长链非编码RNA调控成骨分化对骨代谢疾病影响的研究进展

孙文婷，吴 娟，穆闻君，孔维萍

（1.北京中医药大学 研究生院， 北京 100029；2.中日友好医院 中医风湿病科，北京 100029；3.免疫炎性疾病北京市重点实验室，北京 100029）

长链非编码RNA （long non-coding RNA，lncRNA）是一类转录本长度超过200bp 的不编码蛋白质的RNA，lncRNA 在早期被认为是无生物学功能的 “转录噪音”，属于RNA 聚合酶Ⅱ转录的副产物，不具有生物学功能[1]。 随着人们对lncRNA 的了解加深，发现lncRNA 在生物发育、基因表达等众多生命活动中发挥着重要的调控功能，广泛参与到干细胞分化、 细胞增殖和转移等不同的生物学过程，并与人类疾病的发生、发展密切相关[1，2]。骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）是一种具有多向分化潜能的干细胞，BMSCs 可定向分化为成骨细胞并作为种子细胞在骨形成、维持和重建中发挥着重要作用[3]。近年来，多项研究表明lncRNA 与BMSCs 成骨分化密切相关， 并参与多种骨代谢疾病的发生。 本文就有关lncRNA 对BMSCs 成骨分化影响及其在骨代谢研究中最新进展作一综述，为寻找骨代谢相关疾病的潜在治疗靶点提供依据。

1 lncRNA 在BMSCs 成骨分化中的调控机制

BMSCs 能够分化为成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌细胞等多种细胞类型，并在细胞生长调控及组织修复中发挥重要作用。 BMSCs 分化失衡时则可引起骨质疏松、异位骨化等疾病[3]。 lncRNA 的调控机制十分复杂，具体到BMSCs 成骨分化过程中，主要包括以下3 个方面。

1.1 介导表观遗传学调控

表观遗传学调控是指在不改变DNA 序列的情况下，通过DNA 甲基化、 组氨酸修饰和染色质重塑来改变可遗传的遗传表型和基因表达。 以lncRNA Gas5 为例，在成骨分化过程中，糖皮质激素是骨形成的负性调节因子，lncRNA Gas5 通过充当“糖皮质激素反应元件”与糖皮质激素受体的DNA 结合结构域结合， 从而作为糖皮质激素的核糖阻碍物，通过影响糖皮质激素受体的转录活性，抑制受体功能，干预成骨分化过程[4]。

1.2 调控相关信号通路

成骨分化过程中涉及一系列调节因子的参与，它们通过激活或抑制成骨相关信号通路发挥重要作用。在成骨分化过程中， 成骨分化的核心转录因子Runx2 受BMP、Wnt蛋白、雌激素和糖皮质激素的多重调节，导致下游蛋白如β-catenin 和Smads 的磷酸化或表达改变[5]。 以lncRNA AK045490 为例，lncRNA AK045490 可通过抑制β-catenin的核转位，阻断β-catenin/TCF1/Runx2 信号通路从而下调T 细胞因子1（TCF1）、淋巴增强因子结合因子1（LEF1）和Runx2 表达，最终抑制成骨细胞的分化和骨形成[6]。

1.3 作为miRNA 海绵或前体结构调节

lncRNA 可以竞争性地结合miRNA 特异性位点，进而在BMSCs 成骨分化过程中调节miRNA 水平。 miRNAs 可导致靶mRNA 的翻译抑制或降解， 调节BMSCs 成骨分化相关基因的表达。lncRNA 可充当分子海绵，通过竞争性地结合miRNAs 来调控成骨分化[7]。 例如，在BMSCs 成骨分化的调控过程中，lncRNA KCNQ1OT1 可对miR-214 发挥海绵吸附作用， 调控miR-214 的表达， 而miR-214 可与BMP-2 的3'-非翻译区（UTR）结合，抑制该蛋白的表达，进而调控成骨分化过程[8]。

2 通过参与BMSCs 成骨分化调控骨代谢疾病的lncRNA

2.1 H19

H19 是位于人类11 号染色体上的长度约2.7kb 的非编码蛋白基因片段，是一种母系表达、父系印记的基因[9]。随着人们对H19 的日益关注，发现H19 在BMSCs 成骨分化以及骨代谢疾病中发挥了重要作用。

在BMSCs 成骨分化过程中， 自成骨分化的d7 开始H19 的表达增加，并从d14 到d28 保持在较高水平，这表明在成骨分化的早期阶段H19 发挥了作用[9]。 在调控机制方面，Liang 等人[7]研 究发现，H19 可 与miR141、miR22 发挥海绵吸附作用，通过与β-连环蛋白（β-catenin）竞争性结合miRNA，调节Wnt/β-catenin 信号通路来促进成骨；此外，H19 与其编码的miR-675-5p 之间的可形成负反馈环，miR-675-5p 可直接靶向H19 并抑制成骨细胞分化， 表明miR-675-5p 是成骨的负调节剂。 Gan 等人[10]研究发现，与健康人比较，H19 在绝经后骨质疏松症患者中明显下调，而miR-19b-3p 的表达显著上调； 过表达H19 可下调miR-19b-3p， 促进BMSCs 成骨分化，miR-19b-3p 模拟物可逆转H19 上调诱导的细胞增殖和成骨分化， 证实H19可通过调节miR-19b-3p 参与BMSCs 成骨分化的调节。

2.2 MEG3

母系表达基因3 （maternally expressed gene 3，MEG3）是位于染色体14q32.3 上的一个lncRNA，在表现遗传调控和关键信号蛋白相互作用下，协调多种细胞生命过程[11]。

随着人们对MEG3 的了解加深，发现MEG3 在BMSCs成骨分化方面发挥着重要作用。 Zhuang 等人[12]发现，多发性骨髓瘤患者的BMSCs 在成骨分化过程中MEG3 表达水平较低，MEG3 敲低显著降低了关键成骨标志物Runx2，硬化蛋白（sclerostin，SOST）和骨钙素的表达，进而抑制成骨分化；MEG3 的过表达可增强成骨相关标志物的表达，促进成骨分化；通过荧光素酶、染色质免疫沉淀和RNA 免疫沉淀等实验发现，MEG3 通过抑制BMP4 的SOX2 转录，调控BMSCs 的成骨分化过程。 然而，Wang 等[13]研究发现，绝经后骨质疏松症小鼠模型的BMSCs 中MEG3 高表达，当诱导BMSCs 向成骨细胞分化时，MEG3 和miR-133a-3p的表达显著降低； 而MEG3 的沉默可导致矿化结节增加，提高成骨标志物的表达，进一步研究发现MEG3 的高表达可通过提高miR-133a-3p 表达下调SLC39A1， 抑制BMSCs 的成骨分化，从而导致绝经后骨质疏松症。 以上不同的结果可能部分归因于来自不同疾病模型中的BMSCs 转录后调控特征不同。 因此，MEG3 在BMSCs 的成骨分化中的作用仍有待进一步探究。

2.3 MALAT1

人肺腺癌转移相关转录本1 （metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1，MALAT1）是lncRNA 家族的经典成员。 越来越多的证据证实了MALAT1 在BMSCs成骨分化中发挥重要作用[14，15]。

Gao 等[14]研究发现， 骨质疏松症患者的BMSCs 中MALAT1 的表达较健康人显著减低，而miR-143 表达则升高； 敲低MALAT1 成骨分化显著下降， 表明MALAT1 是hBMSCs 成骨分化的正调节因子； 进一步通过荧光素酶测定发现，MALAT1 可以直接结合miR-143 并对其发挥负调节作用，miR-143 可以直接结合成骨的关键物质Osterix（Osx）3'-UTR 上的靶点，抑制Osx 表达，表明MALAT1 通过靶向miR-143 来调节Osx 表达，促进BMSCs 成骨分化。Yang 等人[15]研究发现BMSCs 衍生的MALAT1 通过与miR-34c 发生海绵吸附作用， 上调特异AT 序列结合蛋白2 （special AT-rich sequence-binding protein 2，SATB2）表达，增强成骨活性，而SATB2 敲低则降低了成骨活性；动物实验证实，miR-34c 可逆转MALAT1 的作用， 且SATB2可逆转卵巢切除小鼠中miR-34c 的作用， 进而表明BMSCs 衍生的MALAT1 通过介导miR-34c/SATB2 轴增强骨质疏松小鼠成骨细胞的活性。 上述研究证实，MALAT1 是成骨分化过程中重要的正向调节因子，在hBMSCs 成骨分化中可通过与相应的miRNA 结合发挥调控作用， 有望成为骨质疏松症的潜在治疗靶点。

2.4 HOTAIR

HOX 转录反义RNA （HOX transcript antisense RNA，HOTAIR）是HOXC 基因转录形成的一个lncRNA。 在BMSCs 成骨分化过程中，HOTAIR 可通过多种途径干预BMSCs 成骨分化[16，17]。

Wei 等人[16]研究发现，与骨关节炎患者相比，非创伤性股骨头坏死患者的BMSCs 中HOTAIR 的表达水平较高，敲低HOTAIR 可导致miR-17-5p 表达增加， 同时miR-17-5p 靶基因Smad7 表达降低， 成骨分化标志物RUNX2和COL1A1 的表达和ALP 活性增加，促进成骨分化。 Shen等人[17]研究发现，骨质疏松症患者血清和BMSCs 中HOTAIR 的表达均明显高于健康对照组，HOTAIR 通过介导Wnt/β-catenin 通路相关蛋白DKK-1 表达参与成骨分化，抑制HOTAIR 的表达可诱导BMSCs 碱性磷酸酶活性升高，成骨标志物表达升高，促进成骨。 总之，HOTAIR 在成骨分化的作用机制多样，其相关作用需进一步研究。

2.5 Gas5

Gas5 最初从NIH3T3 细胞中分离出来，是编码淋巴瘤相关染色体位点（1q25）的lncRNA。多项研究证实，Gas5 参与了BMSCs 的成骨分化过程， 影响骨代谢疾病的发生发展[18，19]。

Feng 等人[18]测定了骨质疏松症患者和健康对照者BMSCs 中Gas5、miR-498 和RUNX2 的表达水平， 发现在骨质疏松症患者来源的BMSCs 中，Gas5 和RUNX2 低表达，miR-498 高表达；过表达Gas5 可通过抑制miR-498 并上调RUNX2 促进BMSCs 的成骨分化，从而缓解骨质疏松的发展。Wang 等人[19]在骨质疏松小鼠模型的BMSCs 中，发现Gas5 和FOXO1 表达降低，miR-135a-5p 表达增加。 在诱导BMSCs 成骨分化过程中，Gas5 和FOXO1 水平升高，miR-135a-5p 表达降低； 过表达Gas5 促进了BMSC 的成骨分化，敲低Gas5 则抑制BMSC 的成骨分化，进一步研究证实，Gas5 通过调节miR-135a-5p/FOXO1 轴促进BMSCs成骨。总之，根据这些发现，lncRNA GAS5 有望成为骨质疏松症诊断和预后的潜在生物标志物。

2.6 通过参与BMSCs 成骨分化干预骨代谢疾病的其他lncRNA

其他与BMSCs 成骨分化相关的lncRNA 还包括HIF1α-AS1、DANCR、Bmcob 和KCNQ1OT1 等。 Xu 等[20]发现HIF1α-AS1 是沉默调节蛋白1 （recombinant sirtuin 1，SIRT1）的靶基因，TGF-β 可抑制BMSCs 中SIRT1 的表达，使HIF1α-AS1 上调， 通过促进乙酰化增强HOXD10 的表达，促进人BMSCs 的成骨向分化，认为HIF1α-AS1 有望成为骨关节炎的治疗靶点。 Sun 等[21]在小鼠BMSCs 的成骨分化过程中发现，Bmcob 的表达水平在早期至中期显著上调，Bmcob 的沉默则抑制BMSCs 的成骨细胞分化，进一步研究发现，Bmcob 可能通过调节SBP2 的核质穿梭， 调节sepp1 介导BMSCs 的成骨，为骨质疏松症的治疗干预提供了新的靶点。 Wang 等[22]研究发现KCNQ1OT1 可直接与miR-214 结合，调控BMP2 表达及其下游Smad 信号，进而通过KCNQ1OT1/miR-214/BMP2 轴干预hBMSCs 成骨分化，促进成骨分化。以上几种lncRNA 与hBMSCs 成骨分化研究报道较少， 对骨代谢疾病的干预作用有待进一步探究。

3 在骨代谢疾病中的临床应用

间充质干细胞是基因治疗的理想细胞载体，具有低免疫原性， 很容易被临床上广泛使用的所有病毒载体转染，BMSCs 在骨代谢疾病的治疗中表现出了显著的优势[5]。 目前，体内BMSC 注射疗法在动物实验和临床试验中均已取得了良好效果，针对强直性脊柱炎、难治性类风湿性关节炎等多种疾病，已经开展了BMSC 治疗的临床试验[23，24]。比如，注射BMSCs 可改善中重度骨关节炎患者的预后，为骨关节炎的治疗提供了一种有前景的新疗法[23]。 随着近些年lncRNA 的深入研究，人们发现从人体中提取出BMSCs，通过对其中的lncRNA 进行靶向修饰， 为治疗各种骨代谢相关疾病带来了潜在的希望。 有研究发现，lncRNA Bmner 过表达BMSCs 在小鼠模型中对抗衰老相关的骨丢失显示出良好的治疗效果， 并在敲除该lncRNA 后观察到相反的效果，有望成为未来的治疗靶点[25]。

4 总结与展望

综上所述， 大量研究证实了lncRNA 作为干细胞转录调控网络的重要组成部分， 通过介导表观遗传学调控、调控相关信号通路或作为miRNA 海绵或前体结构参与了BMSCs 向成骨细胞的分化的过程。 多种lncRNA 密切参与BMSCs 成骨分化过程，并对骨代谢疾病的发生和发展发挥了作用。一方面，这些lncRNA 的发现有望成为骨代谢疾病早期诊断的生物标志物。另一方面，随着研究的深入，靶向lncRNA 的治疗也有望在不久的将来发挥关键作用， 为精准医学提供新的选择。