MEG3在神经胶质瘤、亨廷顿病、缺血性脑卒中发生发展中作用机制的研究进展

阎红琳，黄文先，袁静萍

(武汉大学人民医院，武汉430060)

近十年来基因组测序技术的进步使转录本的发现达到空前规模，其中最重要的发现是非蛋白编码的转录本支配了哺乳动物基因组的转录输出。目前普遍认为,人类基因组的90%可以发生转录，但仅有2.94%可编码蛋白质[1]。转录的产物中大部分是非编码RNA(ncRNAs)，根据其功能可分为管家ncRNAs和调控ncRNAs，由于调控ncRNAs可对蛋白编码的基因进行调控，因此是目前研究较广泛的ncRNAs。根据RNA的长度，调控ncRNAs可分为两类：第一类为长度小于200个核苷酸(nt)的小非编码RNA，包括微小RNAs(miRNAs)、小干扰RNAs和Piwi相关RNAs；第二类为长度大于200 nt的长链非编码RNA(lncRNAs)[2]。最近研究表明，lncRNAs在神经元功能、神经元分化、大脑发育及脑功能方面发挥重要调控作用。lncRNAs的失调和(或)功能障碍参与了多种神经系统疾病包括脑缺血再灌注损伤、缺血缺氧性脑损伤、神经退行性疾病、神经胶质瘤等疾病的发生[3～6]。母系表达基因3(MEG3)是一种由母系印记基因编码的lncRNA，最初被发现作为肿瘤抑制因子在多种人类肿瘤中发挥作用，近年发现其与神经胶质瘤、亨廷顿病和脑卒中等神经系统疾病的发病机制有关，可能是神经系统疾病新的生物标志物。本文就lncRNA MEG3在神经胶质瘤、亨廷顿病和脑卒中等神经系统疾病发生发展中的作用机制研究进展综述如下。

1 长链非编码RNA MEG3的病理生理作用

MEG3是小鼠基因捕获基因2的人类同源物，是首次通过基因捕获鉴定的母系表达的印迹基因[7]。MEG3位于染色体14q32，属于DLK1-MEG3印记位点，该位点含有多个印记基因，包括至少3个父系表达的蛋白质编码基因和大量的母系表达的非编码RNAs[8]。成熟的MEG3 RNA由10个外显子组成，长度约为1 600 nt，在脑、肾上腺、胎盘、睾丸、卵巢、胰腺、脾脏、乳腺和肝脏等组织中都有丰富的表达[7]。MEG3在不同组织来源的多个癌中表达缺失，包括25%的神经母细胞瘤、81%的肝细胞癌和82%的神经胶质瘤，MEG3的表达缺失涉及多种机制，如基因缺失、基因间差异甲基化区域的高甲基化、启动子高甲基化等[8]。当过表达MEG3时可抑制肿瘤形成，因此MEG3在癌症中起抗肿瘤细胞增殖作用，被认为是肿瘤抑制因子[8]。MEG3基因产物作为非编码RNA除了可抑制细胞增殖外，还可促进细胞凋亡。近年研究发现,MEG3在缺血性脑卒中患者中过表达，且这种过表达可诱导缺血性神经元死亡[4]。MEG3在肿瘤性疾病和缺血性疾病中截然相反的作用与其参与的众多信号通路有关。Zhou等[9]首次报道MEG3可通过p53依赖性和非依赖性途径介导p53的激活，导致细胞周期阻滞、复制性衰老和(或)细胞凋亡。多项研究显示，MEG3既可通过直接结合p53,诱导p53蛋白的聚集和活化，也可通过磷酸化、乙酰化和SUMO化抑制鼠双微基因2(MDM2)的表达，从而影响p53的激活(MDM2编码核E3泛素连接酶，介导包括肿瘤抑制蛋白在内的蛋白质的泛素化，例如p53蛋白的降解)，因此，MEG3诱导的细胞凋亡和抗增殖活性可能通过抑制MDM2和随后激活p53信号途径介导[4,10]。近年，lncRNAs的作用机制研究又有新的进展。研究发现，大多数lncRNAs与表观遗传调控有关，lncRNAs通过与miRNAs、mRNAs和蛋白的相互作用在基因表达的表观遗传调控中起着至关重要作用。在基因表达中，lncRNAs可通过转录或转录后模式调控基因表达。已发现，内源性lncRNA MEG3可通过干扰miRNA通路，如作为内源性竞争性RNA(ceRNAs)与miRNAs竞争其靶mRNA的结合，从而减少miRNAs对这些mRNA的抑制作用，影响多种疾病转录后调控[5,11,12]。

2 长链非编码RNA MEG3在神经胶质瘤发生发展中的作用机制

胶质瘤是中枢神经系统中最常见肿瘤，由于缺乏有效手段诊断和治疗，预后仍然不佳。lncRNAs是转录、转录后和表观遗传水平上基因表达的新型调控因子。研究发现，MEG3在各种类型的人类肿瘤和肿瘤细胞系，包括胶质瘤中都表达缺失，是神经胶质瘤发生发展的调节因子[13]。最近研究表明，lncRNAs的表达模式与胶质瘤恶性程度有显著相关性，可能在调节神经胶质瘤的进展中起重要作用[14,15]。Zhang等[16]通过比较正常组织和高级别神经胶质瘤的表达谱，鉴定出与星形细胞瘤恶性程度密切相关的lncRNAs，在这些lncRNAs中，CRNDE和HOTAIRM1随着恶性程度的升高而上调，而PAR5、MEG3、C21orf131及其他lncRNA下调。MEG3在胶质瘤组织中的丢失是由于DNA甲基转移酶1介导的MEG3启动子的高甲基化所致[17]。进一步的研究表明，MEG3所在的染色体位点14q32是一个包含抑癌基因的区域，MEG3的异位表达抑制了人类癌细胞的生长[8]。Wang等[18]研究结果表明，MEG3在胶质瘤细胞系U251和U87MG中的异位表达可抑制细胞增殖，促进细胞凋亡；MEG3与p53蛋白有关，并且这种关联是p53活化所必需的。MEG3高甲基化可导致MEG3表达缺失，抑制p53通路在神经胶质瘤中的表达[17]。也有研究显示,MEG3的抗细胞增殖作用一部分是通过抑制MDM2表达和随后激活p53信号通路[9,10]而实现。最近研究显示,MEG3可作为miR-19a的ceRNA抑制肿瘤发生[19]。研究报道，miR-19a与PTEN的30-UTR结合，抑制PTEN的表达，促进胶质瘤细胞增殖、迁移和侵袭[19]。MEG3还可抑制miR-93和PI3K/AKT通路相关蛋白表达调控胶质瘤生长[20]。MEG3不仅可以影响胶质瘤的进展，也在胶质瘤细胞顺铂治疗中起作用。MEG3表达增加可增强胶质瘤细胞对顺铂的敏感性，而MEG3表达下调则增加对顺铂的耐药性[14]。进一步的机制研究[21]表明，MEG3通过抑制自噬介导顺铂诱导的细胞凋亡。

3 长链非编码RNA MEG3在亨廷顿病发生发展中的作用机制

亨廷顿病患者大脑中的神经退行性病变常常伴随基因调控网络的广泛变化。最近研究发现，这些变化不仅局限于蛋白质编码基因，还包括非编码RNA。Johnson等[22]挖掘了现有的基因芯片数据，发现7个在亨廷顿病患者大脑中失调的新lncRNA，其中有4种lncRNA在亨廷顿病患者的大脑中发现显著变化：TUG1和NEAT1上调，而MEG3和DGCR5下调。值得注意的是，阻遏子元件沉默转录因子(REST)可结合到DNA的神经元限制性沉默元件(NRSE)上，对基因的表达具有阻遏作用[23]。研究发现，在亨廷顿病脑组织中显著下调的DGCR5是REST的靶点，可被REST抑制[22]。有研究显示，MEG3在其转录起始位点的10 kb内也包含REST的结合位点，提示MEG3也可能是REST的靶点之一，因此MEG3在亨廷顿患者脑组织中显著下调的原因一部分可能是受到了REST的抑制[24]。Johnson等[22]认为，MEG3是目前发现的所有亨廷顿病候选标志物中最好的，因为MEG3在小鼠神经系统发育过程中动态表达，且在成人和小鼠大脑的各个区域都高表达，同时是一种重要的表观遗传调控因子。有研究[25]在细胞染色质中发现MEG3能够绑定核心蛋白复合体PRC2。由于cAMP可通过CREB转录因子调控MEG3，推测MEG3可能参与神经元兴奋性毒性[25]。最近研究[26]发现，MEG3在海洛因依赖者的伏隔核中上调。Gordon等[27]构建了MEG3基因敲除小鼠模型，发现当敲除小鼠脑内MEG3后，小鼠大脑皮质基因表达发生显著变化，导致皮质微血管密度升高，VEGF血管生成途径相关基因表达增强。以上研究结果提示，MEG3可能是大脑发育过程中以及成熟大脑中重要的表观遗传调节剂，它可以稳定地改变基因表达谱以响应神经元活动，因此MEG3在亨廷顿病中的显著下调可能会导致众多基因突变，引发不同种类后遗症[22]。

4 长链非编码RNA MEG3在缺血性脑卒中发生发展中的作用机制

缺血性脑卒中是全世界病死率和致残率较高的疾病。近年，使用RNA测序、深度测序和基因芯片等新技术已筛选出缺血性脑卒中患者或缺血性损伤动物模型中大量表达异常的lncRNAs。MEG3在脑缺血动物模型，如大脑中动脉阻塞模型(MCAO)和(或)氧糖剥夺(OGD)细胞模型中表达显著增加，其在神经系统和缺血性卒中患者中的表达和作用逐渐被发现[4,12,28]。研究显示，MEG3可作为MCAO模型和OGD模型中神经元缺血性损伤的细胞毒性因子，因为在小鼠MCAO术后的缺血组织及OGD处理的N2a神经细胞中，MEG3的表达均显著增加3倍以上[4]。采用特异性的小干扰RNA(siRNA)抑制MEG3的表达可降低MCAO引起的小鼠脑梗死和脑水肿体积，改善神经行为评分；同时，MEG3的增加伴随着神经元死亡和凋亡的增加[4]。进一步研究发现，p53通路、miR-181b-12/15-LOX通路和miR-21-PDCD4通路参与了MEG3的功能。p53在DNA修复中起重要作用，它在G1/S期阻滞细胞周期，促进DNA修复，并在DNA损伤不可修复时启动细胞凋亡。因此，p53被认为是抑癌因子以及细胞和遗传稳定性的关键。在脑缺血损伤小鼠模型中，MEG3的增加通过直接与p53基因的DBD270-281位点结合而促进p53表达，从而促进神经元凋亡[4]。MEG3-p53结合体中p53的分离抑制了小鼠神经元凋亡和梗死体积的增加，表明MEG3通过p53起作用[4]。12/15-LOX是脂氧合酶的主要异构体，脂氧合酶是一组酶，催化多不饱和脂肪酸如亚油酸和花生四烯酸形成氢过氧化物。研究表明，神经元12/15-LOX在受损脑中被激活，其介导氧化应激诱导的神经元功能障碍，最终导致脑缺血后神经元死亡[29]。miR-181b是12/15-LOX表达的关键调控因子，miR-181b的过度表达抑制了12/15-LOX-1的产生[12]。MEG3在miR181b-12/15-LOX通路中起ceRNA的作用。小鼠MCAO术后脑组织或OGD神经元中MEG3表达上调，竞争性抑制miR-181b对12/15-LOX的影响，导致12/15-LOX表达上调，从而诱导神经元死亡[12]。MEG3在miR-21-PDCD4通路中也可作为ceRNA发挥作用。miR-21在缺血后表达下调，在N2a神经细胞中过表达miR-21可以保护OGD引起的细胞凋亡[5]。值得注意的是，PDCD4作为miR-21最常见的靶蛋白之一，其活性受到miR-21的抑制，而这种抑制效应可被过表达的MEG3消除，更重要的是，在缺血性卒中MCAO动物模型及OGD细胞模型中，MEG3竞争性结合miR-21调控其靶蛋白PDCD4，介导缺血性神经元死亡[5]。GO富集分析预测MEG3与器官发育(肺、肝脏、胚胎、骨骼肌发育)、血管功能(血管生成和VEGF信号通路)、基因调控(DNA转录、RNA折叠、甲基化和基因印迹)、炎症(Notch信号通路、SMAD蛋白信号转导)和细胞生长(细胞分化、细胞增殖负调控)等生物学过程有关[28]。众所周知，预防缺血性损伤和促进神经发生是缺血性脑卒中治疗的两个主要策略。根据GO富集的结果，MEG3还可能通过基因调控机制(转录、RNA折叠和甲基化)干扰神经再生、血管生成和炎症。

综上所述，MEG3通过参与基因调控、促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、促进血管生成等机制参与神经胶质瘤、亨廷顿病、缺血性脑卒中等疾病的发生发展。鉴于MEG3是大脑神经元中重要的表观遗传调节剂，而神经系统众多疾病与多种基因的表达变化有关，因此MEG3可能是上述神经系统疾病新的生物标志物。