微环境下lncRNA介导miRNA调控牙周膜干细胞成骨分化的研究进展

潘 乐,段沁颜,程俊翔,洪 锋,胡亚军

牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cell,PDLSCs)是牙周组织再生的重要种子细胞,经诱导后成骨分化能力强,因而在牙槽骨缺损修复中发挥着不可替代的作用[1]。PDLSCs在成骨诱导过程中差异表达多种长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)[2]。lncRNA是一类长度大于200个核苷酸的非编码RNA,可与DNA、RNA及蛋白质相互作用[3],参与表观遗传[4]、转录水平[5]以及转录后水平[5]等多个层面的调控,在多种生理病理过程发挥重要作用。本文主要讨论lncRNA在转录后水平作为竞争性内源性RNA(competing endogenous RNA,ceRNA)结合微小RNA(micro RNA,miRNA),充当miRNA的海绵,调控下游靶基因[6]对不同微环境下PDLSCs成骨向分化的影响。

1 生理状态

在成骨诱导过程中,多种lncRNA表达发生变化,并通过不同的信号通路来影响PDLSCs的成骨分化。一些lncRNA发挥着促进PDLSCs成骨向分化的作用,而有些lncRNA则抑制PDLSCs成骨向分化。

1.1 促进PDLSCs成骨分化相关的lncRNA

Fer-1家族成员4(Fer-1-like family member 4,FER1L4)是一个新发现的lncRNA,位于人类第20号染色体上。Huang等[7]发现在成骨诱导牙周膜干细胞的过程中,FER1L4表达呈上升趋势,并且FER1L4可海绵化miR-874-3p,促进下游靶基因血管内皮生长因子A的表达,正向调控PDLSCs的成骨分化过程;过表达FER1L4的PDLSCs能促进小鼠颅骨缺损区形成骨组织和胶原组织,说明FER1L4正向调节PDLSCs的成骨分化。

前列腺癌相关的ncRNA转录物(prostate cancer-associated ncRNA transcript-1,lncRNA PCAT1)在成脂肪分化与成软骨分化中无改变,而在成骨诱导后特异性增高。PCAT1通过海绵化miR-106a-5p,一方面直接促进BMP2的表达,正向调控PDLSCs成骨分化;另一方面通过唯一可预测的转录因子E2F5结合PCAT1启动子区域形成前反馈调控网络来间接促进PDLSCs成骨分化[8]。

X失活特异转录物(X-inactive specific transcript,XIST)[9]和长链非编码RNA核仁小RNA宿主基因4(long non-coding RNA nucleolar small RNA host gene 4,LncRNA SNHG4)[10]分别海绵化miR-214-3p和miR-152-3p,促进PDLSCs成骨分化。转移相关肺腺癌转录物1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)[11]、Prader Willi/Angelman区域RNA 6(Prader Willi/Angelman region RNA 6,PWAR6)[12]和长链基因间非编码RNA 00707(long intergenic non-coding RNA 00707,LINC00707)[13]分别海绵化miR-155-5p、miR-106a-5p和miR-490-3p,分别通过负向调控靶基因EST1、BMP2和FOXO1,从而促进PDLSCs成骨分化。牛磺酸上调基因(taurine-upregulated gene 1,TUG1)海绵化miR-222-3p,负向靶控Smad2/7通路,促进PDLSCs成骨分化[14]。这些研究为牙周组织骨再生的靶向治疗方案提供了宝贵的线索。

1.2 抑制PDLSCs成骨分化相关的lncRNA

抗分化非编码RNA(antidifferentiation noncoding RNA,ANCR)是一种负向调控干细胞分化的新型lncRNA[15]。低表达ANCR可以促进牙髓干细胞、根尖乳头干细胞及PDLSCs的成骨、成脂以及神经源性分化[16],并通过激活WNT信号通路促进PDLSCs成骨分化和增殖[17];高表达的ANCR可海绵化miR-758负向调控Notch2,抑制WNT/β-catenin信号通路,导致PDLSCs成骨分化能力减弱[18]。

LncRNA母系表达基因3(maternally expressed gene 3,MEG3)是调控人类发育及多种疾病的重要因子。MEG3在成骨诱导后表达减少,其与异质核糖核蛋白I相互作用会抑制BMP2的表达,从而抑制PDLSCs成骨分化与增殖,促进凋亡[19]。

抑制钾电压门控通道亚家族Q成员1重叠转录本1(potassium voltage-gated channel subfamily Q member 1 overlapping transcript 1,KCNQ1OT1)能靶向上调 miR-24-3p的表达,进而抑制PDLSCs成骨分化[20]。

以上研究证实了多个lncRNA响应成骨诱导发生了显著变化,通过调控下游miRNA、mRNA、信号通路以及蛋白合成在PDLSCs成骨分化中发挥重要调控作用,为牙槽骨再生提供了多个潜在的治疗靶点。

2 炎症微环境

在炎症状态下,PDLSCs成骨分化能力受损[21],lncRNA表达谱发生显著改变[22]。Liu等[23]通过生信分析和体外实验研究发现MEG3可通过海绵化miR-27a-3p,上调IGF1的表达,激活PI3k/Akt信号通路,促进炎症PDLSCs成骨分化。在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的炎症微环境中,MEG3可海绵化miR-143-3p,抑制AKT/IKK信号通路,从而减少细胞凋亡、减轻炎症反应以及促进细胞增殖[24]。因此,MEG3在牙周炎损伤中发挥着重要的调控作用,为改善炎症状态下PDLSCs成骨分化能力提供了可能的靶向治疗方案。

lncRNA INK4位点的反义非编码RNA(antisense non-coding RNA in the INK4 locus,ANRIL)是牙周炎的最佳复制遗传危险因子[25],在牙周炎患者牙龈组织内表达正常,但在外周血中表达明显下调[26]。ANRIL在炎性PDLSCs中低表达,可海绵化miR-7激活NF-κB信号通路抑制炎性PDLSCs成骨分化[27]。另一研究发现过表达ANRIL通过海绵化miR-7-5p靶向下游基因胰岛素样生长因子受体,发挥着促进炎性PDLSCs成骨向分化的作用[28],证明ANRIL在炎性PDLSCs成骨分化中的重要作用。

Wang等[29]发现lncRNA-POIR(ENST0000044-6358)在炎性PDLSCs中表达下降,而在成骨诱导炎性PDLSCs后上升;体内外研究均证实了lncRNA-POIR作为miR-182的ceRNA,能减少靶基因FoxO1的表达,抑制WNT信号通路,促进炎性PDLSCs的骨形成。Li等[30]研究发现LINC01133海绵化miR-30c,正向靶控骨-羧谷氨酸蛋白促进炎性PDLSCs的成骨分化。在LPS诱导的炎症微环境下,OIP5-AS1直接靶向并下调miR-92a-3p的表达,促进PDLSCs成骨向分化及增殖,还抑制炎症因子的表达[31]。MALAT1通过上调miR-383-5p靶向SOCS3从而改善炎症状态下PDLSCs的成骨分化及增殖能力、减少PDLSCs凋亡[32]。

越来越多研究表明lncRNA在调控炎性PDLSCs成骨分化中扮演重要角色,这为治疗牙周炎、修复牙槽骨吸收以及促进骨形成提供了可能的靶向治疗方案。

3 力学刺激

PDLSCs是介导牙周组织重塑的机械力敏感细胞[33],具有在正畸牙移动过程中诱导压力侧骨吸收和拉力侧骨再生的能力[34];不同应力刺激下,PDLSCs中lncRNA表达水平改变,影响PDLSCs成骨分化。

3.1 拉应力

Wang等[35]对PDLSCs施加10%的等双轴应变力,在1.0 Hz作用下持续12 h,检测到1 339个lncRNA和1 426个mRNA存在差异表达,基于miRNA微阵列分析的结果整合,构建了拉应力相关的lncRNA介导的ceRNA网络。Lin等[36]通过测序及qPCR验证发现PDLSCs用12%拉应力加载后lncRNA CYTOR、MIR22HG和SNHG3表达水平升高,RUNX2、COL1 mRNA和蛋白表达上调,PDLSCs成骨分化能力增强。其具体机制有待体内外研究进一步证实。

3.2 压应力

压应力(compression force,CF)作用下PDLSCs成骨分化能力减弱,FER1L4、HIF1A-AS2、MIAT、NEAT1、ADAMTS9-AS2和LUCAT1表达增加,MIR31HG、HHIP-AS1和DHFRP1表达降低[37]。其中,FER1L4在CF刺激下可抑制AKT通路,增加FOXO3核易位,从而介导PDLSCs的自噬[38];刺猬相互作用蛋白反义RNA(Hedgehog-interacting protein antisense RNA 1,HHIP-AS1 )促进PDLSCs成骨分化、抑制PDLSCs横向及纵向迁移[39],敲低HHIP-AS1导致ROR2、CXCL12和NEAT-1表达上调,FGF5和LINC00973表达下调,其如何影响PDLSCs成骨分化有待深入研究。

Zhang等[40]构建了压应力作用下的PDLSCs模型、正畸牙移动的大鼠模型以及收集正畸治疗期间受力后患者的牙周膜组织,发现在CF刺激下,分化拮抗非蛋白编码RNA(differentiation antagonizing non-protein coding RNA,DANCR)可海绵化miR-34a-5p,影响Jagged1的蛋白合成,促进牙周膜组织内的泛素化,增加破骨细胞的数量,加剧正畸牙移动过程中的牙根吸收。有研究表明下调DANCR可以促进PDLSCs成骨分化[41],这为DANCR调控PDLSCs的成骨分化提供了又一研究证据。

3.3 静态牵张力

秦文[42]对炎性PDLSCs行12%静态牵张力干预或成骨诱导,发现LINC00638表达显著增加,LINC00638通过miR-424-5P/FGFR1促进炎性PDLSCs成骨分化;另一方面14%静态牵张力使LINC00638表达增加,miR-29a表达降低,对炎性PDLSCs的成骨分化和增殖产生抑制作用[43]。研究表明对炎性PDLSCs施加12%静态牵张力后,过表达LINC01135促进PDLSCs成骨分化;LINC01135与miR-106a-5p内源性结合,抑制炎性PDLSCs成骨分化[44]。Liu等[45]发现在12%静态牵张力干预下,XIST可使健康及炎性PDLSCs的成骨能力明显增强。

力学刺激与PDLSCs成骨分化息息相关,RNA测序及以上研究部分揭示了lncRNA介导miRNA在其中发挥的重要作用,为减少正畸治疗过程中骨相关不良反应的发生提供了新的思路。

4 展 望

lncRNA介导miRNA对生理状态下、炎症微环境以及不同应力刺激下PDLSCs的成骨分化具有重要的调控功能,少数研究还揭示了其对PDLSCs自噬[38,46]、增殖与凋亡[19,47-48]以及铁死亡的作用机制[49]。值得关注的是,同一个lncRNA在不同微环境下可能会产生相反的作用,这与lncRNA作用机制复杂有关,例如MEG3抑制生理状态下的PDLSCs成骨分化[19],却促进炎症PDLSCs成骨分化、减轻炎症反应[23]。

多个微阵列分析和RNA测序得出了不同刺激下差异表达的lncRNA,学者们借助生信工具对数据库挖掘构建了以lncRNA主导的ceRNA网络,涉及炎症微环境[22,50]、成骨诱导[51]、力学刺激[35]、缺氧等方面[52]。其中,模拟缺氧状态对探明压应力刺激[53]的影响意义重大,但此方面研究较少,构建ceRNA网络为后续研究提供了方向。

研究不同微环境下lncRNA对PDLSCs成骨分化的作用机制可为修复牙槽骨缺损及减少正畸治疗过程中骨相关不良反应的发生提供一个新思路。目前的大部分研究尚停留在体外阶段,有待进一步体内研究证据支持,已发现并证实的lncRNA作用机制仅为冰山一角,其复杂且重要的功能仍需深入探索,这将有望为相关疾病的诊断、治疗及预后提供一个全新的临床应对策略。