LncRNA参与阿尔兹海默症发病机制的研究进展

蔡蒙蒙,法焕超,李思琦,朱 磊

(曲阜师范大学体育科学学院,山东 曲阜 273165)

AD作为中枢神经系统性疾病,是最为常见的痴呆类型。据估计全世界有5 000万人患有痴呆症,AD占病例的60%～80%,预计到2050年患病人数将增加到1.52亿,护理治疗金额则高达1.1万亿美元,给社会经济带来巨大压力[1]。但AD的致病因素尚不明确,遗传因素、淀粉样蛋白假说、神经炎症和免疫失调、能量代谢障碍、神经血管功能障碍、线粒体功能障碍、突触功能障碍等均可能参加AD神经元变性凋亡的过程[2]。目前有大量研究发现,LncRNA通过对特定基因的表达调控,进而干预了与AD相关的多种发病机制[3]。因此,LncRNA作为AD的潜在生物标志物和治疗靶点具有广阔的前景,本文综述LncRNA的功能和作用方式以及其在AD的研究进展,为AD的早期诊断、治疗和预防提供新思路。

1 LncRNA的生物学功能

LncRNA是长度超过200 nt、不能翻译、拥有特定二级结构的RNA,能与mRNA、DNA以及蛋白质相互作用,在正常发育和疾病的发生发展中起着重要作用[4]。研究发现,LncRNA是由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ转录,并参与了基因重组,选择性剪接,mRNA衰变,免疫反应和发育等生理现象。根据LncRNA相对于蛋白质编码基因的位置,可分为正义LncRNA、反义LncRNA、双向LncRNA、基因间LncRNA和增强子LncRNA。其能通过多种作用机制(如信号分子、诱导分子、支架分子、引导分子、和短肽)在表观遗传、顺式或反式转录及转录后调控基因表达,参与各种生理或病理活动[5]。

LncRNA在不同类型细胞中的表达和定位具有特异性。在细胞内,LncRNA主要通过三种模式参与基因的表达调控,包括:(1)直接与DNA结合或与转录因子结合,从而在转录水平上实现对基因表达调控;(2)靶向mRNAs、miRNAs调节它们的活性和稳定性或与蛋白质结合形成蛋白复合体,从而发挥作用;(3)通过某些特定的LncRNA干扰染色质复合物,抑制或促进基因的表达。LncRNA的作用机制使其可以参与活细胞的所有生理活动[5-6]。许多研究人员通过小鼠实验以及构建细胞模型,发现LncRNA表达失调会影响与AD相关信号通路。而且在AD患者脑脊髓液和血液中也发现LncRNA异常表达,这些研究结果证明LncRNA对AD的发生发展起着重要作用。

2 LncRNA在AD发展的作用

AD的发病过程极其复杂,随着RNA测序技术的发展,LncRNA的功能和作用机制逐渐明晰,部分LncRNA过表达或失活会参与Aβ沉积、突触功能障碍、神经炎症、神经元凋亡、线粒体功能障碍、氧化应激等AD相关发病机制,从而干预AD的发生及发展。

2.1 LncRNA对Aβ沉积的影响Aβ作为AD发病机制的关键因素,Aβ斑块的产生是由Aβ异常聚集形成,有大量临床试验通过针对与Aβ相互作用并介导Aβ产生、清除和新陈代谢的潜在受体,研制治疗AD的有效药物。而近年研究发现,部分LncRNA可作为介导Aβ产生和清除的潜在受体或生物标志物。

BACE1作为β-分泌酶,能与γ-分泌酶一起产生Aβ,参与AD发病过程。而BACE1切割淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)是产生Aβ的限速步骤。BACE1-AS是从11号染色体上的BACE1基因的反义链转录而来的LncRNA,它们具有相同的互补序列和双链RNA结构。BACE1-AS作为具有“分子海绵”机制LncRNA(ceRNA)能与BACE1 mRNA结合,引起BACE1 mRNA二级或三级结构的剧烈变化,导致BACE1 mRNA稳定性的增加,Aβ42在细胞内积累,引起AD的发生[7]。Wei[8]等发现,AD患者的血浆中BACE1-AS浓度明显升高,BACE1-AS与miR-485-5p在BACE1 mRNA的同一区域竞争结合的平衡被打破,miR-485-5p表达下降,从而抑制树突的形成,使突触稳态丧失,并促使BACE1基因表达上调,APP加工产生更多的Aβ42,导致AD病情加重。除此之外,BACE1-AS作为ceRNA,能靶向竞争miR-29b-3p/miR-107/miR-124-3p/miR-485-5p等在BACE1 mRNA结合位点,增加BACE1蛋白表达,促进Aβ异常累积,加重AD的发展[9]。

51A是Sortilin受体1(Sortilin-related receptor1,SORL1)基因的反义链转录而成的LncRNA,常见于AD患者的大脑皮层,SORL1是一种神经元载脂蛋白E受体,在中枢和外周神经系统均有表达,能控制APP的转运和加工,并限制Aβ的合成。研究发现,51A在AD患者的大脑皮层显著上调,并选择性剪切SORL1 mRNA,使SORL1异常表达,导致APP由高尔基体转运到溶酶体减少,加剧Aβ的生成和积累,且51A的水平含量与MMSE认知评分呈负相关性,因此51A有作为AD生物标志物的可能价值[10]。

2.2 LncRNA对突触可塑性的影响突触的数量、结构和功能会随着时间的推移而改变,这被称为“突触可塑性”。突触作为神经元基本单位,它可以维持神经元和神经环路稳定,在学习记忆中起非常重要的作用,同时也是神经系统疾病信号转导的分子机制。神经突触的损伤一般发生于AD的早期,与AD患者认知功能下降密切相关。

BC200是一种在人类神经细胞中特异性表达的LncRNA。BC200能在神经元中选择性表达,并靶向真核起始因子4A(eIF4A),进而调节突触相关蛋白质的合成,维持突触可塑性。在AD患者大脑皮层中发现BC200的表达水平显著提高,并随着AD的发展逐渐增加[11]。其异常定位和过表达会导致树突状细胞凋亡,并使正常依赖微管的运输功能受到影响,使突触中营养物质运输受阻,进而加剧神经退行性的改变[12]。

脑源性神经生长因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是在脑内合成的一种小分子的碱性蛋白,在大脑皮层、海马等部位含量较多,对神经元存活和突触可塑性生长中起着至关重要的作用,并促进突触生长,从而调节学习和记忆功能[13]。BDNF-AS作为BDNF反义链转录的LncRNA,通过与BDNF mRNA结合调节突触结构和功能。在AD患者的外周血液中发现,BDNF-AS通过与miR-9-5p竞争性结合,促进BACE1的表达从而加重Aβ沉积,影响认知功能障碍[9]。Modarresi[14]等发现,BDNF-AS可以作为诱导分子,将 PRC2募集到 BDNF 启动子区域抑制BDNF mRNA转录,降低BDNF表达,加剧AD。因此,抑制BDNF-AS水平,促进BDNF mRNA转录合成BDNF蛋白,可以作为治疗AD的分子靶点。

小核糖体管家基因RNA1(Small nucleolar RNA host gene1,SNHG1)是由UHG转录而来的LncRNA。SNHG1通过两种不同的ceRNA调控轴SNHG1/miR-137/kremen1和SNHG1/miR-361-3p/znf217参与Aβ诱导的AD神经元损伤。敲除SNHG1基因,使miR-137和miR-361-3p过表达,从而抑制下游靶点kremen1和znf217表达,减少海马脑区突触丢失,并减轻Aβ诱导的神经元损伤的作用,达到改善AD的效果[15]。

2.3 LncRNA对神经炎症的影响在AD中,Tau过度磷酸化和Aβ聚集可触发炎症反应,促使小胶质细胞释放神经毒性细胞因子,并会激活反应性星形胶质细胞持续产生促炎因子,从而延长神经炎症反应,对中枢神经系统产生损害,并导致神经元功能障碍,加重AD的发展。

17A能与γ-氨基丁酸B型受体(γ-aminobutyric acid B type receptor,GABABR)基因内含子区域互补,诱导GABABR2选择性剪接异构体的合成。GABABR2受体的剪接异构体可以通过抑制细胞内cAMP的积累和钾离子通道的激活而影响受体的功能,进而促进Aβ积累,并加速细胞自噬和凋亡,使GABABR信号失活,产生神经炎症,加重AD[16]。

MALAT1作为ceRNA能靶向多种miRNAs,参与免疫、炎症和神经损伤的调控。在AD细胞模型中,MALAT1能负调节下游靶点miR-125b表达。MALAT1过表达,会抑制miR-125b诱导的神经炎症,并降低促炎细胞因子1L-6和TNF-α水平,促使PTGS2和CDK5表达增加,FOXQ1表达降低,刺激神经突触生长[17]。

2.4 LncRNA对神经元凋亡的影响神经元凋亡是神经退行性疾病的主要病理原因之一,是按照特定的基因程序自行结束生命的过程,这一过程可以由内部或外部信号在细胞的整个生命周期中触发,属于正常的保护机制[18]。但在AD患者脑内检测到多区域的神经元丢失增多,出现神经元细胞非正常凋亡现象,因此增强神经元细胞活性抑制其凋亡可作为干预AD的重要途径。

EBF3-AS是从10号染色体蛋白质编码基因EBF3的反义链转录的的LncRNA。研究表明,EBF3的功能障碍与神经系统发育缺陷相关,Aβ25-35可诱导SHSY5Y细胞活性降低,使EBF3-AS的表达上调,从而增强下游EBF3基因的表达,促进神经元凋亡。而敲除EBF3-AS基因,可逆转Aβ25-35诱导的SHSY5Y细胞凋亡以及Caspase-3活性升高,进而增强细胞活性抑制神经元凋亡。这表明EBF3-AS可作为AD治疗的新靶点[19]。

WT1-AS是位于11号染色体上的一个LncRNA,在调控转录、凋亡方面发挥重要作用。Wan[20]等发现,WT1-AS在AD中表达下调,促进了AD中神经元的凋亡,当WT1-AS表达上调,可降低WT1/miR-375信号轴表达抑制细胞凋亡,进而促进SIX4表达,抑制Tau蛋白磷酸化,还能参与线粒体结构和功能的调节,促进ATP产生。

2.5 LncRNA对线粒体功能的影响线粒体作为真核细胞独有的细胞器,在真核生物的能量产生和代谢中起重要作用,通过提供ATP维持正常的神经元稳态与功能。此外,线粒体还与细胞凋亡、免疫反应、氧自由基的产生和钙离子稳态有关。当线粒体基因组受到损害时,会影响线粒体编码LncRNA对基因的表达调控,从而诱导线粒体功能障碍。线粒体功能障碍作为AD发病早期的显著性特征之一,在AD发病机制中起关键作用[21]。

核富集转录体1 (nuclear enriched abundant transcript 1,NEAT1)是从多发性内分泌肿瘤1型(MEN1)基因转录而来的LncRNA。研究证明,NEAT1在AD患者的额叶皮层和海马中显著表达,并发现NEAT1能与E3泛素连接酶NEDD4L结合,促进Pink1的泛素化和降解,损害Pink1的线粒体自噬功能,导致自噬信号传导功能障碍,诱导Aβ沉积和线粒体损伤。而NEAT1表达下调,会抑制Pink1的泛素化,维持正常的线粒体自噬和能量代谢功能,逆转Aβ造成的神经元损伤,防止AD的发展[22]。

2.6 LncRNA对氧化应激的影响氧化应激反应会产生过多的活性氧(active oxygen,ROS),并改变神经元分子组成、膜流动性及渗透性,破坏细胞的正常功能,最终诱导神经元凋亡。同时,氧化应激会促进Aβ沉积及Tau的磷酸化,加重AD。而一些氧化还原转录因子的表达可以增强机体内的抗氧化防御机制,抑制过氧化物酶、清除自由基和金属离子,对AD的发病有保护和延缓进程的作用[23]。

研究显示,SOX21-AS1表达水平升高会导致海马神经细胞凋亡增加,而抑制SOX21-AS1表达,可以上调FZD3/5蛋白表达和激活Wnt信号通路,减轻AD小鼠神经元氧化应激反应,抑制神经元凋亡[24]。RPPH1靶向miR-326,能消除对丙酮酸激酶M2(PKM2)的抑制作用,减轻Aβ25-35诱导的细胞凋亡和内质网应激[25]。

表1 LncRNA干预AD的机制

3 小结

随着对LncRNA的深入研究,通过细胞模型、动物实验以及生物样本如大脑,脑脊液和血液等研究,发现LncRNA参与Aβ的产生,Tau蛋白过度磷酸化,神经炎症,突触功能失调,线粒体功能障碍等,干预AD的发病机制。通过测定血浆和脑脊液中的LncRNA有望用于AD患者的早期诊断、预测预防,对治疗AD患者具有重要帮助作用。而寻找新的靶点和信号轴是AD早期治疗和创新治疗的重要途经。但目前研究人员对LncRNA在不同细胞的生物学功能了解较少,研制关于LncRNA的药物十分困难。因此,揭示LncRNA在AD中的调控网络和分子机制有助于开发以LncRNA为靶点的创新药物治疗方法。根据LncRNA在不同类型细胞定位的特异性,未来将致力于研究LncRNA在亚细胞的定位模式,以此选择适合高效的方法调控LncRNA的功能,用于临床药物研究,达到治疗AD的目的。以后研究将着眼于AD发病机制的基因水平,所以研究以LncRNA为例的小分子在AD基因表达中扮演的角色可能会成为治愈AD的突破点。