长链非编码RNA与男性不育的研究进展

黄纪红，陈建伟，魏任雄

·讲座与综述·

长链非编码RNA与男性不育的研究进展

黄纪红，陈建伟，魏任雄

目前世界范围内不育夫妇约占已婚夫妇的15%，而男方因素造成不育的占40%～50%［1］。不育症病因复杂，目前检测手段和相关研究还较单一，从分子领域开展对于男性不育症的研究已成为重要手段，包括精子DNA损伤、精浆游离miRNA、外周血染色体多态性、精子线粒体基因变异和缺失等研究，为不育症病因分析领域开辟了新的局面。研究发现，长链非编码RNA分子（lncRNA）在恶性肿瘤、神经系统疾病及动物发育等领域均起着重要的作用。lncRNA显示出良好的应用前景，但其在男性生殖方面的相关研究报道较为少见，进一步阐明其作用机制显得十分重要。故本文就lncRNA在男性不育症中的研究进展作一综述。

1 LncRNA概述及作用机制

根据长度的不同，非编码RNA有短链和长链之分，其中短链非编码RNA包括microRNA（miRNA）、siRNA、核糖体RNA及与Piwi蛋白相互作用的RNA（piRNA）等［2］，目前对于短链非编码RNA的研究已得到较为广泛的关注。LncRNA起初被视为无用的"垃圾"，仅是RNA聚合酶Ⅱ转录的副产物，不具备生物学功能。而近年来的研究证实，LncRNA有着多种生物学功能。LncRNA是一组内源性RNA转录物，其长度超过200个核苷酸，但缺乏开放阅读框（ORF）和蛋白编码功能。这些LncRNA包括有不与编码基因重叠的RNA、天然反义转录本、假基因、长的内含子区非编码RNA等［3］。根据LncRNA与邻近蛋白编码RNA的位置关系，可以分为正义、反义、双向、基因内及基因间lncRNA五大类［4］，其位置与功能有一定的相关性。非编码RNA分子被证实与很多复杂的疾病相关［5］，而近年来越来越多的LncRNA被证明其在分子遗传水平有着重要的功能，包括参与基因组印记过程、剂量补偿效应、胚胎发育和细胞结构的完善、干细胞的程序再编等［6］。lncRNA在表观遗传学水平可通过DNA甲基化或去甲基化，RNA干扰，组蛋白修饰，染色质重构等调节表达，在精子发生及受精过程中发挥重要的作用［7］。

尽管LncRNA在多个领域都发挥着重要的作用，但其机制十分复杂，调控基因表达和染色质结构的机制［8］可能有：（1）竞争者。LncRNAs通过自身的转录抑制其他基因的表达，干扰相邻蛋白质编码靶基因的表达，这种由转录介导的基因沉默也叫转录干扰［9］。（2）激动者。LncRNA作为转录因子的共激活因子调控基因转录，激活表观遗传修饰或补充特定的靶位点，从而增强DNA甲基化和组蛋白修饰［10］。（3）前体。LncRNA可以通过特定的核糖核酸酶形成小分子RNA的前体分子进行转录，如微小RNA。此外，LncRNA可以作为基因活化剂（信令原型），基因抑制因子（诱饵原型）及染色质修饰剂（支架原型）来调节表达［11］。前两种类型（信令和诱饵）处理基因表达调控，而后者（支架）则处理的是表观遗传修改。总之，正因为LncRNA多样的种类和数目，使得它对基因表达调节方式也是多种多样。LncRNA可以通过重塑染色质的结构来调节表达，也可以通过顺式或反式方法来调控基因表达水平。

2 LncRNA与男性不育

任何病理因素破坏了男性生殖的任何环节，都将引起男性不育的发生。有资料显示［12］，精液质量异常、精索静脉曲张、生殖道感染和性功能障碍是其主要的影响因素。研究表明［13］，遗传因素同样是导致男性不育的主要因素。针对表观遗传学研究的进一步发展，为男性不育发病机制的阐明提供了可能，DNA的表观遗传修饰在精子生成过程中发挥着重要作用。表观遗传修饰异常将对精子数量和质量产生影响，导致男性生殖障碍。Alfred等［14］发现，Mrhl、HongrES2、Tsx和Dmr等功能性LncRNA在精子发育过程中发挥了作用。LncRNA可以通过多种途径调节DNA甲基化、组蛋白修饰及染色质重构，在男性不育的发生和发展中起着重要的作用。

2.1 DNA甲基化与男性不育DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶（DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（SAM）为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上的过程。在哺乳动物中，DNA甲基化主要发生在5’-CpG-3’的C上，生成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，其强烈地参与基因表达的生理控制，在基因表达调控精子发生过程起着举足轻重的作用［15］。有研究发现［16］，DNA甲基化一旦影响基因的表达，进而影响男性生殖器官的发育、精子的形成和男性性行为，这表明DNA甲基化的异常可能诱发男性发育及生殖功能的改变。亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）是一种与甲基供体有关的酶，也是在叶酸代谢过程中起重要作用的酶，而叶酸又影响着细胞DNA甲基化水平和基因表达，在平衡DNA的合成和DNA甲基化的甲基组池中具有关键作用。Kimmins等研究发现给雄性小鼠终生喂食缺乏叶酸的食物，将导致雄性小鼠精子DNA的甲基化水平发生改变及出现生育能力的降低。H19基因属于人类发育印迹基因，为目前公认的LncRNA。李建波等［17］研究显示，在少精子症男性不育患者中，印迹基因H19控制区域的DNA甲基化丢失明显，而且其精子浓度越低，甲基化丢失程度越高，且与精子活力无关。

2.2 组蛋白修饰与男性不育组蛋白修饰是表观遗传修饰的一种重要的调节方式。细胞生长时，DNA以染色质的形式存在于细胞核中。染色质的基本结构单位是核小体，其核心是由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两个分子形成的一个组蛋白八聚体，DNA分子盘绕在组蛋白八聚体构成的核心结构外面［18］。Scott等［19］发现四个核心组蛋白尾部结构的翻译后修饰（PTMs），可与已知的单修饰状态的CpG二核苷酸结合，调节基因组表达。核小体主要是由组蛋白构成的，其N-末端氨基酸残基可发生多种修饰方式如甲基化、乙酰化、泛素化等，它们存在着一定的协同或拮抗关系。组蛋白的甲基化由组甲基化转移酶介导，赖氨酸残基可以发生单甲基化、二甲基化或三甲基化，精氨酸或赖氨酸的甲基化参与了精子发生过程中基因转录的激活或抑制，直接或间接影响精子的发生［20］。组蛋白赖蛋白氨酸残基的乙酰化主要依靠组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的调控［21］。这两种酶所催化乙酰化和去乙酰化在精子发生过程中起了重要的调控作用。组蛋白变体H2AX的磷酸化（也称为H2AX）能修复DNA损伤精子，其与组蛋白乙酰化同步进行，启动与DNA损伤相关的组蛋白编码，从而在受精卵S期发挥修复作用。Qiu等［22］研究发现，在精子发生过程中，组蛋白的降解最终导致约96%的单倍体基因组丢失，只有4%的组蛋白将其所载表观遗传信息传给了下一代。精子中组蛋白的选择性降解可能有利于清除可导致疾病的表观遗传印记，并避免清除父代获得的、有益的表观遗传印记。

2.3 染色质重构与男性不育染色质重构同样也是表观遗传修饰的另一种重要方式。LncRNA通过与染色体上较大范围的区域结合，发生染色质重构，影响基因表达。染色质重构是通过ATP依赖的染色质重塑复合物的调节，其组织结构出现一系列变化，使得转录因子与核小体DNA易于结合，达到控制基因转录等目的［23］。染色质结构的调整可以起到激活和抑制基因表达的影响。其在基因表达上发挥了以下几点作用［24］：染色质的去凝缩、异染色质化、染色质的削减及DNaseI超敏感点与基因的表达调控等。James等［25］提出在精子形成过程中染色质成分可能产生转录水平的变化，而ATP依赖的染色质组装和重构因子正是用来阻止这些变化的。

3 问题与展望

作为新发现的表观遗传调节形式，LncRNA在男性不育等生殖领域疾病的发生发展中发挥了重要作用，但相关研究还十分缺乏，发现更多的与生殖过程相关的lncRNAs并诠释它们的功能十分必要。随着新一代测序技术、生物信息学技术等的发展，lncRNA在男性不育中的作用将得到广泛的关注。

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10.3969/j.issn.1671-0800.2016.03.075

R394.32

C

1671-0800（2016）03-0419-02

2015-07-10

（本文编辑：钟美春）

310053杭州，浙江中医药大学（黄纪红）；浙江中医药大学附属宁波市中医院（陈建伟、魏任雄）

陈建伟，Email：medicalsystemscb@163.com