长链非编码RNA调控癌症细胞信号通路的研究进展

2018-02-01 13:10张中民综述审校
实用肿瘤学杂志 2018年2期
关键词:长链传导编码

张中民 综述 庞 达 审校

人类基因组中约98%的序列为非编码DNA序列[1],大约有90%的非编码序列能够转录生成非编码RNA[2]。非编码RNA最初被认为是基因组转录的“噪音”[3],但近年来研究指出非编码RNA在细胞由正常生理状态转变为病理状态的过程中起着重要的作用[4-6]。长链非编码RNA是一种长度大于200 nt的RNA,根据它在基因组中与蛋白编码基因的相对位置分为五种:(1)基因间长链非编码RNA,即lincRNAs。它是由两个蛋白编码基因之间的DNA序列转录生成;(2)内含子间长链非编码RNA,它是由能够编码蛋白质基因的内含子区形成;(3)双向长链非编码RNA:它可同时从与邻近mRNA转录方向相同与相反两个方向发生转录;(4)反义长链非编码RNA:转录方向与邻近mRNA转录方向相反;(5)正义长链非编码RNA:转录方向与邻近mRNA转录方向相同[7-9]。长链非编码RNA既有促癌特点又能发挥抑癌作用,以直接或者间接的方式调控肿瘤细胞信号传导通路进而影响恶性肿瘤的生成。

当内外环境刺激时细胞会产生信号传导效应。目前有多种信号传导通路被证实并且对一系列包括癌症在内的生物学效应及基因表达过程产生至关重要的影响。细胞信号通路通常由大量的信号传导分子组成,它们直接或者间接调控转录因子的活性从而参与转录过程并最终影响基因的表达。越来越多的证据表明长链非编码RNA参与调控多种信号传导通路。本文主要论述一些经典通路包括p53、NF-κB和PI3K/Akt。

1 长链非编码RNA对基因表达的调控

长链非编码RNA能够与DNA、RNA及蛋白质之间发生相互作用,它既可以作为一种信号传导因子增强转录过程,也可以作为一种诱导因子抑制转录水平,或者起着调控表观遗传的作用,亦可作为蛋白质复合物的骨架,连接两个表观修饰的酶,从而调控基因的表达[10]。

长链非编码RNA介导的基因表达调控过程可以发生在转录或转录后水平。在转录水平上,长链非编码RNA可以通过与转录复合体或者是诸如启动子的DNA元件相互作用而直接参与转录过程。另外,长链非编码RNA可能通过募集染色质修饰酶参与染色质结构的调节过程,从而促进或者抑制多数基因的表达。例如,长链非编码RNA能够与DNA结合蛋白相互作用以阻止这些蛋白接近DNA识别元件,进而根据靶向蛋白的特性诱导或者抑制转录。研究表明,长链非编码RNA GAS5通过占据糖皮质激素受体的DNA结合结构域而与DNA上的糖皮质激素反应元件竞争,并且阻止糖皮质激素受体接近靶DNA[11]。类似的,一种p53诱导型长链非编码RNA-PANDA,通过与转录因子NF-YA相互作用,使NF-YA从含有染色质的靶基因中脱离[12]。有报道认为长链非编码RNA能够募集染色质修饰酶进而影响表观遗传学水平表达[13]。例如,HOTAIR通过与PRC2(Polycomb repressive complex 2)相互作用影响癌细胞转移[14]。HOTAIR具有选择性组蛋白修饰酶支架的功能,它通过改变组蛋白(H3K27)甲基化模式及基因表达水平从而增强癌细胞侵袭力,反之,抑制HOTAIR使得癌细胞的侵袭能力减弱[15]。

转录后的调控主要涉及mRNA稳定性、剪接和修饰以及蛋白质翻译过程调节和蛋白质的稳定性、亚细胞定位等。某些mRNA的半衰期短,例如c-Myc和c-Jun,但是它们在癌细胞中的稳定性是显著提高的。在c-Myc中,mRNA的反转是转录后调控的主要机制,它主要通过非翻译区域(3′-UTR)中的AU富含元件(ARE)和ARE结合因子AUF1相互作用完成调控过程,ARE和AUF1结合能够影响靶基因的稳定性[15]。有研究报道[16],Linc-RoR与hnRNP1或者AUF1相互作用参与调控c-Myc mRNA的稳定性过程。

选择性剪接是遗传多样性的重要机制,它能够影响肿瘤的发生和进展。但是基因剪接的调控过程是很复杂的,剪接因子不是影响基因拼接的唯一因素,并且有时剪接因子可以共同作用选择性的结合剪接位点。近来研究表明长链非编码RNA参与选择性剪接的调控过程。hnRNP A1和hnRNP C发生相互协作关系以促进它们与外显子剪接沉默元件或者内含子剪接沉默元件相结合从而参与选择性剪接的过程[17]。另一方面,MALAT1通过与丝氨酸-精氨酸蛋白质相互作用调节多种基因的选择性剪接过程[18]。长链非编码RNA介导的基因表达同样能够影响蛋白质的翻译过程。LincRNA-p21以依赖Hur的方式抑制JunB和β-catenin蛋白翻译过程[19]。mRNA的非编码区域通常作为控制翻译的调控元件,例如有报道认为p53的翻译受其5′端或者3′端非编码区域的调控[20-21],Linc-RoR通过与磷酸化的hnRNP1相互作用并且阻止p53与其5′端非编码区域相结合从而发挥抑制p53蛋白翻译的作用[22]。

2 长链非编码RNA参与p53信号通路调控网络

p53是一种抑癌基因,它在癌症中具有易突变和易缺失的特点。p53具有调控参与细胞生长、凋亡及DNA损伤修复的一系列基因的表达能力,当p53基因敲除后,实验小鼠虽然可以产生后代,但是其生长发育过程中会产生自发性肿瘤并且频率较高,这说明p53蛋白与肿瘤之间存在着密切关系。目前研究表明p53与50%以上人类恶性肿瘤相关,在超过51种人类肿瘤病例中发现p53基因的异常表达和功能失活[23]。正常细胞中p53水平保持在稳定状态。对p53水平的调控主要发生在翻译、翻译后修饰及蛋白质稳定等水平。长链非编码RNA能够作为p53的效应器,以依赖p53方式参与调控细胞信号通路下游。在正常情况下,p53蛋白的表达水平较低,MDM2能够维持其低水平状态。当DNA发生损伤时,p53蛋白表达水平上调。由于一些蛋白质修饰作用,比如磷酸化和乙酰化,使得抑制p53的主要因子MDM2不再具有直接降解p53的作用。当DNA发生损伤时,会以一种依赖p53的方式诱导DINO(Damage-induced non-coding)产生。DINO参与细胞损伤时由p53介导的细胞周期停滞及凋亡过程。DINO能够与p53相互作用从而维持p53的稳定性;当p53性质稳定时反过来与下游的DINO相互作用从而形成一个正反馈的回路,使得DNA损伤所诱导的p53效应放大。当p53被诱导激活时,p53信号通路需要关闭以免使细胞持续受损。在正常情况下MDM2能够维持p53低水平状态,但发生急性DNA损伤时,细胞需要一种机制能够使得p53通路迅速关闭,此时MDM2单独不足以产生强烈效应。近来研究表明,除了一些蛋白因子参与p53信号通路调控网络之外,长链非编码RNA同样在这一调控网络中起着重要的作用[24],长链非编码RNA能够参与调控p53的稳定性并且作为p53的效应器,以依赖p53方式参与调控细胞信号通路下游并且影响p53的稳定性[25]。在这种情况下,一些长链非编码RNA能够起着关闭p53通路的作用,例如Linc-RoR[25]。当DNA发生损伤时,p53诱导Linc-RoR的生成,Linc-RoR携带与p53相结合的保守位点,同时Linc-RoR能够持续抑制p53的表达,降低p53蛋白的翻译,使得p53信号传导通路失去活性,从而加速p53通路关闭[25]。除此之外,lincRNA-p21也能够抑制p53信号传导通路,PANDA能够参与p53介导的细胞周期中细胞的生长和凋亡[26]。另有研究认为Loc285194可以作为p53的感受器并且能够抑制肿瘤细胞的生长[27]。

3 长链非编码RNA介导的NF-κB信号传导通路

NF-κB是一种转录因子,它几乎在所有的细胞类型中表达。NF-κB信号通路在多种生物学过程中都起着重要的作用,NF-κB具有明显抑制细胞凋亡的功能,它参与炎症的发生发展,细胞的生长以及恶性肿瘤的发生、发展和转移[28-30]。NF-κB以异源三聚体复合物的形式存在于细胞质中,这种复合物是由p50、p65及具有抑制作用的IκBα亚基单位组成。当受到如TNF-α的刺激时,IκBα发生磷酸化或乙酰化改变,p65/p50亚基进入细胞核中调控相应目的基因的表达[31]。当NF-κB及其下游靶点的调控过程发生异常时,会发生炎症、耐药及癌症转移等生物学过程[32]。NF-κB在很多肿瘤细胞中表达异常,如在75%的乳腺癌患者病理标本中NF-κB的表达比邻近正常组织中高很多倍[33]。此外,NF-κB对肿瘤转移具有明显的促进作用,它能够促进肿瘤转移相关基因ICAM-1、VCAM-1、MMP-9等的表达。NF-κB不仅可诱导血管内皮生长因子VEGF的表达,促进血管生成;而且还能通过调节COX2等基因的表达来促进肿瘤生长。有研究表明,长链非编码RNA能够作为NF-κB复合体的支撑结构从而对NF-κB信号通路产生直接的影响[34-35]。与NF-κB相互作用的长链非编码RNA(简称NKILA)通过IKK阻止NF-κB/IB复合体中IκB磷酸化[36]。NKILA主要存在于细胞质中并且能够抑制NF-κB自身活化及由细胞因子刺激的NF-κB的活化,因此有研究表明低水平的NKILA与乳腺癌的转移及患者的不良预后相关[36]。另有一些长链非编码RNA以间接方式影响NF-κB信号传导通路过程,例如在卵巢癌中HOTAIR通过多梳抑制复合物2(PRC2)抑制IκBα的转录,由于IκBα能够抑制NF-κB,因此当IκBα处于低水平时,NF-κB的活化状态能够长时间持续下去,受NF-κB调控的基因的表达水平也会上升[36]。此外,HOTAIR能够通过依赖cAMP的蛋白激酶(PKA),或者细胞核激酶如MSK1和MSK2来激活NF-κB通路[37]。

4 长链非编码RNA调控Akt信号传导通路

目前有研究认为蛋白激酶B(Akt)在细胞的存活、凋亡以及恶性肿瘤的发生及发展过程中起着重要的作用[38]。在Akt信号通路的上游,生长因子首先与酪氨酸激酶受体结合,通过PI3K生成第二信使PIP3,其随后激活下游靶点Akt。在此过程中有多种因子参与Akt活性的调控,其中包括PI3K和PTEN。PI3K是一种正性调控Akt的激酶,它能够使PIP2转变为PIP3;PTEN的作用与PI3K相反,它是一种负性调控Akt的磷酸酶,能够使得PI3K反转为PIP2。近年研究结果发现,Akt通路通过下游信号转导促进肿瘤血管生成及肿瘤的浸润。内皮细胞一氧化氮合成酶(Endothelial nitric oxide synthase,eNOS)是调节血管生成和血管张力的主要因子,转染促生长因子(IGF-1)和血管内皮生长因子(VEGF)的内皮细胞可以通过PI3K通路诱导eNOS的合成,进而诱导血管内皮细胞的生成[39]。黏附、迁移和侵袭是肿瘤细胞的主要特征,有研究表明转染活化型Akt肿瘤细胞几乎都出现在细胞集落的边缘,而PI3K抑制剂可阻断这种分布效应,这说明Akt在一定程度上促进肿瘤侵袭[40]。近来有研究发现,一种长链非编码RNA AK023948直接参与Akt信号通路调控过程,当把AK023948基因敲除或者使其表达沉默时,Akt的活性受到抑制;当在敲除的细胞系(KO细胞系)中重新表达AK023948时,Akt的活性恢复[41]。因此,长链非编码RNA-AK023948能够正性调控Akt信号传导通路。有些长链非编码RNA以直接或者间接的方式参与Akt信号通路的调控。例如,FER1L4通过促进PTEN的表达抑制Akt的活性[42]。在骨肉瘤细胞中,当MALAT1被敲降后pAkt的水平明显受到抑制;而当MALAT1异位过表达时能够通过激活PI3K/Akt信号级联反应促进肿瘤的生长及转移[43]。

5 小结与展望

细胞信号传导通路在恶性肿瘤的发生、发展及转移的过程中起着重要的作用。长链非编码RNA参与某些信号传导通路的过程,从而能够直接或者间接影响肿瘤生成的过程。因此,长链非编码RNA能够起着致癌或者抑癌的作用。值得注意的是,单独的长链非编码RNA可能不足以驱动细胞信号传导,有时可能需要借助信号传导分子直接间接影响细胞信号传导通路过程。当前研究面临的一个重要的挑战是如何识别长链非编码RNA自身所携带的功能结构域及探究这些结构域与相应配体发生何种相互作用关系。因此,我们希望通过更进一步了解长链非编码RNA结构及其在肿瘤中发挥作用的机制来找到更多有潜在临床应用价值的长链非编码RNA,从而为肿瘤患者的诊断及治疗带来福音。

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