 348.

30 Liu C, Shi X, Wang L, et al. SUZ12 is involved in progression of non-small cell lung cancer by promoting cell proliferation and metastasis[J]. Tumor Biol, 2014, 35(6): 6073-6082.

31 Yoon JH, Abdelmohsen K, Kim J, et al. Scaffold function of long non-coding RNA HOTAIR in protein ubiquitination[J]. Nat Commun, 2013, 4: 2939.

32 Lee Y, Fryer JD, Kang H, et al. ATXN1 protein family and CIC regulate extracellular matrix remodeling and lung alveolarization[J]. Dev Cell, 2011, 21(4): 746-757.

33 Liu XH, Sun M, Nie FQ, et al. Lnc RNA HOTAIR functions as a competing endogenous RNA to regulate HER2 expression by sponging miR-331-3p in gastric cancer[J]. Mol Cancer, 2014, 13(1): 92.

34 Acunzo M, Visone R, Romano G, et al. miR-130a targets MET and induces TRAIL-sensitivity in NSCLC by downregulating miR-221 and 222[J]. Oncogene, 2012, 31(5): 634-642.

35 Arita T, Ichikawa D, Konishi H, et al. Circulating long non-coding RNAs in plasma of patients with gastric cancer[J]. Anticancer Res, 2013, 33(8): 3185-3193.

36 Wang J, Zhou Y, Lu J, et al. Combined detection of serum exosomal miR-21 and HOTAIR as diagnostic and prognostic biomarkers for laryngeal squamous cell carcinoma[J]. Med Oncol, 2014, 31(9): 148.

37 Sato T, Kaneda A, Tsuji S, et al. PRC2 overexpression and PRC2-target gene repression relating to poorer prognosis in small cell lung cancer[J]. Sci Rep, 2013, 3: 1911.

(本文编辑：黄红稷)

茅芯慧，张献全. 长链非编码RNA HOX转录反义RNA在肺癌中的研究进展[J/CD]. 中华肺部疾病杂志(电子版)， 2017， 10(1)： 86-89.

10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2017.01.023

重庆市科技攻关基金项目(CSTC2012gg-yyis10002)

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