长链非编码RNA与相关信号通路的研究进展

邵子益，薛琳琳，计 红*，邵百卉，詹雪龙，牛春阳，郭景茹，李士泽，杨焕民

(1.黑龙江八一农垦大学 动物科技学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江职业学院，黑龙江 双城 150111)

长链非编码RNA(long non-coding RNA，lncRNA)作为一种具有200个以上核苷酸的非编码转录物，其首次由OKAZAKI等[1]于2002年在小鼠全长cDNA文库大规模测序中描述，其种类繁多，占哺乳动物基因组的80%[2]，但功能明确者甚少，曾被认为是基因组中的暗物质。而在2007 年，RINN等[3]报道了 1 条长 2 200 bp 的功能性lncRNA 基因(HOTAIR)，并发现 HOTAIR RNA 可与蛋白复合体 polycomb 相互作用，修饰染色质，抑制HOX 基因的转录，进而调节生物体的生长发育。由于新一代高通量基因测序技术的发展与应用，近年来lncRNA受到越来越多研究者的广泛关注，并提供了丰富的试验依据。目前认为，lncRNA可涉及转录调控、细胞内物质运输和染色体重塑等重要的生物学功能，并参与细胞分化、生长发育、应激反应和疾病发生发展等多种生物学进程[4]。

尽管lncRNA在各种细胞过程中已经成为一种关键的调控因子，但其在激酶信号转导中的潜在参与仍然未知[5]。lncRNA表达的失调可能导致体内稳态丧失，并与包括癌症在内的多种疾病有关。lncRNA不仅能参与X染色体失活、端粒生物学、染色体修饰以及基因组印记等多种生物学活性的调控，而且与人类各种疾病的发生发展相关。此外，大量的资料显示其参与了哺乳动物许多重要生理、病理过程，并起到了至关重要的生物学作用[6]。有研究显示，lncRNA是一种重要的信号通路调节因子，在转录时、转录后以及表观遗传学水平上调节如P53、NF-κB和MAPK等信号通路的基因表达。现对lncRNA与相关信号通路的生物学功能研究进展进行综述。

1 lncRNA对基因表达的调控

lncRNA介导的基因调控机制多种多样，这可能归因于其与DNA、RNA或蛋白质相互作用的能力有关。例如，lncRNAs可作为促进转录的信号、抑制转录的诱饵以及表观遗传调节因子，最后还可以与各种蛋白质伙伴相互作用而形成核糖核蛋白复合物的支架[7-9]。根据基因表达水平，lncRNA介导的基因表达可能在转录水平和转录后水平发生。

1.1 转录水平调控在转录时，lncRNA能够受转录复合物或DNA元件(如参与转录的启动子)的影响并与其相互作用，从而直接参与转录过程。lncRNA通过招募染色质修饰酶而间接地参与染色质结构的调节过程，并导致了大量基因的表达或抑制。例如：根据靶蛋白的性质，DNA结合蛋白通过与lncRNA的相互作用可以阻止蛋白质与DNA识别元件的结合从而诱导或抑制转录过程。KINO等[10]研究表明，GAS5通过占据糖皮质激素受体的DNA结合域并与DNA上的糖皮质激素反应元件竞争，而阻止糖皮质激素受体进入靶DNA。

此外，MELLER等[11]报道，lncRNA可以招募染色质修饰酶，从而影响其表观遗传学水平的表达。其中一个显著的例子就是HOTAIR，它通过与多克隆抑制复合物2(polycomb repressive complex 2，PRC2)的相互作用对癌症转移方面起着关键作用[12]。由于受到HOTAIR的影响，组蛋白(H3K27)的甲基化模式与基因表达会发生改变，进而促进了肿瘤细胞的侵袭。此外，HOTAIR被抑制后可以导致细胞入侵的减少。这主要是因为HOTAIR作为组蛋白修饰酶的支架而影响了特定基因的表达[13]。

1.2 转录后水平调控转录后调控主要涉及mRNA的稳定性、蛋白质稳定性、亚细胞定位和翻译调控等过程。以c-Myc为例，mRNA的转化是转录后调控的一种主要机制，部分通过3′-非翻译区(3′-UTR)中的AU富集元件和ARE结合因子(如AUF1)进行的结合，因为AUF1的结合与靶基因的mRNA稳定性有关[14]。为了验证这一观点，HUANG等[15]的研究表明，Linc-RoR与异质核核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein，hnRNP)和AUF1的相互作用影响了c-Myc的稳定性。因此，Linc-RoR参与了如c-Myc等特定基因的mRNA稳定性的选择性调控。

而lncRNA介导基因表达的另一种机制是翻译调控。YOON等[16]研究显示，lincRNA-p21作为JunB和β-catenin翻译的抑制剂，具有强烈的依赖性。mRNA-UTRs通常作为翻译控制的调节因子。例如，反义lncRNA(UCHL1)通过增强5′重叠感觉蛋白编码mRNA与活性多聚体的相互作用促进UCHL1蛋白的合成[17]。HALABY等[18]研究显示，p53的翻译是可以通过其5′或3′UTR进行调控。除此之外，ZHANG等[19]发现，Linc-RoR能够通过与磷酸化的hnRNP I相互作用来抑制p53翻译，并阻断其与p53 5′-UTR的相互作用。

2 lncRNA与相关信号通路的研究进展

2.1 lncRNA与NF-κB信号通路NF-κB 作为一种蛋白质复合物，是由 p50、p65和IκB 组成的异源三聚体，可以控制转录的DNA、细胞存活和细胞因子的产生。NF-κB可以在所有动物细胞类型中存在并参与细胞对刺激的反应和介导多种生物学过程。NF-κB在调节免疫反应、炎症反应以及肿瘤的发生发展中均具有不可或缺的作用。NF-κB调节参与许多过程的基因表达，这些过程在癌症的发生和发展中起着关键作用，如增殖、迁移和凋亡等[20]。

lncRNA可以直接或间接地调控多种NF-κB途径。lncRNA-Lethe是第一个被鉴定参与调节NF-κB信号通路的lncRNA。RAPICAVOLI等[21]研究结果显示，Lethe在调节NF-κB通路中起积极作用，并通过典型的负反馈机制参与炎症反应。活化的NF-κB促进了Lethe的表达，并通过与RelA相互作用直接抑制了该途径，从而减少了各种炎症蛋白的产生[21]。核转录因子NF-κB相互作用lncRNA(NKILA)是通过分析人类乳腺癌组织中的大量lncRNA所发觉的，其通过与NF-κB信号通路作用来抑制乳腺癌的转移。NF-κB与NKILA的负反馈在防止炎症刺激的乳腺上皮细胞中NF-κB通路的过度活化起着关键作用。NKILA的表达是受NF-κB通过与NKILA的启动子结合所影响而上调的，而大量的NKILA可以与NF-κB、IκB结合形成稳固的复合物，为了防止IκB降解需要通过抑制IκB磷酸化所达成，从而抑制了NF-κB途径的传导[22]。而位于细胞核内与lncRNA p50相关的COX-2外源RNA(PACER)，则可以直接与游离的p50结合，进而抑制同源二聚体的形成，促进异源二聚体的形成，提升转录增强效应，并提高COX-2的表达水平[23]。

此外，还有一些lncRNA作为下游的效应因子来间接地调节该信号通路。据报道，HOTAIR在卵巢癌中的异常表达通过抑制DNA损伤反应中的IκB-α来诱导NF-κB活化。它还可以增加NF-κB的关键靶基因MMP-9和IL-6的表达，并在DNA损伤反应，细胞衰老和化学疗法抗药性中发挥重要作用[24]。ZHANG等[25]研究结果显示，HOTAIR在类风湿关节炎(RA)中是通过提高增殖速率和抑制炎症反应所表现保护作用，这可能与miR-138的表达和NF-κB信号通路的调节呈相关性。MALAT1可以通过与p65-p50异源二聚体相互作用来抑制下游TNF/IL-6的表达。生物信息学分析表明，MALAT1在上皮-间充质转化过程中影响NF-κB/RelA的活性。lncRNA功能性基因间重复RNA元件(FIRRE)与OGD/R损伤相关。基于分子生物技术，证明了FIRRE可以激活NF-κB信号通路。此外，NF-κB的活化对经OGD/R处理的脑小胶质细胞中FIRRE的表达产生促进作用。因此，FIRRE和NF-κB形成一个正反馈环，以促进NLRP3炎性小体，从而促进了脑小胶质细胞的OGD/R损伤[26-27]。

2.2 lncRNA与P53信号通路在正常细胞中，肿瘤抑制因子p53能够保持在无法检测到的低水平状态。响应激活信号(例如DNA损伤)而稳定的蛋白质会导致p53水平快速升高，并随后抑制细胞生长[28]。而在这其中，lncRNA在p53调控途径中也起到了非常重要的作用。

SCHMITT等[29]证明，DNA损伤受p53介导的影响下使lncRNA-DINO的转录发生激活。lncRNA-DINO通过参与p53依赖的基因表达、细胞周期停滞和细胞凋亡以响应DNA损伤。在没有DNA损伤的情况下，DINO的过表达可以有效地激活DNA损伤反应途径和细胞周期停滞。相反，当抑制DINO的表达时，细胞对p53信号的反应则减弱。DINO与p53蛋白的相互作用，增加其稳定性并介导p53自动扩增环。通过敲除小鼠体内的DINO基因或灭活启动子可抑制p53信号传导，并缓解体内急性放射综合征。反馈环是经可诱导的lncRNA通过其同源转录因子所产生的，其作用是使细胞信号网络得以放大。lncRNA能够调节p53，并影响细胞周期进程。而p53的降解则是MDM2通过泛素-蛋白酶体途径发生的。在翻译水平上，MDM2与异质核核糖核蛋白Ⅰ(hnRNPⅠ)的相互作用使p53的活性直接受到抑制。lncRNA-ROR携带一个hnRNPⅠ结合结构域，该结构域作用于p53 mRNA的5′-非翻译区以抑制p53的翻译，从而抑制p53介导的细胞周期停滞和凋亡。阿霉素治疗后p53的诱导增加ROR的表达水平，p53的异位表达诱导ROR的产生，从而导致ROR-p53的自主调控反馈回路[30]。

某些天然反义转录物是重要的lncRNAs，可与互补RNA配对形成反义双链RNA，其能够引起靶mRNA的降解或翻译抑制。例如，lncRNA-Wrap53是p53的天然反义转录物。高度保守的Wrap53可调节内源性p53 mRNA水平，并通过靶向p53 mRNA的5′-非翻译区进一步诱导p53蛋白表达[31]。DNA损伤活化P21相关非编码RNA(p21-associated lncRNA DNA-damage activated，PANDA)是一种位于CDKN1A-TSS基因上游约5 kB处的lncRNA，由特异性DNA损伤诱导。PANDA也是一种p53相关的调节性lncRNA，参与细胞周期进展和凋亡[32]。lncRNA的异位表达与许多疾病过程有关，不过其潜在的分子机制尚不完全清楚。

2.3 lncRNA与NOTCH信号通路Notch信号通路对细胞的分化、凋亡或增殖等各种影响高度依赖于信号强度和细胞环境，在许多组织和细胞类型的正常发育中起关键作用。由于在分化、存活或增殖调控中的扰动是恶性转化的基础，因此Notch信号可能以几种不同方式促进癌症的发展[33]。其中，lncRNA对Notch相关分子的功能和基因表达有较强的影响，可影响肿瘤等疾病的易感性，可作为潜在的生物标志物和治疗靶点[34]。

T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL)是未成熟T细胞中的一种侵袭性肿瘤。在T-ALL 中，lncRNA-LUNAR1的上调表达可以通过NOTCH通路的活化来增加，并通过顺势激活(cis)的方式维持高表达水平的胰岛素样生长因子受体1(insulin-like growth factor 1，IGF1R)，从而使细胞增殖加快。因此IGF1R是Notch1的靶点，Notch1信号转导是维持T-ALL细胞IGF1R高水平表达的必要条件[35]。TRIMARCHI等[36]认为，由于Notch调控的lncRNA-LUNAR1具有增强IGF1R的能力，因此它们需要在体内和体外进行有效的T-ALL增殖，从而证实lncRNA是Notch信号传导途径的重要下游靶标，另外它们是T-ALL中致癌状态的关键调节剂。

除此之外，在T-ALL中，NALT表达的增加显着促进了细胞增殖。当T-ALL发病后，lncRNA-NALT会受到NOTCH通路的影响，其表达水平也是明显升高的，并随后通过转录激活的方式显著促进细胞恶性增殖[37]。活化的Notch1能够诱导特定的神经胶质瘤细胞系中的lncRNA-TUG1发生表达，在胶质瘤干细胞内促进干细胞的自我更新，提示NOTCH信号通路参与干细胞干性维持的调控作用。在细胞质中，miR-145经TUG1诱变后能够对细胞自我更新产生促进作用。在细胞核中，TUG1通过募集多梳状复合物与YY1结合，从而允许位点特异性H3K27组蛋白甲基化，从而抑制基因突变。此外，将TSG1与反义寡核苷酸静脉内给药可在体内诱导神经胶质瘤干细胞系的分化，并有效抑制其增殖[38]。

2.4 lncRNA与MAPK信号通路细胞增殖分化、转化和凋亡等过程均能被MAPK信号通路所调控。MAPK途径与包括炎症和肿瘤在内的各种疾病的发生均相关。MAPK信号传导主要包括4个途径：ERK、JNK/SAPK、P38和ERK5/BMK1。这些途径可以被不同的刺激激活，并且这些途径之间存在广泛的串扰，导致它们之间的相互协同或抑制。作为重要的调控基因，许多lncRNA已经被证实可以调控MAPK通路[39]。

WANG等[40]研究结果表明，miR-181a受SNHG12沉默而上调来抑制MAPK1和MAP2K1的表达，从而通过降低磷酸化的MAPK1(p-MAPK1)、磷酸化的MAP2K1(p-MAP2K1)和Slug水平来抑制MAPK/Slug途径。KONG等[41]认为，lncRNA-XIST通过microRNA发挥作用来影响途径的激活。XIST通过靶向miR-194-5p样ceRNA并降低其表达来调节MAPK1。沉默的XIST抑制肝癌细胞的增殖并降低其侵袭性。

单独的肺腺癌转录本1(MALAT1)的过表达显着增加了p38/MAPK和NF-κB的水平。据报道，MALAT1通过激活p38/MAPK/NF-κB介导心力衰竭的发展和炎症反应。此外，在败血症的炎症反应中，p38/MAPK/NF-κB可能在MALAT1信号的下游[42]。也有研究显示，H19过度表达可导致p38和p65的升高，MAPK和NF-κB信号通路的关键因素分别是p38和p65，提示lncRNA H19可激活HUVEC和VSMC中的MAPK和NF-κB信号通路，说明lncRNA H19具有促进血管平滑肌细胞迁移的作用。MAPK和NF-κB信号通路均参与动脉粥样硬化的调节[43]。

3 总结与展望

到目前为止，lncRNA 与相关信号通路的生物学功能研究提高了我们对细胞生物学调控网络的理解，尤其是在肿瘤方面。然而在许多类型的癌症和慢性疾病中，lncRNA的差异表达已经揭示了lncRNA相互作用的复杂分子机制。尽管lncRNA目前作为治疗癌症的潜在靶标处于研究的早期阶段，但某些小分子lncRNA已作为靶向药物进入临床试验。预计在不久的将来会有更多与各种信号通路相关的lncRNA被识别出来。预期lncRNA的靶向治疗将会在临床上的应用变得广泛，改善生活质量并延长患者的生存期。因此，lncRNA可以更好地被研究，并有助于癌症和其他疾病的诊断、治疗和预后。