长链非编码RNA在白内障中的研究进展

刘 敏,刘 鑫,云 睿,王陆飞

(吉林大学第二院 眼科，吉林 长春130041)

在人类基因组中，编码蛋白质的序列仅占2%[1]，绝大部分的DNA不具备编码功能，这些DNA转录后形成的产物即为非编码RNA(Non-coding RNA,ncRNA)。起初发现时，受研究条件的限制，ncRNA长期被认为是RNA聚合酶Ⅱ转录的副产物，被称作无生物学功能的转录噪音或基因组中的 “暗物质”。ncRNA按照功能可分为管家RNA和调控RNA,前者包括tRNA和rRNA,调控RNA根据转录本长度又可分为微小RNA (microRNA，miRNA)、长链非编码RNA、内含子RNA和环状RNA等[2,3]。其中，lncRNA是指长度大于200个核苷酸的非编码RNA，lncRNA在结构上类似于mRNA(messenger RNA,mRNA) ，经过剪接，具有polyA尾巴与启动子结构，但序列中不存在开放阅读框，因而不编码蛋白质或编码功能有限[4,5]。根据染色体上转录基因组和蛋白质编码基因的相对位置，可将lncRNA分为7种亚型，即反义型(antisense lncRNA)、基因内型(intronic lncRNA)、双向型(bidirectional lncRNA)、基因间型(intergenic lncRNA)、正义型(sense lncRNA)、增强子型(enhancer lncRNA) 和环状型(circRNA)[6]。随着微阵列和二代测序等敏感且高通量基因组技术的出现，人们对lncRNA的结构和功能有了新的认识[7]。研究发现，lncRNA参与表观遗传学、转录及转录后水平的基因表达调控，进而影响细胞的增殖、凋亡、活性、免疫应答及氧化应激等生命活动[8,9]。已有研究表明，lncRNA正成为疾病的治疗靶点或生物标志物且迅速发展起来[10-12]。

白内障是全球范围内居首位的致盲性眼病。是一种因晶状体混浊而导致视力下降或视功能损伤的疾病，是晶状体异常所致的主要疾病[13]。年龄相关性白内障(age-related cataract,ARC)，糖尿病性白内障(diabetes cataract,DC)和后发性白内障(posterior capsule opacification,PCO)是较常见的白内障类型。ARC的形成与晶状体老化、氧化、Ca2+失衡及晶状体蛋白的修饰密切相关[14]。DC发病机制可能是高血糖引起多元醇通路中的醛糖还原酶 (aldose reductase,AR)激活，进而引起晶状体上皮细胞(lens epithelium cells,LECs)内高渗透梯度，致使晶状体皮质纤维水肿、崩解、退化以及晶状体蛋白合成功能受损,最终形成白内障[15]。PCO是由白内障摘除术后，前囊和赤道部残留的LECs增殖、迁移至后囊膜并且分泌胶原和基底膜样物质引起晶状体后囊膜浑浊[16]。另外，LECs的凋亡是导致非先天性白内障发生的重要原因。目前临床上普遍采用的治疗方法是晶体摘除及人工晶体植入术，尽管手术可以使大多数患者的视力恢复到较好的状态，但毕竟存在手术风险及术后并发症，因此，研究者们始终致力于对白内障发病机制和预防方法的探索。近年来，越来越多的研究表明，lncRNA在白内障的发病过程中发挥重要的调控作用，与LECs的增殖、迁移、分化、凋亡以及晶体蛋白的修饰密切相关，为寻找预防白内障的方法提供了新的策略。

1 lncRNA在年龄相关性白内障中的作用

ARC是最常见的白内障类型。白内障发病过程中会发生许多形态和功能的改变，包括蛋白质水解增多、细胞周期的改变、DNA损伤以及LECs生长和分化的改变[17]。

1.1 lncRNA-miRNA轴调节晶状体细胞的功能和凋亡影响白内障的进程

lncRNA H19是一种分子量为2.3 kb的lncRNA,位于人类染色体端粒区11p15.5。miR-675是由lncRNA H19加工修饰形成，其表达受lncRNA H19的正向调控，H19和miR-675协同调控LECs的功能[18]。 Liu等[19]通过lncRNA测序技术发现在透明和核性白内障晶状体中有63个lncRNA差异表达，包括37个下调的lncRNA和26个上调的lncRNA。其中，lncRNA H19在核性白内障晶状体中表达量最高，这一结果促使他们进一步研究lncRNA H19在核性白内障发病机制中的潜在作用。他们发现下调lncRNA H19的表达水平后，LECs的细胞活力降低、迁移数量减少、凋亡加速。此外，α晶体蛋白(αA-crystallin,CRYAA)是miR-675-5p的作用靶点，即miR-675-5p的表达水平受lncRNA H19的调控，同时也调控CRYAA的表达，从而参与LECs的凋亡、增殖和迁移过程。通过以上实验表明lncRNA H19可通过miR-675介导的CRYAA的表达调控LECs凋亡、增殖和迁移，在白内障的发生发展过程中发挥作用。

牛磺酸上调基因1(long non-coding RNA taurine upregulated gene 1,lncRNA TUG1)是一种分子量为7.1 kb的lncRNA,位于人类染色体22q12.2上，最初在牛磺酸处理过的视网膜中被发现上调[20]。lncRNA TUG1和视网膜的发育密切相关，敲除TUG1后，视网膜上发育中的棒状光感受器在向外核层迁移、锥体特异性标记物的异位表达、细胞凋亡增加等方面都会表现出缺陷[21]。Li[22]等在紫外线照射的LECs模型以及白内障术中获得的晶状体前囊膜中发现，LECs中的lncRNA TUG1表达上调， miR-421的表达量则明显降低，进一步的研究表明lncRNA TUG1可通过miR-421/caspase-3轴调控晶状体蛋白的表达以及LECs的凋亡，LECs的凋亡是白内障发生发展的早期病变。

细胞焦亡是由炎性小体触发的一种促炎细胞死亡形式，炎性小体是一种多蛋白复合物，聚集在细胞溶胶中激活半胱天冬氨酸酶1(caspase-1)[23]。Jin等[23]的研究发现lncRNA重叠转录物1(KCNQ1 overlapping transcritp 1,KCNQ1OT1)可能作为内源性miRNA海绵结合miR-214并调控其功能。另外，caspase-1是miR-214的下游靶点，其表达受miR-214的调控。综上，lncRNA KCNQ1OT1可能通过miR-214/caspase-1轴促进LECs的细胞焦亡，进而参与白内障的发生发展过程。

1.2 lncRNA-miRNA-蛋白激酶形成反馈回路来调节LECs功能和凋亡影响白内障进程

心肌梗死相关转录物(myocardial infarc-tion associated transcript,MIAT)是一种lncRNA,最初认为和心肌梗死有关[24]，近期的研究表明，lncRNA MIAT参内皮细胞功能的调控以及糖尿病微血管功能障碍[25]。有关白内障发生机制的研究发现，lncRNA MIAT在白内障患者的全血和房水中表达上调具有特异性，提示其可能是白内障的特异性生物标志物；同时其表达水平的升高有可能成为抗氧化应激的补偿反应[26]。竞争性内源性RNA (Competing endogenous RNA,ceRNA)是许多疾病(包括癌症)的驱动因素，又称miRNA诱饵或miRNA海绵，通过与miRNA识别元件碱基配对，与RNA转录本竞争结合miRNA，从而降低靶向mRNA可用的miRNA数量。ceRNA包含不同种类的RNA：mRNA、lncRNA 、伪基因或环状RNA，它们相互竞争与共享的miRNA结合而相互作用和共同调控[27-32]。研究表明lncRNA MIAT是一种ceRNA,可作为miRNA-150-5p的海绵调控其和靶基因的有效结合，miRNA-150-5p也可直接控制LECs中lncRNA MIAT的表达水平。此外，研究发现AKT作为miRNA -150-5p的作用靶点，其表达受miRNA -150-5p的调控[26]。他们还发现lncRNA MIAT下调降低LECs的增殖和生存能力，而外源性AKT激活剂可逆转lncRNA MIAT的作用，表明lncRNA MIAT、AKT串扰参与LECs功能调控。综上表明，lncRNA MIAT、miRNA-150-5p和AKT形成反馈回路调控LECs的功能，进而调控白内障的发病过程。

2 lncRNA 在糖尿病性白内障中的作用

肺腺癌转移相关记录1(metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1)是一种高度保守的lncRNA，在高糖处理的晶状体细胞系RF/6A和糖尿病患者房水样品中均显著上调[33]。Gong[34]等的研究发现lncRNA MALAT1和SP1在DC前晶状体囊膜组织和高糖处理过的LECs中表达上调，且高糖可通过SP1结合lncRNA MALAT1启动子区域诱导MALAT1上调，高糖处理可增强凋亡相关蛋白的表达，使SRA01/04细胞活力降低，也可诱导氧化应激，还可使P38的表达显著升高。而下调lncRNA MALAT1的表达，可逆转高糖引起的效应，证实了lncRNA MALAT1在LECs的凋亡和氧化应激中发挥作用。此外，lncRNA MALAT1可通过激活P38/MAPK通路促进LECs的凋亡和氧化应激，lncRNA MALAT1可能成为DC的潜在的治疗靶点。

Hauser等[35]通过以H2O2诱导LECs氧化应激，发现H2O2的浓度升高会下调lncRNA LOXL1-AS1表达，表明lncRNA LOXL1-AS1可能在LECs的氧化应激中也发挥了关键作用。

3 lncRNA在后发性白内障中的作用

lncRNA可以通过TGF过NA障中MAD通路调控LECs增殖和EMT

白内障术后后囊膜浑浊又称为PCO，是白内障囊外摘除术后最常见的并发症[36]，其发病率为成人30%- 50%，儿童为100%，给全世界的患者带来了沉重的负担，也引起了外科医生的关注[37]。PCO的主要原因是晶状体上皮细胞的增殖、迁移以及上皮-间质转化(epithelial-to-mesenchymaltransition,EMT)[38]。EMT是一种生物学过程，即极化的上皮细胞发生多种生化变化，迁移能力增强、侵袭性增强、抗凋亡能力增强而具有了间充质细胞的表型[39]。已有研究表明转化生长因子(transforming growth factorite>

HOX转录反义RNA(HOX transcript antisense RNA,HOTAIR) 是一种具有反式作用的lncRNA,定位于人类染色体12q13.13的HOXC家族中，以反式转录方式调控基因的表达[41]。相关研究证实TGF-β2在SRA01/04细胞中可以引起EMT。同时，TGF可上调SRA01/04细胞的lncRNA HOTAIR表达以及增加磷酸化和非磷酸化蛋白(Smad2和Smad3)的水平，HOTAIR的下调可使TGF引起的间质化结果得到扭转。表明lncRNA HOTAIR可以通过TGF-HOTAIR通路调节EMT[9]。此外，Zhang等[42]也以TGF)IN诱导LECs发生EMT,构建白内障细胞模型。发现上调的lncRNA325个，下调的lncRNA450个，说明了下调的lncRNA 比上调的lncRNA更为常见。而后，他们对差异表达的lncRNA进行了靶预测，发现565个lncRNA具有cis靶基因，213个lncRNA具有trans基因。他们选取了前4位的lncRNA(上调的lnc-PMEPA1-2∶1 ，ENST00000597865和下调的 NR-033931,ENST00000582120)进行分析，发现他们可以通过相关通路调控EMT的进程，表明lncRNA在后囊膜浑浊的形成中发挥潜在作用，为白内障的研究和防治提供了新思路。

Chen[43]等以TGF-β诱导SRA01/04细胞构建PCO细胞模型，经检测发现lncRNA KCNQ1OT1以及SMAD4在PCO患者晶体后囊膜组织样本和白内障模型中表达上调，且经分析lncRNA KCNQ1OT1和SMAD4呈正相关。下调lncRNA KCNQ1OT1的表达，可显著降低细胞的增殖能力，逆转TGF-β诱导引起的EMT、纤连蛋白的增加以及钙黏蛋白的降低等效应。另外，上调和下调lncRNA KCNQ1OT1可分别上调和下调SMAD4的表达，表明lncRNA KCNQ1OT1通过SMAD4信号通路调控SRA01/04细胞的增殖和EMT。

4 lncRNA参与晶状体的发育过程中的作用

晶状体由LECs和晶状体纤维细胞组成，在晶状体发育过程中，赤道部LECs不断向晶状体内延伸，细胞器逐渐降解分化为纤维细胞，从而维持晶状体的透光性，实现晶状体的光反射和光调节功能[44]。晶状体发育过程的异常，也将导致白内障的发生。

Chen[45]等通过对新生和正常8周龄小鼠的6种组织(即角膜、晶状体、视网膜、RPE、脉络膜和巩膜)的研究和分析，表明lncRNA的表达在小鼠新生至成熟的过程中发生明显的变化，并且具有明显的组织特异性。另外，还研究了NONCODE网站上列出的人和小鼠lnc转录本之间的同源性，在19,315个lncRNA中，只有651个lncRNA与人类lncRNA保守，说明了这些lncRNA在促进人类眼的发育方面可能具有重要作用。Hoang等[46]通过对新生小鼠LECs和纤维细胞进行高通量测序，发现86个lncRNA差异表达，另外根据基因本体论分析显示，LECs上调的基因在细胞外基质生成、细胞分裂、迁移、蛋白激酶活性、生长因子结合、钙离子结合等方面均得到富集。在纤维细胞中上调的基因被富集成蛋白体复合物、展开蛋白反应、磷酸酶活性和泛素结合。同时，也强调了几个重要信号通路比如晶状体结构成分、细胞器丢失和去核等所涉及的差异表达基因，为晶状体发育和晶状体纤维分化提供了见解。

细胞自噬是指发生在真核细胞内一系列保守的内稳态过程，它通过形成自噬体或蛋白酶体，将细胞内受损的蛋白质及其细胞器进行吞噬、降解，必要时再循环产生必须的蛋白质原料，从而保证细胞在不利的条件下获得生存优势[47]。在晶状体的发育过程中，初级的晶状体纤维细胞分化成熟，通过使细胞核、线粒体、内质网、高尔基体等膜性细胞器退化降解来形成无细胞器区，来达到光学的透光性[48],自噬成为晶状体细胞器降解过程中必不可少的一环，自噬功能的异常，将影响晶状体的透明性，进而发展为先天性白内障。Qiu等[49]的研究发现在体外晶状体诱导分化过程中，lncRNA ALB在分化晶状体中高度表达，其表达模式与在人类胚胎晶状体中的表达模式一致。研究证实lncRNA ALB的下调可以降低LECs的自噬活性，表明lncRNA ALB在晶状体发育过程中对细胞器的降解具有潜在作用。