长链非编码RNA与糖尿病

黄珊珊 鲁一兵

长链非编码RNA与糖尿病

黄珊珊 鲁一兵

长链非编码RNA在生命活动中具有重要的调节功能，其表达紊乱与多种人类疾病密切相关。LncRNA通过信号模式、诱饵模式、指引模式及支架模式等发挥调控基因表达的作用。近年来，研究证实一些 lncRNA，如 ANRIL、PVT1、HI-LNC25、H19 和 Airn、MIAT、MEG3、Hymai等是参与糖尿病发生、发展的重要调控分子，这些lncRNA将成为新的诊断标志物及治疗靶点。

长链非编码RNA;糖尿病

随着人类基因组计划的完成，发现在基因转录的RNA中，只有2%的RNA能够编码蛋白质，如mRNA，剩余98%为非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA），且按照转录本长度不同可分为短链非编码RNA和长链非编码 RNA（long non-coding RNA，lncRNA）[1]。LncRNA是一类转录本长度大于200 nt的没有编码蛋白质功能的RNA，既往被误认为是“基因转录的噪声”，是RNA聚合酶Ⅱ转录的副产物，没有生物学功能[2]。然而，近年来研究表明，lncRNA通过遗传水平、转录水平以及转录后水平等多个层面调控基因表达，与许多生物学过程，如胚胎的发育，细胞增殖、分化、凋亡，以及多种疾病包括糖尿病的发生、发展密切相关[3]。因此，对lncRNA与糖尿病关系的深入探究将有助于揭示lncRNA在糖尿病中的调控机制，从而为糖尿病的治疗提供新思路。

1 LncRNA的分类及特点

LncRNA位于细胞核或细胞质中，与mRNA相同的是，存在帽子及polyA尾巴等结构，但没有开放阅读框，因而无编码蛋白质的功能[4]。根据lncRNA与蛋白质编码基因的位置不同，可分为同义lncRNA、反义lncRNA、双向lncRNA、内含子lncRNA、基因间lncRNA[1]。

在特点上，lncRNA的序列保守性较差，但弱保守性并不意味着缺乏功能，已经有研究表明，lncRNA随着人类进化高速变异，较蛋白质编码基因更易发生改变，可以适应进化的压力产生快速而敏感的调节，而在其他灵长类动物中则高度保守，从而形成了生物种间及生物种内的差异[5-6]。另一方面，其二级结构却具有强保守性，提示其可能具有重要的生物学功能[7]。研究还发现，lncRNA具有组织特异性，即在不同组织中，lncRNA的表达量不同。Perez等[8]发现在肿瘤组织（如乳腺癌和卵巢癌）中某些lncRNA的表达与人体正常组织中存在差异，并且有几个差异始终如一，提示lncRNA的表达差异可能与多种疾病的发生、发展存在密切联系。此外，lncRNA还具有时空特异性，即在同一组织或者器官的不同生长阶段，其中的lncRNA表达量也会变化。

2 LncRNA的分子作用机制

传统生物学基因调控的观点集中在DNA-mRNA-蛋白质中心法则，然而，在过去的10余年中，研究者发现在发展进化过程中，生物体的复杂性主要是依靠基因的非编码部分调控[9]。在非编码部分中，小 ncRNAs如 siRNAs、micro RNAs和 piRNAs序列具有高度保守性，通过特定的碱基配对参与转录和转录后的基因沉默。但lncRNAs保守性差，且其调节基因的表达和多样化的机制尚未完全了解[10-12]。目前为止，只了解透彻一小部分功能lncRNAs，其已经被证明能够控制基因表达程序的各个层面[13]。虽然，这些RNA序列几乎没有保守性，但在分子机制上却具有相似性，故将其作用模式分为：信号模式、诱饵模式、指引模式、支架模式，个别lncRNA可能满足多个模式，从而可以利用这4种作用模式构建出框架来探究lncRNAs如何作为生物信号传感器的这种属性[14]。

2.1 信号模式 LncRNAs在组织中能够特异性表达以及应对不同刺激，表明其表达是在非常强大的转录调控之下。因为lncRNAs的转录发生在一个非常具体的时间和地点，以此，lncRNAs可以作为信号，来整合发展线索，解读细胞环境，或不同刺激作出反应。在这个模型中，一些lncRNAs具有监管功能，而另一些则仅仅是转录的副产品。这样可以通过它们相关lncRNAs的表达方便地推断调控元件的染色质状态。

2.2 诱饵模式 转录增强子和启动子无处不在，暗示了lncRNAs在调节转录中的核心作用[15]。这些lncRNAs调节转录的手段包括机制的多样性，其中一个主要的是作为诱饵分子多样性。这种模式的lncRNAs被转录，然后结合和调节目标蛋白质，但不产生任何额外的功能。

2.3 指引模式 主要分子机制是通过guide-RNA结合蛋白，然后直接定位到特定目标的核糖核蛋白复合物。

2.4 支架模式 传统观念认为，各种支架复合物的形成主要是依靠蛋白质的参与[16]。然而，最近的证据表明，lncRNA也可能发挥类似的作用，这是功能最复杂的一类lncRNA，它们能够同时结合多种效应因子，在时间和空间上影响转录激活或转录抑制。一旦清楚这种lncRNA是如何组装和调控的，便能有选择的去利用特定的信号组件，从而更改和重塑细胞行为。

3 LncRNA与糖尿病

3.1 ANRIL 全基因组关联研究（GWAS）发现，与2型糖尿病发病风险增加相关的若干个单核苷酸多态性（SNP）定位在细胞周期激酶抑制因子4（INK4）基因表达的lncRNA，即ANRIL[17]。ANRIL是INK4位点的反义长链非编码RNA（antisense non-coding RNA in the INK4b Locus），该INK4位点编码3种基因：P15INK4B（p15）、p14ARF 和 p16INK4a（p16），通过和决定G1期细胞向S期转化进程中的细胞周期蛋白依赖性激酶4/6（CDK4/6）特异性结合从而发挥负性调节作用，与cyclin D1共同完成对胰岛细胞增殖周期的调控。动物研究发现P15INK4B（p15）基因的过表达可引起小鼠胰岛发育不全，出现糖尿病症状[18]。ANRIL表达的下调可引起糖尿病在内的多种疾病的发生[19]。因ANRIL是其反义lncRNA，由此推测ANRIL通过负调控P15INK4B表达而导致糖尿病。ANRIL能够连接核心蛋白复合体PRC2（polycomb repressivecomplex 2）与P15INK4B基因，介导基因沉默，下调其表达[20]。上述机制仅基于表观遗传水平，而ANRIL与糖尿病的关系可能更为复杂，推测与其SNP有关，SNP可能会改变ANRIL的表达或功能，对β细胞的增殖能力产生影响，通过限制β细胞数量代偿性增加，增加糖尿病的易感性。

3.2 PVT1 糖尿病肾病是慢性肾功能衰竭和终末期肾病的最常见原因。其主要特点是细胞外基质过度积聚，肾小球和肾小管基底膜增厚，系膜基质增多，最终发展为肾小球硬化症和肾小管间质纤维化。虽然遗传和环境两大因素被公认导致了糖尿病肾病的发生、发展，但近年来发现，一些表观遗传因素如DNA甲基化、lncRNA、micro RNA也能够调控生物机制导致细胞外基质积聚，从而促进糖尿病肾病的发生。PVT1（plasmacytoma variant translocation 1）也是一种lncRNA，其位于人染色体8q24，由58个腺嘌呤、116个胞嘧啶、131个鸟嘌呤和55个胸腺嘧啶组成，能够增加肾脏系膜细胞中纤溶酶原激活物抑制因子-1和转化生长因子β1的表达，从而导致在高糖状态下肾小球中细胞外基质的积聚，纤连蛋白1也随之增多[21]。同时，PVT1能产生至少6个miRNAs，如 miR-1204，-1205，-1206，-1207-5p，1207-3p和-1208[22]。与PVT1相似，高糖状态下在肾脏细胞中大量表达的miR-1207-5p亦能够增加转化生长因子β1、纤溶酶原激活物抑制因子-1的表达量，且其作用方式独立于其宿主基因。PVT1是第一个发现的与肾脏疾病有关的lncRNA，但PVT1在细胞外基质聚积的作用机制是因其本身还是受其衍生的miRNA的影响仍有待进一步研究。

3.3 HI-LNC25 Wang和Chang[14]已发现lncRNA能够直接或间接地调控蛋白编码基因的表达。HILNC25是一个长约1.6mb的多功能外显子转录物，其不具有蛋白质编码的功能但包含胰岛特异的活性染色质簇，即一种胰岛特异性lncRNA。为确定该lncRNA与糖尿病发病机制的关系，对糖尿病患者进行研究，结果发现HI-LNC25在糖尿病患者中的表达明显下调[23]。进一步研究该lncRNA的功能，研究者构建了一个通过葡萄糖刺激人β细胞系（EndoC-β-H1）释放胰岛素的模型，通过抑制人β细胞中HI-LNC25 RNA的表达，检测了胰岛中24种mRNA的表达量。该实验观察到Glis3（Gli-similar3）mRNA表达量明显减少[24]。因此HI-LNC25能够调控Glis3 mRNA的表达，但具体的作用机制不明。Glis3是GLI样锌指蛋白家族的成员之一，其异常表达与新生儿糖尿病、1型糖尿病、2型糖尿病等密切相关。HI-LNC25能够调控与糖尿病发生相关的蛋白编码基因的表达，且其本身具有高度胰岛特异性，可能为药物靶点的研究提供更加新颖的思路。

3.4 H19和Airn 胰岛素样生长因子（IGFs）是人体中最重要的生长因子之一，其家族由IGF-1、IGF-2、IGF受体以及IGF结合蛋白（IGFBPs）组成，通过IGF-1受体和IGF-2受体特异性介导从而促进细胞的生长、发育，参与机体多种病理生理过程，与糖尿病的发生密切相关。近年来研究发现，胰岛细胞中有两种能间接或直接调节IGF受体表达的lncRNAs。一种是H19，其在哺乳动物中呈现进化保守性，是最早被鉴定的印迹基因之一，通过调控miR-675的表达，间接下调IGF-1受体，抑制妊娠期胎盘的生长[25]。另一种是 Airn（antisense to IGF-2RRNA non-coding），即IGF-2受体mRNA的反义非编码RNA，它是一个从父缘染色体转录的印迹基因，其发生转录重叠进而直接转录诱导沉默印记基因IGF-2受体[26]。这些发现表明lncRNAs可能在胰岛β细胞增殖、分化和糖尿病病理生理中扮演重要的角色。

3.5 MIAT Yan等[27]发现在糖尿病大鼠及糖尿病患者中MIAT的表达量显著上调，同样在体外，高糖也能诱发MIAT的上调。而且，干扰MIAT的表达能够改善糖尿病状态下的视功能以及修复视网膜血管。在体内敲除MIAT基因能够减少血管漏以及减少糖尿病诱导的促炎因子的释放，从而缓解视网膜血管的损伤。由于内皮细胞是糖尿病微血管病变的首个细胞靶点，所以又进一步研究了在体外培养的内皮细胞中MIAT的作用，发现通过siRNAs干扰MIAT的表达能够减少内皮细胞的炎性反应应答。研究者进一步探究了在内皮细胞中调控MIAT表达以及介导其功能的分子机制，发现在体外培养的内皮细胞中miR-150-5p靶向MIAT，抑制miR-150-5p可增加MIAT的表达水平，反之亦然。LncRNA在血管中的调控作用可能会为糖尿病视网膜病变的治疗提供新的方向。

3.6 MEG3 最近，在糖尿病患者胰岛中发现了一种只在母源等位基因上表达的lncRNA：MEG3。该基因位于染色体14q32，包含3种父源性表达的蛋白编码基因：DLK1、RTL1和DIO3。与1型糖尿病有关的SNP（rs941576）位于 MEG3 的基因内。Wallace等[28]在差异性甲基化位点的下游插入了一个基因导致父源相应染色体片段甲基化后发现MEG3、DLK1表达量的下降，他们认为MEG3这个母系表达SNP可以调节父源性表达的DLK1和RTL1，从而导致1型糖尿病的发生、发展。此外，在2型糖尿病患者胰岛中，MEG3和相关的miRNA表达水平的下降与MEG3-DMR的甲基化显著相关[29]。这些均揭示了MEG3及调节这个印记区域的重要性。另外，尽管该lncRNA与糖尿病密切相关，但在正常情况下，该印记区域中的基因亦在胰岛β细胞中广泛表达，但目前仍没有明确的机制来阐明其在正常胰岛β细胞及糖尿病中的作用机制。

3.7 Hymai新生儿糖尿病指出生后6个月内发生的一种糖尿病，有两种临床亚型，即新生儿暂时性糖尿病和新生儿永久性糖尿病。其中，发现人染色体6q24上的一种lncRNA，Hymai的母源性甲基化缺陷与新生儿暂时性糖尿病有关，但具体机制仍不明[30]。虽然新生儿糖尿病非常罕见，但其分子机制具有深远意义，不久的将来，也许能够通过调控干细胞，来治疗1型和2型糖尿病。

4 展望

LncRNA是目前生物医学领域的研究热点之一，其在细胞中的重要功能己被广泛接受，成为继miRNA之后的又一研究热潮。研究发现，基因组范围内搜索发现人胰岛细胞表达的lncRNA已超过1 100种[24]。目前，lncRNA在糖尿病中的研究尚属于起步阶段，已知的数据只是冰山一角，还有超过1 000种的胰岛lncRNA的功能有待去挖掘。LncRNA研究技术的不断更新和发展，将有助于揭示lncRNA在糖尿病中的调控机制，在未来，具有高度组织特异性的lncRNA有望成为新药作用的靶点，为糖尿病的治疗提供新思路。

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Long non-coding RNA and diabet es mellitus

Huang Shanshan*，Lu Yibing.*Department of Endocrinology，The Second Affiliated Hospital of Nanjing Medical University，Nanjing 210000，China

Lu Yibing，Email：luyibing2004@126.com

Long non-coding RNAs（lncRNAs）play important roles in biological processes and the dysregulation of lncRNAs is strongly related to a variety of human diseases.LncRNAs execute molecular functions through signals，decoys，guides，and scaffoldsmodel to regulate gene expression.In recent years，some studies confirm that lncRNAs，such as ANRIL，PVT1，HI-LNC25，H19，Airn，MIAT，MEG3，Hymai are important regulatorymolecules participate in the occurrence and developmentof diabetes.Furthermore，those lncRNAsmay be new diagnosticmarkersand therapeutic targets.

Longnon-coding RNA；Diabetesmellitus

（Int JEndocrinolMetab，2015，35：271-274）

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.04.016

国家自然科学基金资助项目（81270896）

210011 南京医科大学第二临床医学院（黄珊珊）；南京医科大学第二附属医院内分泌科（鲁一兵）

鲁一兵，Email：luyibing2004@126.com

2015-02-10）