长链非编码RNA的异常表达在肿瘤中的作用

杨培培 宇 龙 孔 旭 杨文奇

人类基因组测序分析显示，不到2%的基因转录并编码蛋白质，而另外超过98%基因转录为非编码RNA(non-codingRNAs，ncRNAs)。长链非编码RNA(long non-codingRNA，LncRNA)是一类核苷酸长度>200 nt的ncRNAs的总称，仅有有限的或无蛋白质编码能力，主要以RNA的形式参与表观遗传修饰、转录或转录后修饰等多种层面的基因表达调控。LncRNA在基因沉默、转录激活、转录抑制、转录后调控、染色质修饰等多方面发挥广泛的调节作用[1-3]。目前已有许多研究[4-7]指出,肿瘤组织中的LncRNA与肿瘤发生、发展关系密切，涉及到转录、转录后调控、表观遗传控制等各级层面。本文结合近年来LncRNA在肿瘤细胞中的异常表达情况及其与蛋白质、其他种类的RNA或DNA的相互作用机制，对其在肿瘤发生、发展中扮演的角色做一综述。

1 LncRNA在肿瘤细胞中与蛋白质的相互作用

肿瘤的发生、发展是一个复杂的过程，包括各种不同的基因突变、表观遗传修饰的改变、癌基因激活、抑癌基因失活、环境致癌因素等。以往对肿瘤的研究往往把焦点放在编码蛋白的功能基因上，但近些年一些研究[8-9]揭示了ncRNA尽管不编码蛋白质，但却是细胞新陈代谢和生理活动中的重要活性物质，尤其是LncRNA与蛋白质的相互作用在肿瘤发生机制中有重要的作用。根据LncRNA在与肿瘤蛋白相互作用中扮演的不同角色，可将其归纳为4种作用机制：信号分子、引导蛋白靶向、诱饵蛋白和蛋白支架。

1.1 LncRNA的信号分子作用

信号LncRNA的表达参与特定的信号通路，无论通过直接作用或是间接作用，其表达意味着一些活化的信号通路。在急性T淋巴细胞性白血病中，LncRNA LUNAR1作为NOTCH信号通路的下游效应分子可增强胰岛素样生长因1受体的(insulin-like growth factor 1 receptor，IGF1R) mRNA 表达，并对维持胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)的信号有重要作用[10]，对急性T淋巴细胞白血病的肿瘤细胞增殖有促进作用。而在另一项研究[11]中发现P53调节的LncRNA lincRNA-P21可作为信号分子与hnRNP-k合作激活P21基因的表达，进一步影响肿瘤抑制基因P53的信号路径，强化G1/S检查点作用。LncRNA的这种信号分子作用可在特定组织和时间通过与其他活性物质的协调作用调节细胞增殖、分化。

1.2 LncRNA引导蛋白靶向定位于特定NDA序列

LncRNA可与特定蛋白质结合并指导所形成的复合物定位于DNA的特定位点，调节基因表达。Gupta等[12]发现在乳腺癌中异常高表达的LncRNA HOTAIR通过招募多梳蛋白抑制性复合体2(polycomb repressive complex2，PRC2),在全基因组范围内引导PRC2与特定基因位点结合，引起组蛋白H3 27位赖氨酸的三甲基化，进一步引起转移抑制基因的表观沉默，其结果与患者的不良预后及肿瘤转移有关，并且可作为肿瘤转移和预后的预测因子。另一些研究[13-16]同样也显示了异常表达的LncRNA 可通过引导蛋白靶向导致肝细胞癌、结直肠癌、胰腺癌的肿瘤细胞转移及不良预后。LncRNA也可激活抑癌基因表达，LncRNA TARID可与适配蛋白GADD45A结合定位于基因的特定位点，招募DNA脱甲基酶，介导抑癌基因TCF21启动子的去甲基化作用，促进其表达[17]。在前列腺癌中，LncRNA PCGEM1通过招募PYGO2蛋白并定位于雄激素基因的增强子和启动子区域，影响雄激素诱导的基因表达[18]。这种LncRNA通过类似接头分子的作用引导特定蛋白质定位于基因组的相关区域，调节基因表达或引起表观遗传改变，在肿瘤的发生、发展中起到重要作用。

1.3 LncRNA与特定蛋白质结合发挥诱饵作用

LncRNA通过与蛋白质结合而抑制它们的生物学活性，发挥分子诱饵作用，负性调节蛋白质的表达。LncRNA GAS5可与糖皮质激素受体结合并抑制其所诱导的基因表达[19]。人乳腺癌组织中高表达的LncRNA PANDA可与转录因子NF-YA结合，抑制促凋亡基因表达，促进肿瘤生长[20]，LncRNA TERRA可通过其重复序列与端粒酶相互作用而降低酶活性[21]，而端粒酶活性的异常在肿瘤的发生、发展中有重要作用。上述研究发现作为分子诱饵的LncRNA可与激素、转录因子、酶等蛋白质作用并抑制其功能表达，在肿瘤发生、发展中起到关键作用。随着一些探讨LncRNA与蛋白相互作用的新研究体系的建立，如紫外交联免疫沉淀技术(UV cross-linking and immunoprecipitation,CLIP)、RNA原位成像技术(RNA fluorescence in situ hybridization,RNA-FISH)及CLIP联合高通量测序技术(CLIP-seq)使得原本难以观测的高精度LncRNA-蛋白质相互作用成为可能。这些技术体系的建立，为研究LncRNA在基因组范围内的调节作用提供了强有力的工具，也为人类进一步认识LncRNA的作用提供了高效的途径。

1.4 LncRNA的蛋白支架作用

某些LncRNA本身可作为细胞结构的组分之一，并与其他组分如蛋白质、RNA等形成复合物，共同发挥生物学功能。

LncRNAMALAT1，也称为NEAT2，最初在非小细胞肺癌中发现并被作为一种预后因子，后来发现其在多肿瘤中均有异常表达，如乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌等，而且其高表达与肿瘤细胞转移和不良预后相关。MALAT1主要定位在细胞核的核斑中 ，和某些蛋白质共同参与核斑的构成及稳定，并参与mRNA的可变剪接，但这种可变剪接在肿瘤发生中的作用仍不清楚。有研究[22]报告MALAT1的异常表达在肿瘤细胞的增殖、转移、浸润中扮演关键角色。另有研究[23]指出，MALAT1与致瘤性转录因子B-MYB的表达有关，并通过调节细胞周期调控的转录因子和mRNA的前体加工过程促进细胞增殖。Tano等[24]研究发现MALAT1通过对运动相关基因的转录及转录后调节促进肺癌细胞的运动。类似于MALAT1，LncRNA NEAT1特异性地参与胞核内旁斑的构成，并在旁斑的形成及功能维持方面起关键作用。Choudhry等[25]研究发现在乳腺癌和一些实体瘤中，缺氧诱导因子(HIF)可诱导NEAT1的表达，并促使旁斑形成，而旁斑可进一步发挥抑制转录激活蛋白的功能并且具有RNA A-to-I(adenosine to inosine)编辑模式的作用，并且缺氧诱导NEAT1可加快肿瘤细胞增殖，抑制细胞凋亡，其在乳腺癌中的高表达和不良预后相关。

总结以上LncRNA与蛋白质的相互作用可知，LncRNA并非是一种转录噪音，其可与包括酶、转录因子、信号分子、结构蛋白等在内的蛋白质相互作用，在转录或转录后水平调节基因表达，使得基因表达调控更加立体和复杂，也为人类在另一个层面上认识肿瘤基因的异常表达和寻找有效的药物靶点提供了新线索。

2 LncRNA与miRNA的相互作用

Tay等[26]认为只要LncRNA含有miRNA应答元件均可以与miRNA相互作用，在基因调控网络中形成内源竞争性RNA或miRNA海绵，这些RNA之间的通讯及相互调节构成了一个RNA交联网络，为我们认识基因调控网络及肿瘤发生、发展提供新的途径。

有研究[27]报告LncRNA CCAT1在胆囊癌中异常高表达，并且与肿瘤的TNM分期相关，进一步研究提示CCAT1通过海绵作用抑制miRNA-218-5p表达，而后者则通过沉默促癌基因Bmi1抑制肿瘤细胞浸润、转移及增殖，即CCAT1可通过负性调控miRNA-218-5p而促进Bmi1的表达，促进肿瘤发生、发展。Wang等[28]研究发现LncRNA HULC在肝细胞肝癌中异常高表达，并含有miRNA-372结合位点，通过海绵样作用负性调节miRNA-372的表达和功能，且构成了一个自身调节环路：由HULC引起的miRNA-372表达抑制可减少后者对靶基因PRKACB的翻译抑制作用，而PRKACB的蛋白产物作为丝/苏氨酸蛋白激酶家族成员可磷酸化cAMP 效应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，并增强CREB依赖的HULC的表达。相反的，LncRNA PTCSC3被发现在甲状腺癌中普遍低表达。Fan等[29]研究发现在不同的甲状腺癌细胞中,转染PTCSC3除了有抑制肿瘤生长、细胞周期抑制和增加细胞凋亡以外，也可明显降低致瘤性miR-574-5P的表达水平。除了与miRNA相互作用外，LncRNA还可与mRNA相互作用调节基因表达。类固醇受体调节的LncRNA PCA3在超过95%的前列腺癌中高表达，其可与肿瘤抑制基因转录本mRNA PRUNE2前体结合形成双链RNA复合体，并招募RNA编辑酶，引起A-to-I编辑，抑制PRUNE2的功能[30]。

LncRNA与miRNA的相互作用形成的交联网络在基因表达调控中具有重要意义，目前对它们的研究仍处于初级阶段，进一步深入探索它们的异常调节在肿瘤发生、进展中扮演的角色,将有助于在整体上重新认知肿瘤并为寻找有效的药物作用靶点提供新的思路。

3 LncRNA通过干扰特定DNA转录起始复合物的形成抑制基因表达

一些ncRNA转录活动本身可以影响邻近DNA的转录活性[31]。某些LncRNA在转录时可影响下游蛋白编码基因的转录因子与相应位点的结合，阻碍其形成转录起始复合体，进而抑制其转录。Martens等[32]在研究酿酒酵母SER3基因表达调控时发现一种高表达的ncRNA(SRG1) ,其转录本穿过SER3基因的启动子区域，干扰转录因子与SER3启动子的结合，进而抑制其表达。Martianov等[33]研究发现一种起源于二氢叶酸还原酶(dihydrofolate reductase,DHFR)启动子位点上游的LncRNA可抑制下游蛋白编码基因的表达，这种LncRNA既可在原位，也可在远距离上与DNA中DHFR启动子形成RNA-NDA复合体抑制基因表达，也可直接与转录因子IIB结合，影响转录复合体在DHFR启动子上形成，从而抑制基因表达。DHFR参与某些信号通路，与肿瘤形成及耐药关系密切，这些现象可被称为转录干扰。除了这种直接干扰DNA转录的方式外，LncRNA还可以引起组蛋白修饰及染色质重塑，抑制基因表达[34]。目前大多数相关研究仍然聚焦在LncRNA与蛋白质及其他RNA的相互作用机制上，有关LncRNA和DNA的之间的直接作用关系在肿瘤中的研究较少，但有理由相信作为遗传信息载体的DNA和RNA在遗传信息表达紊乱的肿瘤中存在密切关系。

4 展望

随着生命科学进入后基因组时代以及分子生物学、生物信息学、基因芯片技术、深度测序技术等的发展，产生了海量的关于基因及基因表达调控的数据,通过对这些数据的整理、分析，使我们逐渐认识到不仅DNA、mRNA、蛋白质在肿瘤中出现异常，曾经被认为无意义的LncRNA也已被证明在肿瘤的发生、发展、浸润中扮演关键角色，并促使人们能在更为完整的调控网络中认识肿瘤。因此，对LncRNA的深入研究不仅可帮助理解肿瘤的发生，还可以在诊断、治疗策略及预后分析中提供线索和思路。当然，现在的研究还面临很多困难和挑战，其一，大量的LncRNA和它们的异常表达在不同的恶性肿瘤中被发现，所以鉴定其中最重要的具有肿瘤特异性的LncRNA至关重要。其二，绝大多数LncRNA的高级结构和功能仍然未知，这使得基于LncRNA的诊疗策略变得无的放矢。另外，和编码蛋白的mRNA不同，LncRNA在不同种系间保守性很差，所以体外关于LncRNA的结构和功能的研究并不能直接用于人体，这仍需要进行更为详细深入的临床及基础研究，目前CRISPR/Cas9技术在基因敲除、敲入及点突变等方面的进步可帮助我们了解LncRNA的生物学功能。

总之，深入探索LncRNA在肿瘤发生、诊疗中的潜能，有助于更加完整地认识LncRNA的特征和功能，并为我们提供更为详尽的关于肿瘤发生与基因表达及调节异常的关系。