长链非编码RNA在毒理学领域的研究进展

张丹燕，贾龙略，郭江峰

（浙江理工大学生命科学学院，浙江杭州310016）

长链非编码RNA在毒理学领域的研究进展

张丹燕，贾龙略，郭江峰

（浙江理工大学生命科学学院，浙江杭州310016）

大量研究表明，生物体在暴露于有毒化学物质、致癌物质和重金属后，长链非编码RNA（lncRNA）会发生异常表达。本文主要从lncRNA与微RNA（miRNA）的关系、不同有毒外源化学物质暴露后生物体特异lncRNA表达差异及相关毒理学机制等方面进行综述，旨在为环境毒理学中应用lncRNA进行生物监测提供参考。

长链非编码RNA；微RNA；毒理学

环境质量与健康息息相关，但经济发展带来的环境污染问题使人们身体健康受到不同程度的威胁。因此，研究环境污染，特别是各种环境污染因子对人体的影响具有重要意义［1］。研究表明，有毒化学物质通过调节特定长链非编码RNA（long noncoding RNA，lncRNA）来调控相关基因的表达，从而产生生理效应［2］。随着lncRNA成为研究热点，越来越多的技术被用于研究lncRNA。目前，常用的lncRNA检测技术有RNA免疫共沉淀、原位杂交和印迹杂交技术等［3］。在同等灵敏度下，lncRNA的检测与其他环境毒素评价手段比相对简单，其优越性体现在以下几方面：首先，环境污染物对生物体的影响最先体现在RNA的表达上，然后才有可能引发表型变化，产生组织病理变化。因此，检测生物体lncRNA的表达变化比组织病理变化灵敏度更高。其次，在RNA水平检测环境毒素对生物体的影响有利于早期监测到环境中的有害物质。最后，lncRNA检测有助于研究毒理学效应的分子机制，在毒理学领域应用前景广阔。例如，利用RNA-seq可发现新的lncRNA，而实时荧光定量PCR多年来一直是评估疾病相关基因表达水平变化的最佳方法［4-5］。这些技术也可用于检测毒性特异性表达的lncRNA和分析毒理学相关lncRNA的表达变化。生物体暴露于有毒物质后，通过检测lncRNA的差异表达有助于阐明有毒物质的分子作用机制。

竞争性内源RNA假说认为，lncRNA可作为竞争性内源RNA与mRNA竞争性结合微RNA（microRNA，miRNA）［6］。因此，研究lncRNA相关的分子作用机制主要聚焦于lncRNA能否与miRNA相互作用从而影响靶基因的表达。目前，利用第二代测序技术已在越来越多的癌症转录本中发现数千种异常表达的lncRNA与不同癌症相关［7］。然而，关于lncRNA在毒理学中的研究进展综述较少。为进一步了解lncRNA在毒理学中的应用价值，本文总结了近6年来lncRNA在生物体暴露于不同的有毒外源化学物质后特异性的差异表达以及相关毒理学机制的研究，旨在为环境毒理学研究中利用检测lncRNA的表达变化评价环境污染物提供一条新思路。

1 长链非编码RNA概况

lncRNA通常被定义为长度200 bp～100 kb的无蛋白质编码功能的RNA分子，缺少可预见的开放阅读框，其启动子区与二级结构具有保守性。lncRNA在基因的表达调节中起着关键作用［8］。大多数特征性lncRNA和mRNA有着相同的转录机制，利用RNA聚合酶Ⅱ转录，经过剪接加工而成熟［9］。

lncRNA大部分位于细胞核内，分布于细胞质内的lncRNA可结合在核糖体上或自由分布于细胞质中［10］。此外，lncRNA在细胞器中也有分布［11］。随着近年来科学家们的不断研究，一些由线粒体基因编码或定位于线粒体的lncRNA逐渐被发现［12］。

2 长链非编码RNA的生物学功能

lncRNA以多种方式参与基因表达调控。研究显示，增强子相关的lncRNA可在其合成位点附近起作用，通过RNA依赖性或非依赖性机制增强染色体近端蛋白编码基因的转录活性［13］。例如，在敲除Malat1的成年小鼠中，小部分基因异常表达，其中许多是Malat1的相邻基因，这表明Malat1基因对转录具有顺式调节作用［14］。lncRNA在植物、真菌和动物中通过DNA甲基化和翻译后组蛋白修饰调节基因表达。研究发现，ecCEBP，Dali，Dum，Dacor1和LincRNA-p21等lncRNA的异常表达会引起DNA甲基化程度改变［15］。Tsai等［16］发现，lncRNA HOTAIR至少是2个不同组蛋白修饰复合物的支架。lncRNA也可控制染色质结构，包括核小体定位和染色体循环［17］。lncRNA Xist与其反义转录物Tsix共同参与X染色体的沉默［18］。此外，lncRNA还可与mRNA，tRNA和miRNA等其他RNA相互作用。Gong等［19］发现，lncRNA 1/2-sbsRNA能与2种mRNA的3′UTR相互作用。lncRNA与其他RNA的相互作用可能是调节基因表达的重要途径之一。除了参与基因表达调控，lncRNA还有许多功能。Pauli等［20］发现，在斑马鱼胚胎形成过程中表达的1133个lncRNA中，有小RNA（small RNA，sRNA）的前体。在人黑色素瘤细胞中，lncRNA SPRY4-IT1的敲除可改变脂质代谢而诱导细胞凋亡［21］。在医学领域，lncRNA可作为癌症的新型生物标志物［22］。

3 长链非编码RNA与微RNA

miRNA是一种长度为18～25个核苷酸的单链RNA，在基因调控中发挥重要作用。研究发现，miRNA在毒理学中起着生物标志物作用。例如，斑马鱼暴露于β-二酮抗生素后，miR-124和miR-499表达差异显著［23］。用农药氟虫腈（fipronil）处理斑马鱼发现，miR-216b和miR-499的表达显著下调［24］。

lncRNA可能作为一种竞争性内源RNA与miRNA相互作用，参与靶基因的表达调控，两者共同参与多种疾病的发生［25］。研究发现，lncRNA可携带miRNA识别元件并且成为与miRNA相互作用网络的一部分，从而发挥重要的调控作用。Jalali等［26］研究表明，HEK293细胞中共有15 983个高置信度miRNA识别元件簇。这些miRNA识别元件簇分别对应来自GenCode注释数据库113个lncRNA外显子和4480个的mRNA外显子。Ye等［27］通过生物信息学方法分析了胰腺癌中的lncRNA与miRNA的调控关系，发现在lncRNA-miRNA-mRNA调控网络中，19种miRNA的异常表达受到异常表达的lncRNA调控。可见，在毒理学中，lncRNA-miRNA-mRNA这一调控通路中miRNA直接影响靶基因的表达，而lncRNA通过竞争性地结合miRNA可间接地影响靶基因的表达。这不仅有助于研究lncRNA的功能，还为毒理学研究开辟了一条新的思路。

4 长链非编码RNA在毒理学中的研究

过去6年的文献结果 表明，lncRNA的表达调控受到各种化学物质的影响，如多环芳烃、苯、镉（Cd）、毒死蜱甲酯、双酚A、邻苯二甲酸酯、酚和胆汁酸［28］。毒理学效应与病理生理条件下引起的特异性表达的lncRNA是不同的。区分毒理学效应和病理学变化需找出毒理学效应中特异性差异表达的lncRNA。本文将分别从有毒化学物质、致癌物质和重金属等外源因素来综述lncRNA的毒性特异性表达在毒理学中的重要作用。

4.1 有毒化学物质对长链非编码RNA表达的影响

Tani等［29］分别用0，1，10和100 μmol·L-1的放线菌酮和过氧化氢处理人诱导多能干细胞，采用实时荧光定量PCR实验分析lncRNA相对表达差异，他们发现，MIR22HG，GABPB1-AS1，LINC00152和LINC0541471_v2的表达水平随着放线菌酮浓度的增加而增加。同样地，随着过氧化氢浓度的递增，CDKN2B-AS1，GABPB1-AS1，FLJ33630和LINC0541471_v2的表达也相应增加。表明这些lncRNA以剂量依赖的方式响应细胞胁迫。因此，lncRNA的表达水平可用作指示人诱导多能干细胞受到的化学胁迫程度。

除了放线菌酮和过氧化氢，甲基丙烯酸环氧丙酯（glycidyl methacrylate，GMA）也是环境中一类有毒物质，具有遗传毒性。通过分析经GMA诱导的16HBE恶性转化细胞及同代龄DMSO对照组细胞的lncRNA表达差异，发现lncRNA PCA3表达上调及其相关蛋白编码基因PRUNE2表达下调。那么，lncRNA PCA3可作为GMA诱导的16HBE恶性转化细胞中相关特异分子标志之一［30］。暴露于浓度＞5 μmol·L-1亚砷酸钠可诱导动物胚胎毒性和致畸作用的发生。长期饮用受亚砷酸钠污染的水对人体健康有影响，可能导致不同形式的癌症和神经系统异常［31］。研究表明，亚砷酸盐影响机体健康的机制与lncRNA有关。MALAT1通过改变低氧诱导因子1α的稳定性来增强亚砷酸盐诱导的糖酵解。这一结果 建立了lncRNA的诱导和暴露于亚砷酸盐的细胞中的糖酵解之间的联系，并且说明了亚砷酸盐诱导肝中毒的机制［32］。

4.2 致癌物质对长链非编码RNA表达的影响

苯并芘是多环芳烃中毒性最大的一种强烈致癌物。用苯并芘和助溶剂DMSO分别处理BEAS-2B细胞45 h后分析lncRNA-DQ786227的相对表达量发现，苯并芘处理后的细胞与未经处理细胞相比，lncRNA-DQ786227的表达显著上升；而助溶剂DMSO处理后的细胞与未经处理细胞相比，lncRNA的表达无显著差异。结果 表明，lncRNADQ786227通过影响细胞凋亡来参与癌症的发生。这一结果 为苯并芘诱导的细胞转化中lncRNA的致癌作用提供了新的见解，lncRNA-DQ786227有望成为癌症的治疗靶标［33］。同为芳烃的苯也是常见的工业原料。研究发现，lncRNA在苯诱发的血液恶性肿瘤发生中起着重要的作用。NR_045623和NR_028291这2种关键的lncRNA参与免疫应答、血细胞生成、B细胞受体信号传导途径和慢性髓细胞性白血病（chronic myelogenous leukemia，CML），表明NR_045623和NR_028291可能是与苯血液毒性相关的关键基因［34］。

除环境中接触到的致癌物质，食物中也可能含有致癌物质，如磨碎的焙炒咖啡、速溶咖啡和加工的婴儿食品中存在相对高水平的呋喃污染［35］。呋喃可引起啮齿动物肿瘤［36］。Recio等［37］发现，与未暴露于呋喃的小鼠相比，lncRNA-p21和lncRNA Chromosome（Chr.）9：78107225-78118850在用呋喃8.0 mg·kg-1处理3周后的B6C3F1雌小鼠肝中表达显著上调。由于lncRNA可反映与毒理学相关的一系列生物学过程，可作为接触致癌物的综合表观基因组生物标志物。

4.3 重金属对长链非编码RNA表达的影响

越来越多的证据表明，lncRNA参与环境胁迫引起的多种生物反应。有毒重金属镉（cadmium，Cd）是环境中的主要无机污染物之一。用CdCl240，80和120 mmol·L-1处理甘蓝型油菜，发现301种lncRNA应答Cd胁迫，Cd诱导的lncRNA表达与其附近的蛋白质编码基因相关。许多与lncRNA相邻的编码基因参与Cd的吸收、转移和应答反应，表明相关的lncRNA可能有类似的功能［38］。Cd处理48 h后，果蝇的全基因组转录本中涉及数千基因表达水平的变化，但只有一小部分基因改变大于20倍，其中包括6种lncRNA［39］。经CdCL2处理后，大鼠会以剂量依赖的方式增加大鼠肺中ENST00000414355的表达，并观察到血液中ENST00000414355表达和尿/血Cd浓度之间的显著的正相关。说明lncRNAENST00000414355可作为DNA损伤和修复的标志，且与镉毒性表观遗传机制相关，并成为Cd毒性的新型生物标志物［40］。上述证据表明，lncRNA可能参与了Cd引起的生理毒性。

5 展望

近年来，世界各地的科学家利用高通量测序等技术已经建立了一些lncRNA数据库。随着lncRNA在各种肿瘤、疾病发生中的作用及其机制研究的逐渐深入，lncRNA的功能也越来越被人们所了解。研究表明，受到外源化学物质胁迫时，显著性差异表达的lncRNA可作为环境毒物的生物标志物。同时，日渐成熟的lncRNA检测技术可被应用于环境监测，以便于更早、更灵敏地检测到环境污染物。然而，由于lncRNA的定义范围较大，识别和鉴定毒性特异性差异表达的lncRNA仍然面临着许多困难和挑战。lncRNA在毒理学研究中的重点和难点主要是关于lncRNA的分子作用机制的研究。相信随着新工具和新技术的开发，lncRNA的功能会逐渐被人们所了解，成为毒理学研究的一大热点并为环境毒理学研究开辟一条崭新的道路。

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Reseach progress in long non-coding RNA and its toxicology

ZHANG Dan-yan,JIA Long-lue,GUO Jiang-feng
(College of Life Sciences,Zhejiang Sci-tech University,Hangzhou 310016,China)

A large number of studies have shown that long non-coding RNAs(lncRNAs)display abnormallity in organisms exposed to toxic chemicals,carcinogens and heavy metals.In this paper,the relationships between lncRNAs and microRNAs(miRNAs),the expressions of lncRNAs in organisms exposed to different exogenous toxic chemicals and the related toxicological mechanism are reviewed in order to provide reference for biological monitoring with lncRNAs in environmental toxicology.

long non-coding RNA;microRNA;toxicology

The project supported by Zhejiang Provincial Natural Science Foundation(LY15B070012)

GUO Jiang-feng,E-mail:jfguo@zstu.edu.cn,Tel:(0571)86843061

R99

A

1000-3002-（2017）06-0696-05

10.3867/j.issn.1000-3002.2017.06.029

2017-03-06接受日期：2017-05-15）

（本文编辑：贺云霞）

浙江省自然科学基金（LY15B070012）

张丹燕，硕士研究生，主要从事化学物质毒理学机制研究。

郭江峰，E-mail:jfguo@zstu.edu.cn，Tel：（0571）86843061