长链非编码RNA(LncRNA)在恶性肿瘤与代谢紊乱相互关系中的作用

王方文 陈 姝

恶性肿瘤已成为影响人民健康的重要疾病之一。据2018年公布的数据显示，我国恶性肿瘤新发病例占全球的23.7%，而死亡病例约占全球因恶性肿瘤死亡人数的30%，对大众健康和经济发展造成了极大的危害[1]。尽管广大人民群众和临床医生对恶性肿瘤的认识不断提高，然而我国癌症的发病率和病死率仍持续增加，其原因与我国人民的生活水平显著提高，不良生活方式增加，使某一些肿瘤的发生呈逐年增长的趋势。随着基础医学和临床医学研究的不断深入，越来越多的证据显示，包括葡萄糖、脂肪酸等多种代谢的紊乱均是恶性肿瘤发生的重要危险因素和致病原因[2]。研究显示，葡萄糖、脂肪酸等代谢紊乱或代谢综合征可显著增加癌症的患病率和病死率，使大肠癌、膀胱癌、子宫内膜癌、胰腺癌、宫颈癌等风险大幅度增加，其增幅可达到80%以上[3]。所有的代谢紊乱因素，包括超重或肥胖、高血压、高血糖、血脂异常等，均被证实可显著增加癌症的死亡风险[4-7]。

越来越多的基础和临床研究指出，包括炎症、氧化应激以及内分泌因子等多种因素介导了代谢紊乱与恶性肿瘤之间的相互作用。代谢综合征已被证实为一种慢性炎症性疾病，而肥胖、2型糖尿病或高脂血症等造成了多种炎症因子的释放。包括白介素-6(interleukin-6, IL-6)、IL-8及肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)等炎症因子可能通过激活核因子-κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)通路促进了肿瘤的发生、生长和侵袭等[8]。葡萄糖、脂肪酸等代谢紊乱造成的细胞无氧呼吸以及糖酵解增强，将一般细胞的三羧酸循环有氧代谢模式转变为适合肿瘤细胞产生、增殖和侵袭的代谢模式，而氧自由基的堆积也增加了正常细胞的突变风险，诱发了恶性细胞增殖[9]。糖酵解是肿瘤代谢的重要途径之一。为了保持肿瘤细胞的快速增殖和生长，肿瘤细胞需要大量的ATP和能量供应，因此，尽管在有氧环境下，肿瘤细胞的功能仍采用糖酵解的方式进行，这被称为Warburg效应。此外，多种内分泌因子被认为在代谢紊乱和恶性肿瘤不良交互影响中发挥了巨大的作用。例如，胰岛素抵抗诱导胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)的释放，后者直接或间接的激活p21/ras/有丝分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)途径，促进了肿瘤细胞的增殖并抑制了肿瘤细胞的凋亡发生[10]。而瘦素(leptin)和脂联素(adiponectin)等与代谢紊乱密切相关的脂肪因子亦与恶性肿瘤密切相关。瘦素可上调包括血小板衍生生长因子-2(platelet-derived growth factor-2, PDGF-2)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)、表皮细胞生长因子(epidermal growth factor, EGF)、巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor, M-CSF)以及肥大细胞生长因子(mast cell growth factor, MGF)等多种生长因子，促进细胞增殖和血管新生，增加了乳腺癌、肝细胞癌、胰腺癌、前列腺癌、卵巢癌以及结肠癌等多种恶性肿瘤发生和转移的风险[11]；而代谢紊乱降低了血中脂联素的水平，后者可通过抑制雷帕霉素靶蛋白(the mammalian target of rapamycin, mTOR)，通过p53、单磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)等分子蛋白，抑制肿瘤细胞增殖，促进其凋亡，抑制脂联素的表达将减弱这一脂肪因子的抑癌作用，促进肿瘤细胞的存活能力和侵袭能力[12]。

除了神经-体液因素以外，作为重要环境因素，葡萄糖以及脂肪酸等代谢紊乱亦可通过表观遗传途径影响恶性肿瘤的发生发展。多种表观遗传因素参与了恶性肿瘤的发生，包括组蛋白乙酰化、DNA甲基化、染色体重塑以及非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)[13]。其中，非编码RNA发挥了较为重要的作用，亦是学术界关注和研究的重点。ncRNA是指不能编码蛋白的核糖核酸，其发挥了调节基因表达和蛋白功能等多种生物学效应。ncRNA由RNA聚合酶Ⅱ在细胞核内生成和转录，并形成较长的前体mRNA，前体mRNA在剪切复合物的作用下，形成短链(≈20个核苷酸)、中等长度(≈20-200个核苷酸)以及长链(>200个核苷酸)的ncRNA[13]。不同于其他长度的ncRNA，长链ncRNA(lncRNA)发挥了顺式作用元件和反式作用因子的功能，通过转录、翻译、剪切等调节基因表达。由于功能多而强大，lncRNA在肿瘤和代谢紊乱中的作用日渐受到关注，同时也在二者的相互关系中发挥了重要的作用。

一、葡萄糖代谢相关lncRNA在肿瘤中的作用

糖尿病及胰岛素抵抗与恶性肿瘤的发生密切相关，并提示了肿瘤的预后不良[14-16]。多种lncRNA通过对肌肉、胰岛以及肝脏的作用，参与了对机体整体血糖或单个细胞葡萄糖利用的调节，并影响了多种肿瘤的发生和肿瘤细胞的生物学效应[17]。其中，lncRNA ANRIL的作用最为突出。lncRNA ANRIL与糖尿病的关系密切，与包括2型糖尿病、妊娠期糖尿病、移植相关糖尿病以及囊性纤维化相关的糖尿病均有关[18]。同时，ANRIL发挥了反式作用因子的作用，起到抑制肿瘤抑制基因CDKN2A/CDKN2B的作用，从而增加了肿瘤的发生，增强了肿瘤细胞的增殖和侵袭。基于ANRIL的作用，现有已研究广泛发现lncRNA影响了多种肿瘤的发生，包括膀胱癌、卵巢癌、肺癌、肝癌、胃癌、乳腺癌、食管癌、鼻咽癌、甲状腺癌、骨肉瘤、宫颈癌、结肠癌、前列腺癌以及胶质瘤等[18]。

LncRNA亦可调节单个肿瘤细胞的葡萄糖代谢，这在肿瘤细胞的增殖、迁移、侵袭或死亡中起到了重要的作用。LncRNA NBR2对葡萄糖转运体(Glucose transporter 1, GLUT1)具有促进作用，抑制lncRNA NBR2可降低肿瘤细胞的葡萄糖摄取，增加药物诱导的肿瘤细胞凋亡[19]。LncRNA-p21与缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)结合，参与了肿瘤细胞在无氧状态下的糖酵解，对于多种肿瘤细胞在缺氧条件下的生存具有重要的作用[20]。此外，lncRNA PCGEM1通过c-Myc，lncRNA UCA1并通过mTOR与信号传导及转录激活因子3(signal transducers and activators of transcription 3, STAT3)信号通路，以及lncRNA CRNDE通过胰岛素/IGF均可影响肿瘤细胞内的葡萄糖转运和葡萄糖代谢，直接影响肿瘤细胞的生物学功能[17]。

此外，一些肿瘤相关的lncRNA亦参与了对葡萄糖代谢的调节。LncRNA H19早期被发现通过与Zeste基因增强子同源物2(enhancer of Zeste homolog 2, EZH2)结合，抑制基因转录，提高了胆囊癌细胞的侵袭能力[21]。而lncRNA H19在高胰岛素作用下表达下降，影响了骨骼肌对葡萄糖的利用[22]。

而长链非编码RNA母源性表达基因3(Maternally Expressed Gene 3, MEG3)在脂代谢和多种肿瘤之间建立起了桥梁。LncRNA MEG3来自于DLK1-DIO3基因簇，定位于染色体14q32.3上，早期的研究认为其受到子宫环境变化的调节[23]。随着胚胎在子宫的发育、形成胎儿、分娩并成长为成体，lncRNA MEG3一致存在于机体中，并参与了葡萄糖代谢的调节。lncRNA MEG3与胰岛β细胞的发育密切相关。敲除lncRNA MEG3可降低胰岛素的合成和释放，增加胰岛β细胞的凋亡，其表达下则降诱导胰岛β细胞的氧化应激和炎症损伤，参与糖尿病的发病[23]。另一方面，lncRNA MEG3同时被认为是一个潜在的肿瘤抑制因子。早期研究认为，lncRNA MEG3对机体血糖的有效调节作用是其控制肿瘤的作用机制。研究显示，lncRNA MEG3的表达下降或丢失在25%的神经细胞瘤、81%的肝细胞癌、82%的神经胶质瘤患者中被观察到，并且lncRNA MEG3的水平下降与各种肿瘤的不良预后密切相关[24]。除了lncRNA MEG3对糖代谢的调节发挥对肿瘤发生的抑制作用以外，lncRNA MEG3也存在不依赖于葡萄糖代谢调节的作用。lncRNA MEG3可抑制MDM2癌基因，降低其降解经典的肿瘤抑制因子p53的作用，诱导p53的表达增加，并通过p53降低细胞自噬，提高细胞凋亡和细胞周期停滞，发挥抑制肿瘤的作用[25]。lncRNA MEG3对肿瘤的抑制作用也与其他的一些机制有关。lncRNA MEG3可破坏PI3K/AKT信号通路，抑制肿瘤的生长，发挥控制肿瘤的作用；同时，lncRNA MEG3也可控制肿瘤血管的生长，敲除lncRNA MEG3后，血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)及其受体(VEGFR1及VEGFR2)的基因表达显著下降，对肿瘤的形成和生长具有抑制作用[23]。

二、脂肪酸代谢相关lncRNA在肿瘤中的作用

高脂血症是多种疾病的关键风险因素。除了心脑血管疾病以外，越来越多的研究证实脂代谢异常亦与肿瘤的发展密切相关。报道显示，高脂血症增加了包括肺癌、前列腺癌和乳腺癌在内的多种恶性肿瘤的风险[26-28]。高脂血症对恶性肿瘤的调节涉及多个方面，广泛影响肿瘤的化疗敏感性、细胞增殖、肿瘤血管形成、肿瘤的侵袭等多个方面[29-30]。而lncRNA在高脂血症与恶性肿瘤相互关系中发挥了重要的作用。脂肪酸合酶(fatty acid synthetase, FASN)介导了细胞脂肪酸的合成，同时也被发现在多种类型的肿瘤组织中表达和活性增加，并介导了肿瘤的生成、增殖和侵袭[31]。LncRNA HAGLR发挥了抑制FASN表达的作用，其在肿瘤细胞中增加了游离脂肪酸的合成并增加了非小细胞肺癌的增殖和侵袭能力[32]。而lncRNA PVT1可增加FASN的表达，并促进骨肉瘤细胞的增殖、转移和侵袭，降低细胞凋亡[33]。而脂肪酸转运亦与肿瘤的生理状态密切相关。lncRNA LNMICC通过调节脂肪酸代谢，可提高宫颈癌的淋巴转移，其机制在于lncRNA LNMICC提高了核因子核仁磷酸蛋白1(nucleophosmin 1, NPM1)与脂肪酸结合蛋白5(fatty acid-binding protein 5, FABP5)启动子结合[34]。此外，lncRNA SNHG16通过影响硬脂酰基-辅酶a脱氢酶(stearoyl-CoA desaturase, SCD)影响了结肠癌的病变。lncRNA SPYR4-IT1靶向作用于二酰甘油酰基转移酶(diacylgycerol acyltransferase, DGAT)及磷脂酸磷酸水解酶(phospha-tidic acid phophyhydrolase, PAP)参与了黑色素瘤的发生[35]。lncRNA GAS5(growth arrest specific 5)是一个与肿瘤关系密切的lnc RNA，其通过上调细胞周期重要的基因p21和周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases, CDK6)参与了细胞周期的调节，影响了细胞的增殖，在多种肿瘤的发生中具有作用，包括膀胱癌、胃癌及肝细胞癌等[36]。而近期的研究也发现，过表达lncRNA GAS5对高脂血症具有改善作用。这说明lncRNA GAS5的表达改变可能是肿瘤和高脂血症发生的共同机制和病因，其在二者发病的相关性中的具体作用和分子机制尚需要进一步的研究进行论证[37]。

而前述的lncRNA MEG3与多种肿瘤的发生发展密切相关，同时其与脂质代谢存在双向调节作用：一方面，lncRNA MEG3调节了脂质代谢，其通过调节肝细胞的慢性炎症和活性氧簇生成，抑制了肝细胞的细胞外基质堆积和肝纤维化，降低了异常的脂质过氧化，对于维持肝细胞对脂质的正常代谢具有重要的作用[38]；另一方面，肥胖以及高脂饮食等不良脂肪代谢因素造成了lncRNA MEG3的低甲基化，造成lncRNA MEG3的表达下降，这可能是脂质代谢紊乱致多种肿瘤发生的重要因素之一[39]。

三、矿物质代谢相关lncRNA在肿瘤中的作用

除了糖脂代谢以外，机体的矿物质代谢异常亦被认为是影响肿瘤细胞增殖转移，促进癌症发生的重要代谢因素。如钙通过与钙调蛋白(calmodulin)结合，导致钙调磷酸酶(calcineurin)的激活，后者将导致活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T-cells, NFAT)去磷酸化及核转位，进而靶向调节下游靶基因，引起细胞异常增殖[40]。而钙的代谢差异也反应了肿瘤对放射治疗的敏感性[41]。此外，锌的代谢与胞内重定位与乳腺癌细胞的侵袭能量有关；镁代谢异常影响细胞的色氨酸代谢，导致细胞呈现恶性肿瘤的特点；硒代谢与恶性肿瘤进展风险有关；铁代谢异常可影响肿瘤细胞对化疗药物的敏感性，增加了乳腺癌对多柔比星和顺铂的耐药性[41]。

LncRNA亦参与了矿物质代谢的调节，其可能是矿物质代谢与肿瘤之间的中间介质。lncRNA ANRIL与多种肿瘤密切相关，其作用依赖于抑癌基因CDKN2[19]，而后者亦被发现可调节机体的矿物质代谢，影响骨的发育[42]。此外，胆囊癌相关的lncRNA H19也被报道与影响了矿物质代谢，这一作用依赖于lncRNA H19对NOTCH1的抑制作用，后者的下游通路为Hes相关家族bHLH转录因子1(Hes related family bHLH transcription factor 1, HEY1)，这是骨矿物质代谢相关因子——骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2, BMP2)和Runt相关转录因子2(runt-related transcription factor 2, RUNX2)的重要抑制蛋白。因此，lncRNA H19可抑制NOTCH1，并可通过HEY1-BMP2/RUNX2信号通路扰乱骨和矿物质的代谢，以及骨骼的发育和形成[43]。此外，皮肤癌与皮肤角质细胞的异常增殖和分化密切相关。作为重要的一种微量元素，钙调节了皮肤角质细胞的增殖和分化，并在皮肤癌的发生中发挥重要的作用。LncRNA通过调节钙的代谢，参与了皮肤癌的发生。研究显示，多种lncRNA在其中具有作用：通过lncRNA芯片发现，在皮肤癌角化细胞中，lncRNA H19、lncRNA HOTTIP以及lncRNA Nespas的表达显著增加；而抑制肿瘤的lncRNA，如lncRNA p21和lncRNA Kcnq1ot1的表达显著下降。上述lncRNA通过对钙代谢相关的维生素D受体调节，参与了机体钙的代谢，亦在皮肤癌的发生中发挥了作用，在钙代谢和皮肤癌的发生中具有相互关系[44]。前期研究显示，铁的代谢与肝细胞癌密切相关。LncRNA PVT1介导了铁代谢异常与肝细胞癌的发生。有报道指出，LncRNA PVT1在肝细胞癌组织及细胞中表达上升，上调的LncRNA PVT1则可使miR-150下调，并可使缺氧诱导蛋白2(Hypoxia-inducible protein 2, HIG2)的表达上调；HIG2的增加减少了肝癌细胞的凋亡，增加了肝癌细胞的增殖，同时对肝癌细胞的铁代谢平衡造成了不良的影响[45]。

综上所述，lncRNA作为日渐受到研究者以及临床医生关注的重要非编码RNA，其在机体的正常生理功能维持和病理条件下的疾病进展中发挥了重要的作用。作为重要的信号分子，lncRNA在多种代谢相关疾病和多种肿瘤的发生之间搭建起了关键的桥梁。在针对基础研究的同时，基于基础研究的多种成果，越来越多的研究者聚焦于针对lncRNA为靶点的探索性治疗手段，以希望打断代谢疾病与肿瘤之间的不良联系，实现对代谢相关疾病和肿瘤的改善及治疗目的。例如，lncRNA SRA在肥胖、脂肪肝等代谢疾病以及乳腺癌、前列腺癌等肿瘤疾病中均有重要的作用，利用CRISPR-Cas9等基因编辑技术，针对lncRNA SRA进行组织特异性的剪切或过表达将有望对肥胖、脂肪肝等代谢疾病以及乳腺癌、前列腺癌等肿瘤疾病进行治疗[46]。但这些治疗的开展仍需长期和大量的基础和临床研究提供理论依据。