长链非编码RNA在肿瘤细胞糖代谢中的调控作用

倪超 郑婕 郭俊明 叶孟

肿瘤的本质是细胞增殖失控，不但解除细胞增殖控制，而且促进细胞能量代谢，最终适应肿瘤细胞生长和分化。在肝癌细胞代谢研究中，Warburg[1]首次发现肿瘤细胞能量代谢异常。在有氧微环境下，肿瘤细胞通过能量代谢重组和线粒体功能受损来增加糖酵解代谢能力，从而维持细胞能量平衡。这种葡萄糖代谢异常现象称为有氧糖酵解，又称为Warburg效应。经过90多年不断探索和研究，发现Warburg效应存在于肺癌、乳腺癌、结肠癌、胃癌等多种恶性肿瘤中。尽管不是所有肿瘤都存在Warburg效应，但细胞能量异常被广泛认为是肿瘤细胞的特征之一。Warburg效应为肿瘤细胞生长提供重要能量，但它在肿瘤发生、发展中的作用机制尚未完全明确。全基因组转录组测序显示，哺乳动物的基因组多数发生转录，并产生各种各样的编码和非编码RNA转录本。最新的GENCODE人类基因组数据显示，现发现人类60 554个基因，其中蛋白质编码基因19 815个，长链非编码RNA（LncRNA）基因15 941个，小非编码RNA基因9 882个，假基因14 505个。非编码RNA作为重要的调控分子，根据功能可分为管家型非编码RNA和调节型非编码RNA[2]。基于LncRNA与蛋白质编码基因的位置关系，将其分为5大类，即正义LncRNA、反义LncRNA、双向LncRNA、基因内LncRNA和基因间LncRNA[3]，见图1。近年来研究证实，无论在细胞核还是细胞质中，LncRNA在多个生物学过程中

发挥作用，如X染色体失活[4]、染色质重塑[2]、基因可变剪切[5]、mRNA稳定及降解[6]等。同时，LncRNA在调节肿瘤细胞生长[7]、分化[8]、凋亡及转移[9]等过程中发挥作用。此外，越来越多证据表明LncRNA参与肿瘤糖代谢的过程。

1 LncRNA在肿瘤糖代谢中的作用

1.1 NRCP 在卵巢癌组织中，Rupaimoole等[10]运用人类非编码RNA芯片技术发现一条表达上调的NRCP。在SKOV3和A2780卵巢癌细胞株中，干扰NRCP表达后，卵巢癌细胞凋亡明显增多，细胞增殖和肿瘤糖酵解明显减少。培养SKOV3细胞系构建原位卵巢癌小鼠模型，表达下调NRCP组卵巢癌肿瘤大小及转移率均低于对照组。进一步研究作用机制，发现NRCP作为连接信号转到与转录活化因子1和RNA聚合酶Ⅱ的中间分子，参与卵巢癌细胞糖酵解的调控。在癌细胞中沉默和过表达NRCP后，糖酵解途径中的关键分子如葡萄糖-6-磷酸异构酶、果糖二磷酸醛缩酶A和果糖二磷酸醛缩酶C的表达水平均受到影响。该研究提供了以RNA干扰为基础的治疗肿瘤的新思路。

1.2 癌易感性候选基因9（CASC9） CASC9是最初确认为食管鳞状细胞癌相关的长链非编码RNA，参与调节肿瘤细胞侵袭和转移。Su等[11]发现CASC9在鼻咽癌组织中高表达；稳定表达的CASC9能促进鼻咽癌细胞增殖；深入研究发现CASC9通过激活缺氧诱导因子1α来驱动糖酵解代谢重组，促进鼻咽癌细胞生长。该研究证实CASC9在鼻咽癌癌发生、发展中的重要性，强调CASC9可作为鼻咽癌诊断与治疗的潜在靶点。

1.3 INK4位点反义非编码RNA（ANRIL） 在家族性黑色素瘤患者中发现了ANRIL，随后又发现高表达的ANRIL作为高危因素存在多种恶性肿瘤中。在部分疾病中，ANRIL可作为调控糖脂代谢的关键分子。Zou等[12]发现鼻咽癌组织中ANRIL高表达，经Cox回归分析发现ANRIL表达是鼻咽癌独立预后因子。同时，功能缺失研究提示ANRIL促进了鼻咽癌细胞增殖和分化；改变肿瘤干细胞样侧群细胞在鼻咽癌细胞中所占比例。ANRIL通过增加葡萄糖转运体1和乳酸脱氢酶A的表达量，从而重组葡萄糖代谢来提供鼻咽癌细胞生长所需能量。

图 1 非编码 RNA类型（rRNA：核糖体 RNA；tRNA：转运体RNA；snRNA：核小 RNA；snoRNA：核仁小RNA；SncRNA：短链非编码RNA）

1.4 长链非编码RNA原癌基因抑制因子（LncRNAMIF） 在多数人类肿瘤中，原癌基因c-Myc被激活，并参与肿瘤发生、发展过程。Zhang等[13]在宫颈癌Hela细胞株中发现一条影响c-Myc表达的LncRNA，并命名为LncRNA-MIF。该研究组发现LncRNA-MIF作为竞争性内源RNA通过miRNA应答元件与miR-586相结合来影响miR-586对F框/WD-40域蛋白7的抑制作用，导致F框/WD-40域蛋白7上调来减少c-Myc表达。已知c-Myc可通过转录调控糖代谢通路相关靶基因，从而促进肿瘤细胞有氧糖酵解反应。上调LncRNA-MIF后，肿瘤细胞葡萄糖摄取和乳酸生成明显减少，表明LncRNA-MIF通过mi-586来影响肿瘤糖酵解。

1.5 前列腺癌基因表达标志物1（PCGEM1） PCGEM1异常表达与前列腺癌的发生、发展密切相关。PCGEM1可在转录水平上影响多条代谢途径：三羧酸循环、谷氨酰胺代谢和磷酸戊糖旁路等。Yang等[14]发现PCGEM1与雄激素受体密切相关，通过激活雄激素受体促进去势抵抗性前列腺癌快速进展，预示PCGEM1可作为治疗前列腺癌的潜在靶点。Hung等[15]首次报道了PCGEM1能与c-Myc相结合，并使其成为雄激素受体与c-Myc的共激活因子，从而调节前列腺癌细胞代谢重编程，包括促进有氧糖酵解中葡萄糖摄取，促进磷酸戊糖途径

中核苷酸和脂肪酸合成，促进氧化还原反应中还原型辅酶Ⅱ生成等。PCGEM1可在转录水平上影响多条糖代谢途径，包含三羧酸循环、谷氨酰胺代谢和磷酸戊糖旁路等。该研究组还观察到，PCGEM1直接与c-Myc的启动子相互作用，促进染色体对c-Myc招募，激活c-Myc的转录活性。

1.6 HOXB-AS3 Huang等[16]研究发现，长链非编码RNA HOXB-AS3在高转移性的结肠癌细胞株中低表达。根据HOXB-AS3能与核糖体结合的相关报道，该团队进一步证实HOXB-AS3可以编码一个由53个氨基酸构成的小分子多肽。在机制研究中，HOXB-AS3小分子多肽通过竞争性结合核不均一核糖核蛋白A1（hnRNP A1）中RNA结合结构域RGG盒内的精氨酸残基，最终阻断hnRNP A1对丙酮酸激酶的调控作用。在结肠癌细胞株中，HOXB-AS3小分子多肽可以抑制hnRNP A1对丙酮酸激酶的剪切加工，降低M2型丙酮酸激酶的活性，从而影响癌细胞中葡萄糖代谢重编程。

1.7 结肠癌相关转录因子2（CCAT2） 在结肠癌相关LncRNA研究中，Huppi等[17]发现2个来源于染色体8q24 区域的特异性 LncRNA，即 CCAT1、CCAT2，其中CCAT2包含了癌症风险相关的单核苷酸多态性。随后研究发现单核苷酸多态性影响CCAT2的表达，且风险等位基因G可以促进CCAT2转录本的增加[18]。Redis等[19]研究发现CCAT2通过等位基因特异性与剪切因子I复合物的2个亚基（剪切因子I 25、68）相结合。CCAT2与剪切因子I复合物相互作用后，选择性剪切调控谷氨酰胺酶，最终调节结肠癌细胞糖代谢。

2 LncRNA通过调控信号通路影响肿瘤细胞糖代谢

2.1 PI3K-AKT-mTOR信号通路 PI3K-AKT-mTOR信号转导途径是目前研究较为广泛的肿瘤细胞内信号通路，在肿瘤细胞演变过程中发挥重要作用。Lu等[20]研究发现，沉默HULC可干扰PI3K-AKT信号通路的激活，明显抑制慢性粒细胞白血病细胞的增殖能力。另有研究表明，激活的PI3K-AKT-mTOR信号通路与胃癌转移相关，提示患者预后及生存不良[21]。该信号通路也有效调节胃癌细胞的糖酵解过程。磷酸酰肌醇3-激酶转化为3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇，后者可与蛋白激酶B的PH结构域相结合，使蛋白激酶B磷酸化。活化的蛋白激酶B可直接增加葡萄糖转运体易位，同时促进己糖激酶2与线粒体外膜电压依赖性阴离子通道相结合，提高有氧糖酵解反应[22]。

蛋白激酶B靶向调控的下游信号分子中，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白是细胞生长、增殖及代谢等多条通路的中心环节。在膀胱癌细胞中，尿路上皮癌胚抗原1通过上调己糖激酶2蛋白的表达来促进肿瘤的有氧糖酵解[23]。深入机制研究发现，尿路上皮癌胚抗原1通过激活mTOR-STAT3信号通路来诱导己糖激酶2的mRNA转录；在转录后水平抑制miRNA-143对靶蛋白己糖激酶2的作用，提高己糖激酶2蛋白表达。

2.2 胰岛素信号通路 胰岛素可以促进肌肉、脂肪及他它胰岛素敏感组织对葡萄糖摄取和利用，从而降低血糖；可以抑制丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶等代谢关键酶以及减少糖异生的原料，从而抑制肝脏、肾脏糖异生。胰岛素与其受体相结合，激活胰岛素样生长因子1、胰岛素样生长因子2和胰岛素样生长因子2受体，参与细胞活化和血管生成[24]。然而，许多研究发现胰岛素信号与肿瘤密切相关[25]。当干扰胰岛素与胰岛素样生长因子受体结合，从而抑制胰岛素下游信号通路对肿瘤生长的调控[26]。胰岛素样生长因子2还可以通过激活PI3K-AKT信号通路诱导胃癌细胞上皮间充质转化，从而引起肿瘤转移[27]。

在肿瘤的糖代谢机制研究中，LncRNA与胰岛素信号通路的相互作用备受关注。LncRNA 91H通过下调胰岛素样生长因子2的表达，促进食管鳞状细胞癌的发生、发展[28]。反义胰岛素样生长因子2在非小细胞肺癌中首次被证实抗癌作用，发现与它胰岛素样生长因子2具有一定的相关性[29]。

Ellis等[30]首次报道在结肠癌中，结直肠肿瘤差别表达基因通过胰岛素-胰岛素样生长因子信号通路调节细胞新陈代谢。胰岛素、胰岛素样生长因子1和胰岛素样生长因子2与各自受体相结合，激活下游2条经典糖代谢信号通路PI3K-AKT和Raf-MAPK，从而调控结直肠肿瘤差别表达基因表达水平。该研究组发现一个结直肠肿瘤差别表达基因核转录本，其内含子4含有一个高度保守序列。干扰结直肠肿瘤差别表达基因后，葡萄糖代谢和脂肪酸合减弱，而脂肪酸合成增强。进一步研究表明，葡萄糖转运体4的表达随结直肠肿瘤差别表达基因下调而降低，导致细胞对葡萄糖的摄取量减少。结肠癌细胞因葡萄糖摄取受阻，伴有乳酸分泌也减少。以上结果可见，结直肠肿瘤差别表达基因表达缺失会影响胰岛素信号通路在结肠癌细胞糖脂代谢中的作用和调控。

2.3 低氧诱导因子信号通路 缺氧被认为是致癌的一个重要因素。在低氧诱导因子信号通路中，低氧诱导因子-1作为关键转录因子，感知并响应细胞氧量变化，从而帮助细胞在低氧微环境中生存[31]。低氧诱导因子-1通过激活葡萄糖转运蛋白和部分糖酵解关键酶，如己糖激酶、M2型丙酮酸激酶和乳酸脱氢酶A，直接促进肿瘤糖酵解反应。低氧诱导因子-1依赖的信号转导通路介导的肿瘤糖酵解增加，线粒体耗氧量减少，从而促进肿瘤细胞的生长。

有证据表明在肿瘤糖酵解过程中，LncRNA与低氧诱导因子信号通路起到重要作用。在肝癌细胞中，Takahashi等[32]研究发现低氧诱导因子信号通路参与肿瘤细胞的代谢及生长调控。在胃癌术后患者中，低氧诱导因子-1高表达伴有较低的无病生存率及总体生存率[33]。Huang等[34]发现浆细胞瘤变体易位1在肿瘤细胞中起到miRNA-186海绵作用，调节低氧诱导因子-1表达，间接促进胃癌细胞进程。另有研究表明，低氧应答lincRNA-p21（RNA-p21）对肿瘤糖酵解起到至关重要的作用[35]。低氧或低氧诱导因子-1诱导lincRNA-p21作用于希佩尔林道蛋白，通过干扰低氧诱导因子及希佩尔林道相互作用来减弱希佩尔林道介导的低氧诱导因子泛素化，最终使低氧诱导因子稳定存在。以上结果提示在低氧微环境下，低氧诱导因子与lincRNA-p21之间存在正反馈环路，促进肿瘤细胞糖酵解，见图2。

3 总结与展望

肿瘤细胞能量代谢异常是肿瘤特征之一[36]。LncRNA作为基因表达调控分子，对恶性肿瘤糖代谢相关酶和代谢信号通路进行有效调节。尽管部分LncRNA在肿瘤糖代谢中发挥重要作用，但相互作用关系及机制尚未阐明。LncRNA在肿瘤细胞糖代谢领域中的研究尚处于起步阶段，且未将糖代谢相关的LncRNA运用到临床治疗中。随着对LncRNA序列及结构的进一步研究，越来越多LncRNA被发现参与肿瘤细胞糖代谢调控网络；同时，LncRNA渐渐改变了医生对肿瘤病因的固有认识和基本治疗策略，希望在不断揭示LncRNA与肿瘤糖代谢之间的联系中，为肿瘤的诊断与综合治疗提供新的策略。

图2 LncRNA在有氧糖酵解中的信号通路（PI3K：磷脂酰肌醇-3激酶；AKT：蛋白激酶 B；HIF-1：缺氧诱导因子 -1）