长链非编码RNA H19在细胞衰老和衰老相关疾病中的研究进展*

严君萍 杨琪琳 曹贵媛 祝宁侠

桂林医学院基础医学院,广西桂林市 541199

衰老是对人类健康最严重的威胁之一,被认为是引发所有慢性疾病最重要的风险因素。作为机体衰老的标志,细胞衰老成为研究者探索衰老相关疾病机制及治疗的热点。细胞衰老是细胞内外过度应激或损伤引起的一种不可逆的细胞周期阻滞形式,与多种肿瘤和心血管疾病的发生密切相关[1]。长链非编码RNAs(long non-coding RNAs,lncRNAs)是一类长度>200个核苷酸,无蛋白质编码潜能的调控型RNA,在衰老介导的病理过程如代谢失衡、神经退行性变和肿瘤中发挥重要作用[2]。其中,lncRNA H19是最早被鉴定的印记基因之一,已有证据表明lncRNA H19通过影响细胞周期和衰老相关分泌表型等方式抑制细胞衰老。本文旨在对lncRNAH19在衰老及相关疾病中的研究进展进行综述,以期为衰老机制和干预措施的探讨提供思路,阻止或延缓衰老相关疾病发生。

1 细胞衰老特征和分类

衰老是机体对于外界环境刺激适应和调配的过程,并随着时间的推移,出现机体功能状况下降和死亡风险增加。作为机体衰老驱动因素之一,细胞衰老为未转化细胞增殖的永久性停滞,呈现形态、分泌和分子方面的独有特征,如细胞形态、衰老相关生物标志物、基因和蛋白表达模式等发生改变。

1.1 细胞衰老特征 细胞周期停滞是细胞衰老的重要特征之一。研究表明,细胞发生衰老,形态将变扁平、体积增大,偶见细胞核增多;细胞内脂褐素堆积,溶酶体增多及与之相关的β-半乳糖苷酶(SA-β-GAL)活性增加;染色质出现包括端粒缩短、衰老相关异染色质簇集(Senescence associated heterochromatic foci,SAHF)形成、DNA损伤反应通路标志物组蛋白H2A.X磷酸化和8-羟基脱氧鸟苷(8-hydroxy-2 deoxyguanosine,8-OHDG)等水平升高,而衰老相关信号通路关键分子表达水平上调,如p53、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1A(p21)、2A(p16)和2B(p15)[1]。衰老细胞的另一个重要特征,即产生衰老相关分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP),包含白细胞介素、趋化因子、生长因子、miRNAs和细胞外囊泡等[3]。SASP发挥吸引巨噬细胞清除衰老细胞作用,但也促进炎症和肿瘤疾病发生和进展,机制与慢性炎症微环境的建立加速衰老或促进衰老细胞清除的促炎环境有关[3]。由于衰老相关机制不是细胞衰老特有,且不一定存在于所有形式的衰老中,因此对于细胞衰老检测常联合多种生物标记物进行评定[2]。

1.2 细胞衰老分类 在衰老进程中,各种损伤刺激引起细胞在生理和(或)病理状态下发生永久性周期阻滞,导致细胞生理完整性逐步丧失和组织器官功能损伤,最终引发受损器官的衰老相关疾病发生。根据损伤刺激的性质,细胞衰老分为端粒依赖性衰老和非端粒性衰老,也被称为复制性衰老和过早衰老[4]。研究表明细胞衰老中复制性衰老与端粒长度有关[5]。根据病因,过早衰老也分为氧化应激诱导性早衰、基因毒性诱导性早衰和致癌基因诱导性早衰等类型[6]。除了复制性衰老,由各种应激或获损伤因素引起的过早衰老在衰老相关疾病的发生和进展的作用和机制也是研究者关注的重点。

2 lncRNAs与衰老

非编码RNA作为多种生物过程(如增殖、转录和翻译等)的重要调控因子,可分为miRNA、lncRNA、circRNA等种类。lncRNAs不再是基因组的“转录噪音”,其在不同水平对基因表达发挥调控作用,异常表达则可导致多种衰老相关疾病发生,如肿瘤、心血管疾病和神经退行性疾病。

2.1 lncRNAs的结构和功能 lncRNAs作为一种无蛋白质编码潜能的调控型RNA,其长度>200个核苷酸。根据基因组上相对于蛋白编码基因的位置,可分为正义、反义、内含子、双向、基因间和增强子等种类;lncRNAs具有不同细胞定位,如定位于细胞核,通过染色质修饰酶调控基因表达,或作为“分子诱饵”抑制基因转录,而lncRNAs细胞质亚结构定位,则发挥调节mRNA及蛋白稳定性、蛋白质翻译和分子海绵作用[7]。目前,已发现3 000多种lncRNAs在组织和细胞中特异性表达,与细胞增殖、形态发生、多向潜能、发育、神经发生和配子发生等相关。

2.2 lncRNAs与衰老 多种lncRNAs调控细胞增殖、分化、凋亡和老化,参与细胞衰老进程[8];研究发现incRNA UCA1是CAPERα/TBX3阻遏复合物的直接作用靶点,在衰老过程中隔离hnRNPA1稳定CDKN2A-p16INK,阻止人原代包皮成纤维细胞和小鼠胚胎成纤维细胞发生衰老,从而揭示了一种癌基因诱导衰老的新机制。有研究报道,incRNA ANRIL通过调控miR-181a/sirtuin1,增强细胞活性,发挥抑制血管平滑肌细胞衰老作用,机制与p53/p21信号通路失活,减轻细胞周期阻滞有关,而在衰老的血管平滑肌细胞中其表达下调[9]。Patel等[10]发现,源于相对消瘦人群的脂肪干细胞呈现明显衰老表型(如SA-β-半乳糖苷酶活性增加),推测与干细胞衍生外泌体中incRNA GAS5含量较高有关,表明外泌体细胞间通讯方式也是incRNAs调控细胞衰老及衰老相关疾病的特殊方式。上述结果显示incRNAs通过干预细胞活性,减轻细胞周期阻滞,从而延缓或干预细胞衰老进程。

3 LncRNA H19与衰老及衰老相关疾病

作为最早被鉴定的印记基因,lncRNA H19参与调节多种细胞过程,其在衰老中的作用近年来备受关注。lncRNA H19全长约2.3kb,由位于人类染色体上的11p15.5上的lncRNA H19基因编码,为母源性印记基因,通过miRNA前体或分子“海绵”,影响细胞周期,促进细胞生长和增殖,延缓衰老[10]。同时,lncRNA H19也可以作为信号通路中的关键中介分子,介导其他因子对细胞行为的调控。在乳腺癌中,lncRNA H19竞争结合miR-152上调DNA甲基转移酶1,促进癌细胞的增殖和侵袭,下调lncRNA H19则抑制参与细胞周期调控的p53基因的表达;在糖尿病患者中lncRNA H19通过减少葡萄糖摄入,抑制其重要靶基因在骨骼肌中的表达,从而延缓2型糖尿病的发生[11]。lncRNA H19在衰老相关疾病中如糖尿病、动脉粥样硬化等疾病病理过程中,通过调节细周期、SAHF形成、SA-β-半乳糖苷酶活性、SASP分泌等发挥重要调控作用[11]。

3.1 糖尿病及并发症 2型糖尿病是常见的糖尿病类型,胰岛细胞衰老在一定程度上导致老年人群2型糖尿病发病率的升高。在糖尿病病理进程中,衰老细胞释放的SASP因子可引起胰岛素抵抗和糖尿病相关炎性细胞因子的释放[12]。LncRNA H19可通过miR-let-7减少葡萄糖摄入,抑制其重要靶基因如胰岛素受体和脂蛋白脂肪酶在骨骼肌中的表达,从而缓解胰岛素抵抗和2型糖尿病的发生[11]。在糖尿病患者血管内皮细胞中,H19表达上调,而敲低H19能够上调miR-29b和下调血管内皮生长因子A,避免内皮细胞在高糖诱导下产生炎症和氧化应激,减缓糖尿病相关的动脉粥样硬化进程[13]。Jiang等[14]在小鼠肾小球系膜细胞(SV40-MES-13)中进行常规培养和高糖培养后,发现lncRNA H19在高糖处理组小鼠肾小球系膜细胞中表达上调,并通过miR-143-3p/TGF-β1轴促进细胞增殖、炎症因子表达以及细胞外基质积累,加速了糖尿病肾脏病变的进展。以上结果提示lncRNA H19在糖尿病及其并发症发生发展中发挥重要作用,为其临床治疗策略研究提供了新的思路。

3.2 动脉粥样硬化 年龄是动脉粥样硬化的重要危险因素之一。衰老的内皮细胞和平滑肌细胞功能下降,处于促炎状态,加速了动脉粥样硬化发展。在ApoE基因敲除小鼠动脉粥样硬化斑块模型中,lncRNA H19表达水平显著增高,表达定位在主动脉和血液组织中,miR-146a-5p的表达水平下降;而抑制lncRNA H19能够上调miR-146a-5p的表达,提示lncRNA H19通过调控miR-146a-5p促进脂质在巨噬细胞中的积累,从而促进动脉粥样硬化的发生发展[15]。Hofmann等[16]发现,lncRNA H19在衰老小鼠的内皮和人颈动脉斑块中表达下降,而敲低人脐静脉内皮细胞(Human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)lncRNA H19则导致S和G2/M期细胞显著减少,细胞阻滞在G0/G1期,SA-β-gal的活性增加及p16和p21表达上调,细胞增殖抑制,细胞衰老加速,机制与Stat3信号通路有关。提示lncRNA H19在血管内皮细胞衰老和动脉粥样硬化病理进程中发挥着重要作用,为其临床治疗研究提供了新的策略。

3.3 缺血性心脏病 心血管系统衰老常伴随缺血性心脏病的发生。近期有研究在暴露于氧糖剥夺/再灌注的心肌细胞模型中,发现敲低lncRNA H19能抑制miR-675表达,降低细胞凋亡率、炎症因子表达和氧化应激水平,增加细胞活力,减少心肌梗死面积,从而发挥心肌保护作用[17]。Yoshimura等[18]发现,敲低lncRNA H19可以上调SAHF和下调衰老标志蛋白p53和p21以及促炎因子IL-6的表达,阻断褪黑素对H2O2诱导的C-kit+心脏祖细胞过早衰老的保护作用。在高糖诱导下新生小鼠衰老的心室肌细胞和衰老小鼠心脏中,lncRNA H19水平显著升高,过表达lncRNA H19可以通过竞争结合miR-19a上调其靶基因SOCS1,激活p53/p21通路,增加β-半乳糖苷酶阳性细胞数量,引起细胞周期阻滞,加速心肌细胞衰老[19]。心肌肥大是导致缺血性心脏病的重要原因,心肌细胞损伤模型中,lncRNA H19是m6A甲基化转移酶核心蛋白METTL3/14的靶点,METTL3或METTL14敲除能够显著逆转低氧预适应所提升的细胞活力、抗凋亡能力和lncRNA H19表达[20]。同样lncRNA H19表达上调也可通过靶向CaMKIIδ抑制心肌细胞肥大[11]。这些结果提示lncRNA H19对缺血性心脏病存在潜在保护作用,为其临床治疗策略研究提供了新的方向。

3.4 其他疾病 在年龄相关性白内障(Age-related cataract,ARC)患者晶状体中,lncRNA H19表达上调,并可作为ceRNA与miR-29a竞争性结合抑制DNA糖苷酶,降低UVB照射诱导的氧化损伤及8-OHDG生成,增强细胞增殖能力,减缓人晶状体上皮细胞的凋亡进程[21]。研究者在衰老相关疾病帕金森病模型中,发现lncRNA H19通过抑制miR-301b-3p上调次黄嘌呤磷酸核糖转移酶1表达,活化Wnt/β-catenin信号通路,从而发挥保护多巴胺能神经元功能[22]。肝星状细胞活化作为慢性胆汁淤积性肝损伤的主要驱动因素,近期Li等[23]分离老年Mdr2基因敲除(Mdr2-/-)小鼠血清中富含lncRNA H19的外泌体,通过尾静脉注射到年轻Mdr2-/-小鼠体内,发现源于肝脏和血清的外泌体lncRNA H19表达水平与肝纤维化严重程度呈正相关,且体内炎性细胞因子水平显著升高;过表达lncRNA H19能促进肝星状细胞在体内的分化和增殖,从而加剧胆汁淤积性肝损伤。IL-22在促进肠道内环境稳态中发挥着重要作用,研究发现在小鼠和患者的肠道炎症组织中,lncRNA H19表达水平升高,且作为炎症因子IL-22的重要下游分子参与炎症状态下肠上皮稳态;过表达lncRNA H19可抑制miR-34a、let-7和p53的表达下降,促进肠上皮细胞增殖和上皮再生[24]。在毛囊再生研究中,位于毛囊底部的毛乳头细胞随着传代增加,细胞逐渐呈现衰老表型,失去毛囊诱导功能,而研究者通过RNA芯片筛选出毛囊诱导功能密切相关、差异表达最显著的lncRNA H19,进一步的研究发现lncRNA H19过表达能够延缓毛乳头细胞衰老表型的出现,维持毛乳头细胞的毛囊诱导功能[25],为临床上脱发性疾病的机制和治疗研究提供新的思路。

4 结语

衰老细胞的堆积和SASP因子对机体的不利影响成为衰老相关疾病的重要驱动因素,影响着人们的身体健康。细胞衰老是个动态过程,因此如何延缓或干预细胞衰老成为研究者们治疗衰老相关疾病的有益探索方向;lncRNA H19作为最早被鉴定的印记基因之一,通过作用于衰老相关信号通路,与细胞衰老进程密切相关,并在衰老相关疾病如糖尿病、心血管疾病中发挥促衰或抑衰作用,提示其可作为预防和治疗衰老相关疾病靶点的可能性,是潜在的衰老生物标志物。由于细胞衰老检测需要联合多种生物标志物才能进行评定,而lncRNA H19在衰老进程中的作用及翔实机制尚未被完全阐述,暂时无法将其作为一个研究衰老相关疾病的生物标志物。期待研究者在后续的探索中,利用快速发展的技术和可靠的疾病模型能够更清晰地揭示lncRNA H19在细胞衰老和相关疾病中的作用及机制,充分地评估lncRNA H19作为新的生物标志物的合理性,提供更准确和安全的治疗策略,延缓衰老和降低衰老相关疾病的发生,减轻社会负担,提升患者生活质量。