非编码RNA在结肠癌糖代谢重编程中的作用

2022-05-30张军综述欧阳满照审校

海南医学 2022年10期

张军综述欧阳满照审校

1.广东医科大学研究生学院，广东湛江 524023；

2.南方医科大学顺德医院胃肠外科，广东佛山 528300

在全世界范围内，结肠癌(CRC)目前是仅次于肺癌以及乳腺癌的第三大常见癌症。作为全世界发病率最高的消化道肿瘤，在2020年，全世界有超过193万人被新确诊为直结肠癌，占全球新确诊癌症人数的9.7%，而在全球1 000万因癌症死亡病例中，结直肠癌超过93万，占比9.4%，仅次于肺癌[1]。

近年来，由于治疗方法的改进，包括结肠切除、化疗、靶向治疗和免疫治疗，结肠癌(CRC)患者总的5年相对生存率约为64%。对于早期CRC，以手术切除为主，结合化疗等综合治疗，患者5年生存率可以达到90%，甚至95%以上[2]。然而，最新数据表明，我国83%的结直肠癌患者在首次确诊时处于中晚期，其中44%的患者已经出现了肝、肺等部位的转移，从而失去了手术的机会[3]。大量研究表明，代谢重编程参与结肠癌发生发展，对结肠癌的治疗效果有重要影响，与术后复发、耐药等情况密切相关[4]。其中，糖代谢异常是结肠癌代谢重编程最显著的标志[5]。非编码RNA(non-coding RNAs，ncRNAs)，一种从基因组上转录而来但不翻译成蛋白就能行使各种生物学功能的RNA分子，被发现在结肠肿瘤组织中异常表达。并且，其中一部分非编码RNA能影响代谢酶(如HK2、PKM2等)或者代谢相关基因(如C-MYC)的表达，介导结肠癌细胞的代谢重编程，从而影响结直肠癌的发生与发展。在这篇综述中，将总结以往发现与结直肠癌糖代谢相关的非编码RNA，并探讨其中作用以及机制，希望能找到更多潜在的、有效的结肠癌(CRC)早期检测和治疗的靶点。

1 微RNA与糖代谢

MicroRNA(miRNA)是一类内生的、长度20～24个核苷酸的小RNA，近年来，科学家开始认识到这些普遍存在的小分子在基因表达调控中有着广泛的作用，据推测，miRNAs调节着人类大约三分之一的基因[6]。microRNAs对靶基因的调控方式大致可分为三种：第一种是切断靶基因的mRNA分子—作用时与靶基因完全互补结合，作用方式和功能与siRNA非常相似，最后切割靶基因的mRNA。靶基因mRNA断裂后，无poly(A)的分子的3’端加上多个U并很快降解；第二种是抑制靶基因的转录—作用时与靶基因不完全互补结合，从而抑制基因的转录但不影响mRNA的稳定性，这是目前发现最多的方式。第三种是结合抑制—具有以上两种作用模式[7]。随着科学人员对miRNAs研究的深入，miRNAs在肿瘤中的作用也被揭晓。近年来，越来越多的miRNAs被发现参与肿瘤细胞糖代谢的调控，包括糖酵解途径、戊糖磷酸途径(PPP)、糖摄取和氧化磷酸化。

1.1 微RNA与葡萄糖摄取葡萄糖摄取是糖代谢的第一步，葡萄糖的代谢取决于细胞对葡萄糖的摄取速度。糖的摄取速度的往往由细胞的需求决定，然而，在肿瘤细胞中，即使是在氧气存在和线粒体功能充分的情况下，癌细胞摄取葡萄糖的速度依然会显著增加[8]。在结肠癌细胞中，葡萄糖摄取速度也会增加，MiRNAs在其中发挥调控作用。众所周知，葡萄糖无法自由通过细胞膜脂质双层结构进入细胞，细胞对葡萄糖的摄入需要借助细胞膜上的葡萄糖转运蛋白(glucose transporters，GLUTs)转运功能才能得以实现，miR-181a和miR-328通过对GLUTs的调控增强结肠癌细胞的糖摄取。机制上，miR-181a在结肠癌组织中表达上调，抑癌基因PTEN是miR-181a的直接靶点，miR-181a与PTEN的完全互补结合能使PTENmRNA快速降解，PTEN的抑制增加了AKT的磷酸化，AKT的磷酸化最终会导致结肠癌细胞中GLUT 1的表达上调[9]。同样，miR-328能与编码GLUT1的solute career family 2 member 1(SLC2A1)结合从而抑制GLUT1的转录，但结肠癌细胞中miR-328的下调促进了糖摄取[10]。

1.2 微RNA与有氧糖酵解瓦博格效应指的是在氧气足够情况下，肿瘤细胞的糖酵解途径依然活跃，因此也称有氧糖酵解[11]。有氧糖酵解是肿瘤细胞糖代谢重编程最显著的特征，几乎所有肿瘤依靠这种方式获取快速生长所需的能量。结肠癌细胞的“有氧糖酵解”化与微RNA的失调有千丝万缕的联系，MiRNAs能够通过靶向主要代谢酶、代谢相关的转录因子、癌基因、肿瘤抑制因子或者代谢相关信号通路等方法来参与结肠癌细胞的有氧糖酵解。

1.2.1 微RNA与有氧糖酵解关键酶己糖激酶(hexokinase，HK)是催化己糖使之磷酸化的酶，它是糖酵解途径的第一个酶，也是糖酵解途径的限速酶[12]。70多年前Warburg就发现了肿瘤的糖代谢重编程，肿瘤细胞中大约60%的ATP来源于糖酵解途径，在切除的结肠癌的组织中已经证实其HK的含量是增高的，当病灶发生转移时，HK的活性或表达会更高，而在四种HK的同工酶中，HK2与肿瘤相关性最大[13]。最近有研究表明，结肠癌中HK2的表达上调与MicroRNA-98、miR-4458以及miR-143在结肠癌组织中的下调有关[14-16]。研究表明，HK2mRNA是MicroRNA-98、miR-4458以及miR-143的直接靶点，以上三种MiRNA都可以通过与HK2mRNA直接结合降低HK2的表达抑制糖酵解。磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase，PGK)同样是糖酵解的关键酶，也是每种生物得以生存的必须酶，该酶的缺乏可引起生物体代谢等功能的紊乱[17]。而在结肠癌患者的外周血单个核细胞和肿瘤组织中，PGK明显上调，且与结肠癌的发生发展密切相关。PGK1能被miR-548c-5p的负调控，而miR-548c-5p在结肠癌组织中的下调则促进了糖酵解，促进了结肠癌细胞的增殖[18]。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)使磷酸烯醇式丙酮酸和ADP变为ATP和丙酮酸，是糖酵解过程中的最后一个限速酶[19]。结肠癌细胞的发生和耐药与丙酮酸激酶的激活密切相关，miRNA在其中发挥重要作用。有研究表明，miR-122通过直接结合PKM2的3'UTR诱导细胞凋亡、生长阻滞和抑制结肿瘤细胞的糖酵解，而结肠癌细胞中miR-122的下调促使结肠癌获得5-氟尿嘧啶(5-FU)的耐药性[20]。

1.2.2 微RNA与有氧糖酵解相关通路Sushi-containing repeat protein X-linked 2(SRPX2)过表达在结肠癌症患者中与不良预后相关[21]，研究结果表明，SRPX2能促进结肠癌细胞的糖酵解。miR-192和miR-215是SRPX2打开结肠癌细胞糖酵解的关键钥匙，miR-192-5p(miR-192)和miR-215-5p(miR-215)通过下调结肠癌细胞中SRPX2的表达来抑制糖酵解。除此以外，在结肠癌中，miR-192和miR-215都因为PI3K-Akt通路的激活而下调从而促进结肠癌进展[22]。PTEN是一种抑癌基因，通过拮抗酪氨酸激酶等磷酸化酶的活性而抑制肿瘤的发生发展，PTEN在结肠癌组织往往是低表达[23]。在结肠癌细胞中，miR-181a通过抑制PTEN的表达导致磷酸化AKT的增加，从而导致糖酵解关键酶HK2的上调，乳酸生成增加导致癌细胞的快速生长。Hif-1α是细胞在低氧情况下过表达信号分子，可以调控肿瘤多个生物进程，包括糖酵解[24]。结直肠癌(CRC)中，miR-23a、miR-27a和miR-24在低氧条件下表达水平明显提高，受Hif-1α信号通路的正向调控，Hif-1α诱导的miR-23a、miR-27a和miR-24通过上调各种代谢通路和相关基因，包括糖酵解的关键酶。而且，CRC中的miR-24通过miR-24/VHL/hif-1α轴形成正反馈环，加快肿瘤细胞向有氧糖酵解状态过渡，促进结肠癌细胞增殖和转移[25]。c-myc信号通路的激活在结直肠癌进展中起关键作用，与代谢的改变明确相关[26]。miR-181d通过c-myc信号通路对CRC细胞糖代谢的调控。机制上，miR-181d通过直接靶向CRY2和FBXL3的3'-UTRs稳定c-myc，此外，c-myc/HDAC3转录抑制复合体共定位于CRY2和FBXL3启动子上，表观遗传学上抑制其转录，进一步促进c-myc的激活。c-myc信号通路的激活可直接诱导miR-181d的表达。miR-181d通过与CRY2/FBXL3/c-myc形成反馈环促进直肠癌的糖代谢由有氧氧化向糖酵解过渡[27]。

1.3 微RNA与有氧氧化、戊糖磷酸途径众所周知，在有氧情况下，肿瘤细胞在氧化磷酸化与糖酵解代谢方式中选择了后者。但是，其中过程的分子基础仍未明确。在以往的研究中，很多证据都表明，肿瘤细胞的糖酵解的异常活跃与相关关键酶的过表达有关，而与氧化磷酸化的抑制无关，因为在这过程中其线粒体功能并未受损。然而，最新研究表明，miRNA能直接调控的CRC的氧化磷酸化间接促进糖酵解过程。体外实验发现miR-27a过表达结肠癌细胞HCT116和SW480细胞中观察到柠檬酸合酶[the tricarboxylic acids(TCA)cycle gatekeeper enzyme]的活性增加，miR-27a通过PGC-1α直接调控PPARγ，从而抑制线粒体代谢内的氧化磷酸化。当然，miR-27对其他糖代谢途径仅有一定的影响，miR-27a阻碍AMPK，增强mTOR信号传导，并与癌基因和肿瘤细胞代谢调节因子协同作用，促进戊糖磷酸途径和糖酵解[28]。癌症相关的成纤维细胞(CAFs)能够通过直接接触或以旁分泌的方式分泌多种细胞因子和代谢产物，从而促进肿瘤生长、转移、耐药。CAFs是由普通成纤维细胞(normalfibroblasts，NFs)转化而来，但其中的分子机制尚未明确，但最近研究表明与NFs的代谢重组相关。miR-424的下调在其中发挥重要的作用，miR-424在CAF形成过程中下调IDH3α，降低α-酮戊二酸(alpha-KG)与富马酸和琥珀酸的比值，从而抑制PHD2，限制糖的氧化磷酸化。同时，miR-424稳定hif-1α蛋白，上调NDUFA4L2抑制糖的氧化磷酸化[29]，毫无疑问，miR-424对氧化磷酸化的抑制促使结肠普通成纤维细胞进行有氧糖酵解，为其转化为癌症相关的成纤维细胞提供条件。

2 长链非编码RNA与糖代谢

长链非编码RNA(lncRNA)指的是一类转录本长度超过200个核苷酸的RNA分子，与miRNA一样，它们并不编码蛋白，但是以RNA的形式在多种层面上参与基因的调控[30]。相比miRNA，lncRNA具有更多生物学功能：与编码蛋白基因的转录本或者上游启动子形成互补，干扰mRNA的表达或剪切；与特定蛋白质结合，改变该蛋白质的细胞定位或者活性；lncRNA通过改变DNA/RNA甲基化状态、染色体结构和修饰状态参与基因的表观遗传学调控[31]。而且，一些miRNA的表达同样受到lncRNA的调控，因为lncRNA会携带有某些miRNA的“序列”，像海绵一样结合miRNA，从而阻止miRNA同其靶mRNA的结合[32]。正是因为lncRNA丰富的生物功能，其在结肠癌的糖代谢重编程中的作用也值得被研究与探讨。

2.1 长链非编码RNA与葡萄糖摄取众所周知，GLUTs过表达能促进糖摄取。lncRNAAWPPH通过上调结肠癌细胞GLUT-1的表达，促进结肠癌糖代谢重编程，与结肠癌预后不良相关[33]。

2.2 长链非编码RNA与有氧糖酵解

2.2.1 长链非编码RNA与有氧糖酵解关键酶KCNQ1OT1直接与己糖激酶2(HK2)结合，阻止CRC细胞HK2的泛素化，从而增强有氧糖酵解。KCNQ1OT1敲除的大肠癌细胞中HK2的过度表达恢复了细胞的增殖和有氧糖酵解，KCNQ1OT1通过增加HK2的有氧糖酵解促进结直肠癌的发生[34]。lncARSR在大肠癌组织中高表达，与生存率呈负相关，在分子水平上，lncARSR与miR-34a-5p结合，阻止miR-34a-5p对糖酵解代谢酶的抑制，促进己糖激酶1(HK1)相关的有氧糖酵解[35]。DANCR可以作为一种竞争性的内源性RNA与miR-125b-5p的种子区结合，糖酵解酶己糖激酶2(HK2)是结肠癌细胞中miR-125b-5p的直接靶点[36]。miR-125b-5p的过表达通过直接靶向HK2的3'非编码区抑制细胞糖酵解速率并增加顺铂敏感性，lncRNA-DANCR-miR-125b-5p/HK2轴作为治疗化疗耐药结肠癌的潜在靶点。FEZF1-AS1可以结合丙酮酸激酶2(PKM2)蛋白并增加其稳定性，导致胞质和核PKM2水平升高，增加细胞质PKM2促进有氧糖酵解[37]。大肠癌组织中SNHG6的表达高于正常组织，且与预后不良呈正相关。SNHG6可以与hnRNPA1和PKM结合，诱导hnRNPA1特异性剪接PKM的mRNA，增加PKM2/PKM1的比例，促进结肠癌细胞有氧糖酵解[38]。同样地，miR-137通过结合mRNA降低PKM2/PKM1的比例显著抑制结肠癌细胞的糖酵解代谢，而XIST以通过竞争性结合miR-137上调PKM2/PKM1的比率，促进结肠癌细胞增殖、迁移、侵袭、耐药[39]。

2.2.2 长链非编码RNA与有氧糖酵解关键酶相关通路LINRIS阻断IGF2BP2的泛素化，维持其稳定性。这个过程阻止了IGF2BP2通过自噬溶酶体途径(ALP)的降解，最后增强了MYC介导的结直肠癌细胞糖酵解。LINRIS-IGF2BP2-MYC轴促进大肠癌的进展，是一个很有前途的治疗靶点[40]。GLCC1在葡萄糖饥饿下在大肠癌细胞中显著上调，通过增强糖酵解来支持细胞存活和增殖。机制上，GLCC1通过与HSP90伴侣的直接相互作用稳定c-Myc转录因子的泛素化，并进一步促进c-Myc靶基因(如LDHA)的转录，从而重新促进糖酵解代谢[41]。LINC00504是结肠癌细胞中c-Myc的重要转录调控因子，在转录水平上调控代谢，包括葡萄糖代谢。LINC00504可与c-Myc相互作用，促进c-Myc染色质招募，增强其转激活活性，促进c-Myc靶基因的表达从而促进糖酵解[42]。RAD51-AS1作为一种竞争性内源性RNA(ceRNA)对miR-29b-3p和miR-29c-3p起到抑制作用，导致它们共同的靶基因N-myc的激活，最终导致其下游基因2(NDRG2)的增强，从而导致糖酵解关键酶的己糖激酶2(HK2)表达上调，促进糖酵解代谢[43]。MCF2L-AS1作为miR-874-3p的分子海绵，反向调节miR-874-3p的表达。FOXM1被鉴定为miR-874-3p的直接靶点，在机制上，MCF2L-AS1通过竞争性结合miR-874-3p加速细胞增殖、侵袭和糖酵解，导致FOXM1表达增强，上调糖酵解关键酶LDHA的表达从而促进大肠癌的糖酵解[44]。HNF1A-AS1在大肠癌组织和细胞系中表达上调。miR-124是HNF1A-AS1的靶基因，MYO6是miR-124在结直肠癌细胞中的靶基因。HNF1A-AS1通过靶向miR-124上调结肠癌细胞中MYO6的表达，促进了CRC细胞的糖酵解，导致结直肠癌细胞的迁移和侵袭[45]。NDUFA4为miR-147b的直接靶点，MAFG-AS1通过结合miR-147b，激活NDUFA4，引起代谢酶PDK1、PFK1和PKM2的上调，促进结肠癌细胞的糖酵解[46]。ZEB2-AS1在结肠癌组织和细胞中的表达明显高于正常结肠癌组织和细胞，且大多位于胞浆中，ZEB2-AS1可以与microRNA-188结合，microRNA-188可以直接靶向TAB3，最终TAB3的过表达促进了糖酵解[47]。

2.3 长链非编码RNA与有氧氧化lncRNAIDH1-AS1在结肠癌细胞表达下调，IDH1-as1的通过促进IDH1的同型二聚化提高了其酶活性，阻止糖代谢有氧氧化。此外，导致α-kg增加，ROS产生减少，随后Hif-1α下调，导致糖酵解减弱。因此，抑制IDH1-AS1的c-Myc可以通过激活Hif-1α和抑制有氧氧化来促进结肠癌细胞的有氧糖酵解[48]。

3 环状RNA与糖代谢

环状RNA(circular RNA，circRNA)是一种特殊的选择性剪切产生且在真核细胞中广泛表达的非编码RNA(noncoding RNA，ncRNA)，是继微小RNA(microRNA，miRNA)及长链非编码RNA(long noncoding RNA，lncRNA)后的RNA家族又一研究新热点，其特征是无5'帽或3'PolyA尾的共价闭环结构[49]。同时，闭环结构使CircRNAs比其他RNA更稳定。表达的广泛性、结构的稳定性和功能的丰富性使circular RNA在结直肠癌糖代谢调控中有着重要的作用[50]。

3.1 环状RNA与糖摄取circDENND4C在直肠癌细胞中的上调对糖酵解有促进作用。机制上，miR-760作为circDENND4C的直接靶点，而miR-760可以与GLUT1mRNA结合，circDENND4C通过结合miR-760削弱其对GLUT1表达的限制，上调GLUT1[51]。同样，CircNOX4能与miR4855p结合，减少miR4855p与致癌基因CDC28蛋白激酶调节亚基1B(CKS1B)的3'非翻译区(UTR)结合，CKS1B过表达则导致GLUT1的上调[52]。circNOX4和circDENND4C上调GLUT1表达来促进CRC细胞的糖摄取，增强糖酵解，在CRC中发挥致癌作用。

3.2 环状RNA与有氧糖酵

3.2.1 环状RNA与有氧糖酵解关键酶化疗耐药CRC细胞的外泌体可以在细胞间转移促进糖酵解，以降低化疗敏感细胞的药物敏感性。环状RNA hsa_circ_0005963(ciRS-122)被确定为miR-122的海绵吸附体，调控其靶基因PKM2的表达，与结直肠癌细胞的耐药形成相关。来自奥沙利铂耐药细胞的外泌体将ciRS-122传递给敏感细胞，从而解除miR-122对其靶基因PKM2的抑制作用，促进糖酵解和耐药[53]。

3.2.2 环状RNA与有氧糖酵解相关通路circACC1是一种来源于人类ACC1的环状RNA，在转录因子c-Jun的血清剥夺作用下，circACC1比ACC1优先产生。在结肠癌细胞中，表达circACC1导致肿瘤细胞的增殖。大肠癌组织中AMPK激活的增加往往与circACC1表达升高相关。circACC1可诱导AMPK激活，促进结肠癌细胞的糖代谢重编程[54]。circVAPA在CRC肿瘤组织中表达上调，同时，CREB5表达水平升高，miR-125a表达水平降低。circVAPA上调促进CRC细胞的迁移、侵袭和糖酵解。circVAPA作为miR-125a海绵调控CREB5的表达。circVAPA上调通过调控miR-125a/CREB5轴部分增强结肠癌细胞的糖酵解[55]。

4 总结与展望

在以往的研究中，许多功能性非编码RNA在CRC中陆续被发现，其通过影响葡萄糖代谢酶的表达(图1)或者代谢相关通路的激活(图2)从而改变结肠癌细胞糖代谢的方向和进程，它们参与了肿瘤细胞糖代谢的各个途径，如糖酵解、氧化磷酸化和磷酸磷酸戊糖途径。人们越来越关注的是，肿瘤相关成纤维细胞(肿瘤微环境中主要的基质细胞)中的非编码RNA也可能通过糖代谢重编程调节肿瘤细胞和微环境之间的相互作用，从而促进肿瘤的进展。因此，非编码RNA对肿瘤-微环境的相互作用的调控也值得被深入研究和探讨。有趣的是，已经有研究表明，外泌体来源的CircRNA通过外泌体在细胞间转移，提示含有非编码RNA的外泌体可能像细胞因子和生长因子一样参与糖代谢重编程信号的传递与调控。对于疾病而言，非编码RNA除了作为肿瘤的标志物，对新的治疗策略或者治疗靶点的发现也有很大的意义。结肠癌发生过程中非编码RNA与糖代谢之间的复杂调控网络的理解将促进基于非编码RNA的CRC治疗方法的发展。