外泌体来源的长链非编码 RNA 在癌症诊断及治疗中的研究进展

薛 婷,姜 义,史 莹,张颖超

(吉林大学第二医院 乳腺外科,吉林 长春130041)

外泌体是由脂质双层膜包裹的,含有蛋白质、多肽和核酸的纳米级细胞外囊泡。目前已经从外泌体中鉴定出4563余种蛋白质、194余种脂类、1639余种mRNA、764余种miRNA等非编码RNA (lncRNAs)以及mtDNA、ssDNA和dsDNA等[1,2]。外泌体含有的多种功能性核酸及蛋白质,在细胞物质转运和信息传递过程中发挥重要作用,影响着细胞的生长与分化。近年来研究表明,lncRNA了参与细胞增殖、分化、染色体重塑、表观遗传调控、转录和转录后修饰等多种生物学过程,也引起大家越来越多的关注。深入研究外泌体中lncRNA在肿瘤细胞中的作用机制,将为肿瘤的早期诊断、治疗和预后评估提供新思路。

1 外泌体lncRNA概述

外泌体是由细胞内的多泡体与质膜融合后产生的,大小约30-100 nm双膜微泡,密度约为1.15-1.19 g/mL。可以通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和低温电子显微镜等方式观察外泌体的形态、应用动态光散射和纳米粒子跟踪分析测量它们的大小和浓度。在细胞间隙、血浆、尿液和脑脊液等体液中都存在大量外泌体[3,4]。不同来源的外泌体含有不同的成分,但一般都含有蛋白质、脂类、核酸等物质。外泌体具有以下3个特点:(1)其特有的脂质双层膜结构能够保护这些重要的囊泡内容物,避免内容物被降解。(2)通过某些特定的机制,将这些外泌体的内含物靶向到特定细胞或组织部位,并传递生物信息。(3)肿瘤细胞来源的外泌体能够调节肿瘤细胞的增殖及凋亡,影响肿瘤的侵袭及转移。以上这些特征表明外泌体的检测日后作为癌症的非侵入性液体活检指标拥有巨大的潜力[5]。

lncRNA为长度大于200个核苷酸的RNA分子,根据互补碱基配对的原理,它们具有多种二级结构,可与多种蛋白质和核酸特异性结合[6]。研究表明,lncRNA以外泌体为载体,可以稳定地存在于血清血浆和其他体液中,且不受内源性RNA酶影响,母细胞中lncRNA的含量约为5%,而外泌体中的含量可达20%。lncRNA通过外泌体被靶向运送至受体细胞,并作为内源性lncRNA发挥其生物学作用,参与细胞生长、增殖和凋亡等多种生理过程。这种由外泌体介导的lncRNA通讯在细胞间的生物信息传递中有非常广泛的作用[7,8]。

2 外泌体lncRNA与癌症的诊断

外泌体作为细胞间运输载体、通讯的媒介,可以将生物分子信息传递给其他细胞,参与多种生物学行为,特别是有携带肿瘤遗传信息、调节肿瘤微环境、促进肿瘤血管生成等作用[9]。lncRNA通过外泌体转移途径有利于细胞内信息的远距离、精准输送。与细胞间接触或依靠细胞因子等进行信号传递的方式相比,大大提高了效率。外泌体利用自身携带的蛋白质、核酸等物质,与受体细胞相结合,引起细胞表型的改变,导致正常细胞向恶性表型的转化[10,11]。

Zhang等[12]通过收集宫颈癌患者和正常患者的宫颈阴道灌洗标本来提取外泌体。经超速离心分离得到外泌体并通过透射电镜观察证实结构的完整性。并对外泌体中的lncRNAs HOTAIR,MALAT1和MEG3进行定量分析。结果显示:HOTAIR,MALAT1和MEG3在宫颈癌患者中表达明显高于正常患者。分析结果表明:筛查患者的阴道灌洗液样本外泌体中的lncRNAs HOTAIR,MALAT1和MEG3具有成为宫颈癌早期检测和诊断的潜在生物标志物的价值。

3 外泌体中的lncRNA与癌症耐药

药物治疗是癌症治疗的重要手段,近年来化疗药物已广泛应用于临床工作中,但是仍存在部分肿瘤患者在化疗过程中产生耐药性。这种对化疗药物耐药性的产生,阻碍了化疗药物发挥其本身作用,导致临床化疗效果欠佳和肿瘤高复发率。其中,外泌体介导供体和受体细胞之间的信号和物质交换,可以反映活体的实时状态[13,14]。外泌体参与细胞间通讯,将物质信息从基质细胞转移到癌细胞,基质细胞和癌细胞利用旁分泌和近分泌信号启动化疗耐受性。并且由于外泌体体积小,更容易渗透到各种体液中,更加促进了耐药性的产生。

对吉非替尼等酪氨酸激酶抑制剂的耐药性已成为改善转移性晚期食管鳞癌患者临床预后的主要障碍(ESCC)。虽然长链非编码RNA (lncRNAs)可以调控细胞行为,但外泌体中的lncRNA的究竟如何发挥了产生耐药的作用在很大程度上是未知的。因此Li等[15],研究了外泌体包裹的lncRNA在食管鳞状细胞癌耐药形成过程中的作用。采用lncRNA微阵列法和rt-qPCR等方法检测lncRNA PART1在耐吉非替尼细胞系和正常细胞系中的表达差异。结果表明,耐吉非替尼细胞系中外泌体的lncRNA PART1表达上调,并且在下调lncRNA PART1的表达水平后能够有效促进吉非替尼诱导的细胞死亡,其机制可能是lncRNA PART1可以升高PART1的水平,PART1竞争性结合miR-129,促进了Bcl-2在食管鳞状细胞癌细胞中的表达,对吉非替尼的产生耐药性。研究外泌体中lncRNA的分布情况,有望使癌症的治疗反应变为可视化的信息,直观的反应出治疗效果。

4 外泌体中的lncRNA与癌症预后

在过去的几年里,大量的研究表明lncRNAs在肿瘤进展中起着重要的作用。外泌体来源的lncRNAs通过传递各种物质信息来影响肿瘤细胞的生长、增殖、转移、能量代谢等多种过程。肿瘤细胞会释放外泌体,其中的lncRNA可以通过介导染色质重塑、组蛋白修饰、X染色体失活、基因组印迹、转录、剪接、翻译、降解和转运等多种途径,在表观遗传水平、转录水平和转录后水平等多个层面上调控基因的表达,从而影响细胞分化、生长、新陈代谢以及肿瘤进展等多个过程[16-18]。

Wang等[19]采用体外快速纯化法从膀胱癌患者血清中分离出外泌体,并通过透射电镜和纳米颗粒跟踪分析鉴定外泌体。通过rt-qPCR检方法测血清中H19的表达。结果表明,血清外泌体中lncRNA H19与配对膀胱癌组织中H19的表达呈正相关,且血清外泌体中lncRNA H19在膀胱癌患者中的表达水平明显高于健康人或良性疾病患者。表明体液中的外泌体是一种高度稳定的疾病生物标志物来源。Kaplan-Meier生存曲线显示,膀胱癌患者血清外泌体H19水平越高,生存率越低,提示外泌体中lncRNA H19的具有预测癌症预后的价值。

外泌体途径是细胞间信息交换的一种新途径,在肿瘤细胞的发育过程中发挥着重要作用。lncRNA编码的内容虽不被翻译成蛋白质,但这些RNA可调控基因的表达,导致转录物降解或抑制蛋白质翻译,参与表观遗传特征的修饰,有调节蛋白质复合物稳定性和细胞周期等作用。外泌体中的lncRNA稳定存在不被降解,同时又可以促进遗传物质的交流和交换,对细胞生物学行为产生重要影响[20-22]。

由于肿瘤具有异质性,筛选出特异性的生物学指标将会对癌症的诊疗方面具有十分有价值的指导意义。目前临床上的大部分研究仍是从肿瘤组织中检测lncRNA的表达,这种方法具有创伤性,并且无法实现肿瘤早期诊断和复发监测的微创化。而通过检测体液外泌体中的lncRNA可作为癌症患者的非侵入诊断和监测指标,简化了诊疗的步骤,并提高了效率。这种方式为癌症的早期诊断、术后复发和定期复查监测开辟了新思路。