长链非编码核糖核酸在神经系统疾病中的研究进展

罗 涛

近几年，在生命科学领域，非编码核糖核酸(RNA)的调控方式和机制得到广泛研究。长链非编码核糖核酸(long non-coding RNA, lncRNA)作为其中一员，参与了多种重要的病理生理调控过程，这些调控作用已逐步引起学者们的关注。lncRNA是一类可能具有初期或迭接转录本功能的RNA，其在中枢神经系统和外周神经系统中均有表达；一系列研究结果表明，其在神经系统疾病中发挥重要作用。本综述旨在介绍lncRNA在神经系统疾病方面的研究进展。

1 lncRNA的概述

弗朗西斯·克里克于1958年提出“中心法则”并指出，遗传信息由脱氧核糖核酸(DNA)转录成为RNA再翻译成为蛋白质，从而发挥生物学功能。这一观念的普及极大地促进了生命科学的发展。lncRNA是近期发现的不同于小分子RNA和结构基因(编码蛋白质或RNA的基因)，可能具有初期或迭接转录本功能的一类RNA[1]。lncRNA主要基于表观遗传、转录水平、转录后水平等层面实现对基因表达的调控，从而在多种生物学过程中发挥重要作用， 与疾病的发生密切相关[2]。研究[3]发现，一般情况下，lncRNA表达水平低于编码蛋白质基因水平，而在特殊组织中某些lncRNA优先表达。按照其相对于编码基因的位置，lncRNA可以分为正义lncRNA、反义lncRNA、双向lncRNA、内含子内lncRNA和基因间lncRNA 5类[1]。lncRNA有5个来源[4]：编码蛋白的基因因结构中断而转变为lncRNA；两个未转录的基因与另一个独立的基因并列而产生含多个外显子的lncRNA；由非编码基因复制过程中的反移位产生的lncRNA；由局部的串联复制子产生邻近的lncRNA；基因中插入1个转座子成分而产生功能的lncRNA。

2 lncRNA在神经系统中的功能

在中枢神经系统研究中，lncRNA参与了神经元分化、脑发育、突触可塑性，以及神经退行性疾病和肿瘤的发生、发展；其在中枢神经系统和外周神经系统中均有表达。lncRNA有特定的定位，其表达具有组织特异性[5]和时空特异性[6]。研究[7-9]发现，lncRNA在处于发育过程中和成熟的神经系统组织或细胞中均有表达，例如脑组织、视网膜、神经元亚型等。lncRNA在小鼠神经系统发育的过程中有不同程度的表达，参与小鼠腹侧前脑源性神经干细胞种系的形成、γ-氨基丁酸(GABA)能神经元和少突胶质细胞种系的发育、神经元向胶质细胞的转变、少突胶质细胞种系的成熟和成熟髓鞘终末分化等过程[9]。功能学分析发现，神经系统表达的lncRNA主要参与调节神经细胞的发展、突触的可塑性，使动物的行为活动发生改变，或调节视网膜发育等[10-15]。

3 lncRNA与神经系统疾病

3.1 lncRNA与阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD) AD患者发病时淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)在脑内异常代谢导致β淀粉样蛋白(β-amyloid peptide，Aβ)沉积。这一过程受β位淀粉样前体蛋白裂解酶1(β-site APP cleaving enzyme 1, BACE1)调控，该酶在AD患者脑内的活性高于正常人。BACE1-AS作为BACE1 mRNA反义链能够在细胞受到各种外界压力刺激下，与BACE1 mRNA形成RNA复合体来防止BACE1 mRNA受到核酸酶的降解，增强BACE1 mRNA的稳定性，导致更多的Aβ沉积，正反馈促进BACE1-AS的表达, 加速AD发展。BACE1-AS是AD的潜在治疗靶点[16]。另外一种lncRNA BC200的表达量与AD患者病情严重程度呈正相关，表明lncRNA BC200的变异表达和非正常定位导致了AD的发生和病程进展[17]。

3.2 lncRNA与帕金森病(Parkinson disease，PD)PD是位于AD后的第二大常见神经退行性疾病。目前全球大约有600万PD患者。由于脑黑质纹状体多巴胺能神经元(dopaminergie neurons，DN)逐渐丧失功能并累积到一定程度，出现运动障碍，甚至发展成痴呆，但PD准确的发病机制仍未明确[18]。采用全转录组RNA序列分析的方法研究PD患者白细胞，筛选出诸多与微RNA(microRNA)互补的U1剪切体lncRNA，经实时荧光定量PCR证实，在PD患者白细胞、两个脑区、杏仁体和黑质中共表达U1剪切体lncRNA，这为研究PD和其他神经退行性疾病提供了新思路[19]。

3.3 lncRNA与亨廷顿病(Huntington’s disease，HD)HD是由于CAG三核苷酸重复序列过度扩展导致非正常亨廷顿蛋白(Htt)产生，从而造成纹状体和皮质神经细胞的进行性死亡，伴随舞蹈症和痴呆的一种恶性常染色体显性神经退行性疾病[20]。其主要表现为进行性运动障碍、精神异常和智能衰退等。研究发现，HD患者和模型动物中突变的Htt基因可促进抑制元素1——沉默转录因子(REST)核转位并导致其众多靶基因表达下调。HD患者的脑组织中发现多个lncRNA表达变化，其中包括视网膜发育所必需的lncRNA TUG1和活化T细胞核因子(NFAT)1表达上调，母系表达基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)的表达下调[21]。研究[22]结果显示，lncRNA参与了HD关键性致病通路的机制调节，可引起基因转录紊乱并最终导致神经元损伤。

3.4 lncRNA与神经系统肿瘤 神经系统肿瘤包括神经胶质瘤和脑膜瘤两大类。神经胶质瘤简称胶质瘤，也称为胶质细胞瘤，是最常见的原发性中枢神经系统肿瘤，约占所有颅内原发肿瘤的50%。脑膜瘤是起源于脑膜与脑膜间隙的衍生物，发病率高。研究[23]表明，MEG3在正常脑膜细胞中高表达，而在大多数脑膜瘤组织或细胞株中无表达，证明MEG3具有肿瘤抑制因子的作用。研究[24]结果显示，MEG3还与神经胶质瘤增殖相关，MEG3的异位过表达抑制细胞增殖、诱导细胞凋亡，这可能与MEG3诱导p53基因的活化有关。哺乳动物转移相关肺腺癌转录本1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1, MALAT1) 经转录后处理产生1个短链转运RNA(tRNA)样MALAT1相关小细胞质RNA(mascRNA)和1个长链伴有poly(A)尾样区域的MALAT1转录本。小鼠MALAT1经核糖核酸酶P作用后产生1个长链3’ MALAT1和短链5’ mascRNA MALAT1转录本，位于核散斑中。该lncRNA广泛表达于正常人组织，敲除小鼠成神经瘤细胞株的MALAT1基因会影响涉及神经原轴突与树突发育相关的基因，提示MALAT1基因与神经系统的发育相关[25]。

3.5 lncRNA与其他神经系统疾病 lncRNA还与其他多种神经精神疾病[如唐氏综合征(DS)、脆性X综合征(FXS)、精神分裂症等]有关。lncRNA NRON可特异性抑制NFAT转录因子由细胞质穿梭至细胞核，减少细胞核中的NFAT转录因子表达，导致核内NFAT活性下降，以及其介导的靶基因转录减少，这与DS疾病的发生相关[26]。FXS及其相关的震颤和共济失调综合征(FXTAS)与FMR1基因的突变相关。FMR4基因本身也可影响FXS的发病。已有研究提示，小干扰RNA敲低FMR4基因可改变细胞周期调控，导致细胞凋亡增加，而FMR4过度表达则促进细胞增殖。此外，起源于FMR1基因位点的另一个lncRNA——ASFMR1，也可能与FMR1基因位点突变相关，FXS患者的ASFMR1 表达增加[26]。不安腿综合征(restless legs syndrome，RLS)与感觉运动功能障碍有关，其临床表现为夜间睡眠时双下肢极度不适感，迫使患者不停地移动下肢或下地行走，导致患者产生严重睡眠障碍。Meis1基因变异是该疾病主要的遗传危险因素，该基因编码一个同源框蛋白并在发育和肿瘤形成中具有重要作用[27]。研究[28]结果显示，Meis1基因表达受内含子lncRNA顺式作用元件的调控，表达降低者易患RLS。lncRNA也参与多种药物成瘾的形成，海洛因成瘾者脑伏隔核内MEG3等多种lncRNA水平升高[29]。

4 lncRNA与神经免疫性疾病

lncRNA在神经免疫性疾病的发生、发展研究中发挥重要作用。多发性硬化(multiple sclerosis，MS)是以少突胶质细胞凋亡和轴突变性的慢性炎症性脱髓鞘为特点的神经系统疾病，泰勒鼠感染脑脊髓炎病毒(TMEV)可作为MS的动物模型[26]。在人类和小鼠的免疫细胞中由细胞因子基因簇(如γ-IFN)转录产生的Tmevpg1 lncRNA通过控制TMEV的持续感染，调控MS的发病[26]。重症肌无力(myasthenia gravis，MG)是神经肌肉接头相关疾病中最常见的自身免疫性疾病。研究[30]发现，microRNA-181对MG中淋巴细胞的分化具有调控作用，其中，lncRNA的异常表达是microRNA-181在MG患者中表达下调的原因之一；表明，lncRNA既可调控microRNA-181前体的表达，同时也作为内源竞争性RNA(ceRNA)竞争结合microRNA-181，通过改变microRNA-181表达影响免疫细胞的分化机制。lncRNA MALAT-1通过吸收MG中microRNA-338-3p，作为ceRNA调控雄性特异致死基因(MSL)2的表达。MALAT-1与基因调控和选择性剪接有关。研究[31]发现，MALAT-1在MG中表达下调，MG患者外周血单核细胞中microRNA-338-3p水平升高，MALAT-1作为与microRNA-338-3p竞争的ceRNA，可直接诱导MG中MSL2的表达，提示其可能为MG的治疗靶点。

格林-巴利综合征(Guillain-Barré syndrome, GBS)是以周围神经和神经根的脱髓鞘病变，以及小血管炎症细胞浸润为主要病理特点的自身免疫性周围神经病，其病因与发病机制尚不明确。研究[32]发现，GBS患者的外周血单个核细胞和CD14+单核细胞中lncRNA均存在表达差异，这些异常表达的lncRNA可能作为潜在的生物标志物在GBS的诊断中起到决定性作用。视神经脊髓炎谱系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorder, NMOSD)是一种较高发的特发性炎症性中枢神经系统脱髓鞘疾病。在发病机制研究方面，有学者探讨了NMOSD的一些表观遗传学特征，采用微阵列分析法分析了NMOSD患者的lncRNA表达谱，发现在NMOSD患者中有1 310个lncRNA存在表达差异。共表达网络分析[33]结果表明，183个lncRNA被包括在该网络中。这些研究结果提示，差异表达的lncRNA可能在NMOSD的发病机制中发挥重要作用，有望成为潜在的生物学标志物。

5 总结与展望

随着功能基因组学技术的迅速发展，非编码RNA家族的重要成员lncRNA受到学者关注。近几年关于基因组与转录组学的研究结果提示，lncRNA主要参与调节神经干细胞的发育、分化与成熟，维持神经可塑性和人类特有的认知功能。随着生命科学的发展，研究者可以利用分子生物学、细胞生物学和模式实验来进一步研究中枢和外周神经系统相关生理、病理过程中lncRNA的表达及其作用机制，为神经发育、神经损伤再生新理念的提出奠定基础。