長鏈非編碼核糖核酸在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進展

羅 濤

近幾年，在生命科學(xué)領(lǐng)域，非編碼核糖核酸(RNA)的調(diào)控方式和機制得到廣泛研究。長鏈非編碼核糖核酸(long non-coding RNA, lncRNA)作為其中一員，參與了多種重要的病理生理調(diào)控過程，這些調(diào)控作用已逐步引起學(xué)者們的關(guān)注。lncRNA是一類可能具有初期或迭接轉(zhuǎn)錄本功能的RNA，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)中均有表達；一系列研究結(jié)果表明，其在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮重要作用。本綜述旨在介紹lncRNA在神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面的研究進展。

1 lncRNA的概述

弗朗西斯·克里克于1958年提出“中心法則”并指出，遺傳信息由脫氧核糖核酸(DNA)轉(zhuǎn)錄成為RNA再翻譯成為蛋白質(zhì)，從而發(fā)揮生物學(xué)功能。這一觀念的普及極大地促進了生命科學(xué)的發(fā)展。lncRNA是近期發(fā)現(xiàn)的不同于小分子RNA和結(jié)構(gòu)基因(編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因)，可能具有初期或迭接轉(zhuǎn)錄本功能的一類RNA[1]。lncRNA主要基于表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平等層面實現(xiàn)對基因表達的調(diào)控，從而在多種生物學(xué)過程中發(fā)揮重要作用， 與疾病的發(fā)生密切相關(guān)[2]。研究[3]發(fā)現(xiàn)，一般情況下，lncRNA表達水平低于編碼蛋白質(zhì)基因水平，而在特殊組織中某些lncRNA優(yōu)先表達。按照其相對于編碼基因的位置，lncRNA可以分為正義lncRNA、反義lncRNA、雙向lncRNA、內(nèi)含子內(nèi)lncRNA和基因間lncRNA 5類[1]。lncRNA有5個來源[4]：編碼蛋白的基因因結(jié)構(gòu)中斷而轉(zhuǎn)變?yōu)閘ncRNA；兩個未轉(zhuǎn)錄的基因與另一個獨立的基因并列而產(chǎn)生含多個外顯子的lncRNA；由非編碼基因復(fù)制過程中的反移位產(chǎn)生的lncRNA；由局部的串聯(lián)復(fù)制子產(chǎn)生鄰近的lncRNA；基因中插入1個轉(zhuǎn)座子成分而產(chǎn)生功能的lncRNA。

2 lncRNA在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究中，lncRNA參與了神經(jīng)元分化、腦發(fā)育、突觸可塑性，以及神經(jīng)退行性疾病和腫瘤的發(fā)生、發(fā)展；其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)中均有表達。lncRNA有特定的定位，其表達具有組織特異性[5]和時空特異性[6]。研究[7-9]發(fā)現(xiàn)，lncRNA在處于發(fā)育過程中和成熟的神經(jīng)系統(tǒng)組織或細胞中均有表達，例如腦組織、視網(wǎng)膜、神經(jīng)元亞型等。lncRNA在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的過程中有不同程度的表達，參與小鼠腹側(cè)前腦源性神經(jīng)干細胞種系的形成、γ-氨基丁酸(GABA)能神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞種系的發(fā)育、神經(jīng)元向膠質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)變、少突膠質(zhì)細胞種系的成熟和成熟髓鞘終末分化等過程[9]。功能學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)表達的lncRNA主要參與調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的發(fā)展、突觸的可塑性，使動物的行為活動發(fā)生改變，或調(diào)節(jié)視網(wǎng)膜發(fā)育等[10-15]。

3 lncRNA與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3.1 lncRNA與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD) AD患者發(fā)病時淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)在腦內(nèi)異常代謝導(dǎo)致β淀粉樣蛋白(β-amyloid peptide，Aβ)沉積。這一過程受β位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site APP cleaving enzyme 1, BACE1)調(diào)控，該酶在AD患者腦內(nèi)的活性高于正常人。BACE1-AS作為BACE1 mRNA反義鏈能夠在細胞受到各種外界壓力刺激下，與BACE1 mRNA形成RNA復(fù)合體來防止BACE1 mRNA受到核酸酶的降解，增強BACE1 mRNA的穩(wěn)定性，導(dǎo)致更多的Aβ沉積，正反饋促進BACE1-AS的表達, 加速AD發(fā)展。BACE1-AS是AD的潛在治療靶點[16]。另外一種lncRNA BC200的表達量與AD患者病情嚴重程度呈正相關(guān)，表明lncRNA BC200的變異表達和非正常定位導(dǎo)致了AD的發(fā)生和病程進展[17]。

3.2 lncRNA與帕金森病(Parkinson disease，PD)PD是位于AD后的第二大常見神經(jīng)退行性疾病。目前全球大約有600萬PD患者。由于腦黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元(dopaminergie neurons，DN)逐漸喪失功能并累積到一定程度，出現(xiàn)運動障礙，甚至發(fā)展成癡呆，但PD準(zhǔn)確的發(fā)病機制仍未明確[18]。采用全轉(zhuǎn)錄組RNA序列分析的方法研究PD患者白細胞，篩選出諸多與微RNA(microRNA)互補的U1剪切體lncRNA，經(jīng)實時熒光定量PCR證實，在PD患者白細胞、兩個腦區(qū)、杏仁體和黑質(zhì)中共表達U1剪切體lncRNA，這為研究PD和其他神經(jīng)退行性疾病提供了新思路[19]。

3.3 lncRNA與亨廷頓病(Huntington’s disease，HD)HD是由于CAG三核苷酸重復(fù)序列過度擴展導(dǎo)致非正常亨廷頓蛋白(Htt)產(chǎn)生，從而造成紋狀體和皮質(zhì)神經(jīng)細胞的進行性死亡，伴隨舞蹈癥和癡呆的一種惡性常染色體顯性神經(jīng)退行性疾病[20]。其主要表現(xiàn)為進行性運動障礙、精神異常和智能衰退等。研究發(fā)現(xiàn)，HD患者和模型動物中突變的Htt基因可促進抑制元素1——沉默轉(zhuǎn)錄因子(REST)核轉(zhuǎn)位并導(dǎo)致其眾多靶基因表達下調(diào)。HD患者的腦組織中發(fā)現(xiàn)多個lncRNA表達變化，其中包括視網(wǎng)膜發(fā)育所必需的lncRNA TUG1和活化T細胞核因子(NFAT)1表達上調(diào)，母系表達基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)的表達下調(diào)[21]。研究[22]結(jié)果顯示，lncRNA參與了HD關(guān)鍵性致病通路的機制調(diào)節(jié)，可引起基因轉(zhuǎn)錄紊亂并最終導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。

3.4 lncRNA與神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤 神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤包括神經(jīng)膠質(zhì)瘤和腦膜瘤兩大類。神經(jīng)膠質(zhì)瘤簡稱膠質(zhì)瘤，也稱為膠質(zhì)細胞瘤，是最常見的原發(fā)性中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，約占所有顱內(nèi)原發(fā)腫瘤的50%。腦膜瘤是起源于腦膜與腦膜間隙的衍生物，發(fā)病率高。研究[23]表明，MEG3在正常腦膜細胞中高表達，而在大多數(shù)腦膜瘤組織或細胞株中無表達，證明MEG3具有腫瘤抑制因子的作用。研究[24]結(jié)果顯示，MEG3還與神經(jīng)膠質(zhì)瘤增殖相關(guān)，MEG3的異位過表達抑制細胞增殖、誘導(dǎo)細胞凋亡，這可能與MEG3誘導(dǎo)p53基因的活化有關(guān)。哺乳動物轉(zhuǎn)移相關(guān)肺腺癌轉(zhuǎn)錄本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1) 經(jīng)轉(zhuǎn)錄后處理產(chǎn)生1個短鏈轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)樣MALAT1相關(guān)小細胞質(zhì)RNA(mascRNA)和1個長鏈伴有poly(A)尾樣區(qū)域的MALAT1轉(zhuǎn)錄本。小鼠MALAT1經(jīng)核糖核酸酶P作用后產(chǎn)生1個長鏈3’ MALAT1和短鏈5’ mascRNA MALAT1轉(zhuǎn)錄本，位于核散斑中。該lncRNA廣泛表達于正常人組織，敲除小鼠成神經(jīng)瘤細胞株的MALAT1基因會影響涉及神經(jīng)原軸突與樹突發(fā)育相關(guān)的基因，提示MALAT1基因與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育相關(guān)[25]。

3.5 lncRNA與其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病 lncRNA還與其他多種神經(jīng)精神疾病[如唐氏綜合征(DS)、脆性X綜合征(FXS)、精神分裂癥等]有關(guān)。lncRNA NRON可特異性抑制NFAT轉(zhuǎn)錄因子由細胞質(zhì)穿梭至細胞核，減少細胞核中的NFAT轉(zhuǎn)錄因子表達，導(dǎo)致核內(nèi)NFAT活性下降，以及其介導(dǎo)的靶基因轉(zhuǎn)錄減少，這與DS疾病的發(fā)生相關(guān)[26]。FXS及其相關(guān)的震顫和共濟失調(diào)綜合征(FXTAS)與FMR1基因的突變相關(guān)。FMR4基因本身也可影響FXS的發(fā)病。已有研究提示，小干擾RNA敲低FMR4基因可改變細胞周期調(diào)控，導(dǎo)致細胞凋亡增加，而FMR4過度表達則促進細胞增殖。此外，起源于FMR1基因位點的另一個lncRNA——ASFMR1，也可能與FMR1基因位點突變相關(guān)，F(xiàn)XS患者的ASFMR1 表達增加[26]。不安腿綜合征(restless legs syndrome，RLS)與感覺運動功能障礙有關(guān)，其臨床表現(xiàn)為夜間睡眠時雙下肢極度不適感，迫使患者不停地移動下肢或下地行走，導(dǎo)致患者產(chǎn)生嚴重睡眠障礙。Meis1基因變異是該疾病主要的遺傳危險因素，該基因編碼一個同源框蛋白并在發(fā)育和腫瘤形成中具有重要作用[27]。研究[28]結(jié)果顯示，Meis1基因表達受內(nèi)含子lncRNA順式作用元件的調(diào)控，表達降低者易患RLS。lncRNA也參與多種藥物成癮的形成，海洛因成癮者腦伏隔核內(nèi)MEG3等多種lncRNA水平升高[29]。

4 lncRNA與神經(jīng)免疫性疾病

lncRNA在神經(jīng)免疫性疾病的發(fā)生、發(fā)展研究中發(fā)揮重要作用。多發(fā)性硬化(multiple sclerosis，MS)是以少突膠質(zhì)細胞凋亡和軸突變性的慢性炎癥性脫髓鞘為特點的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，泰勒鼠感染腦脊髓炎病毒(TMEV)可作為MS的動物模型[26]。在人類和小鼠的免疫細胞中由細胞因子基因簇(如γ-IFN)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的Tmevpg1 lncRNA通過控制TMEV的持續(xù)感染，調(diào)控MS的發(fā)病[26]。重癥肌無力(myasthenia gravis，MG)是神經(jīng)肌肉接頭相關(guān)疾病中最常見的自身免疫性疾病。研究[30]發(fā)現(xiàn)，microRNA-181對MG中淋巴細胞的分化具有調(diào)控作用，其中，lncRNA的異常表達是microRNA-181在MG患者中表達下調(diào)的原因之一；表明，lncRNA既可調(diào)控microRNA-181前體的表達，同時也作為內(nèi)源競爭性RNA(ceRNA)競爭結(jié)合microRNA-181，通過改變microRNA-181表達影響免疫細胞的分化機制。lncRNA MALAT-1通過吸收MG中microRNA-338-3p，作為ceRNA調(diào)控雄性特異致死基因(MSL)2的表達。MALAT-1與基因調(diào)控和選擇性剪接有關(guān)。研究[31]發(fā)現(xiàn)，MALAT-1在MG中表達下調(diào)，MG患者外周血單核細胞中microRNA-338-3p水平升高，MALAT-1作為與microRNA-338-3p競爭的ceRNA，可直接誘導(dǎo)MG中MSL2的表達，提示其可能為MG的治療靶點。

格林-巴利綜合征(Guillain-Barré syndrome, GBS)是以周圍神經(jīng)和神經(jīng)根的脫髓鞘病變，以及小血管炎癥細胞浸潤為主要病理特點的自身免疫性周圍神經(jīng)病，其病因與發(fā)病機制尚不明確。研究[32]發(fā)現(xiàn)，GBS患者的外周血單個核細胞和CD14+單核細胞中l(wèi)ncRNA均存在表達差異，這些異常表達的lncRNA可能作為潛在的生物標(biāo)志物在GBS的診斷中起到?jīng)Q定性作用。視神經(jīng)脊髓炎譜系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorder, NMOSD)是一種較高發(fā)的特發(fā)性炎癥性中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘疾病。在發(fā)病機制研究方面，有學(xué)者探討了NMOSD的一些表觀遺傳學(xué)特征，采用微陣列分析法分析了NMOSD患者的lncRNA表達譜，發(fā)現(xiàn)在NMOSD患者中有1 310個lncRNA存在表達差異。共表達網(wǎng)絡(luò)分析[33]結(jié)果表明，183個lncRNA被包括在該網(wǎng)絡(luò)中。這些研究結(jié)果提示，差異表達的lncRNA可能在NMOSD的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用，有望成為潛在的生物學(xué)標(biāo)志物。

5 總結(jié)與展望

隨著功能基因組學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，非編碼RNA家族的重要成員lncRNA受到學(xué)者關(guān)注。近幾年關(guān)于基因組與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究結(jié)果提示，lncRNA主要參與調(diào)節(jié)神經(jīng)干細胞的發(fā)育、分化與成熟，維持神經(jīng)可塑性和人類特有的認知功能。隨著生命科學(xué)的發(fā)展，研究者可以利用分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)和模式實驗來進一步研究中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)生理、病理過程中l(wèi)ncRNA的表達及其作用機制，為神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)損傷再生新理念的提出奠定基礎(chǔ)。