低氧诱导的lncRNA在胰腺癌中的研究进展

叶梦洁,汤为香,骆广涛

胰腺癌是一种恶性程度极高的消化系统肿瘤,5年生存率仅为9%[1]。近年来,胰腺癌发病率呈逐年上升趋势,且发病趋向于年轻化,预计2030年全球范围内胰腺癌病死率将上升至第2位[2]。我国胰腺癌的发病率在过去20年内增加了4倍,每年新发确诊病例和死亡病例分别占全球胰腺癌总例数的19.45%和19.27%[3-4]。胰腺癌起病隐匿,早期症状不典型,且进展迅速,患者常在出现明显临床表现后就诊,确诊时病变已处于晚期,积极治疗对患者预后的改善较为有限[5]。此外,胰腺癌手术的低切除率和放、化疗的低敏感率均导致治疗效果难以实现较大突破。胰腺癌已成为严重危害人类健康和生命的重大公共卫生问题。

低氧是实体肿瘤的典型特征之一[6],低氧微环境可使肿瘤细胞基因发生异常从而改变肿瘤细胞的生物学行为[7]。低氧环境下,多种长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)表达异常。lncRNA是一类定位于细胞核或细胞质,转录本长度大于200 nt,但缺乏编码蛋白能力的非编码RNA分子,在基因转录、翻译和翻译后修饰水平均发挥重要作用。现已证实,lncRNA可以调控包括细胞增殖、侵袭迁移、凋亡和自噬等在内的肿瘤生物学行为,继而在肿瘤恶性进展过程中扮演着重要角色[8]。本文结合相关文献就低氧诱导的lncRNA在胰腺癌发生、发展中的研究进展作一综述。

1 低氧微环境与lncRNA

低氧是大多数实体肿瘤中普遍存在的现象[9]。由于瘤体不断增长,血供和营养相对不足,瘤体中心的肿瘤细胞常处于低氧微环境中。肿瘤的乏氧特性往往导致局部异质环境的发展,其特征是氧浓度变化、pH值相对较低、活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平升高。这种乏氧异质性也会促进肿瘤的侵袭转移、血管生成、糖转运能力和耐药性的增加[10]。低氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)是在低氧条件下细胞感受和应对低氧微环境的重要转录因子。HIF是由α和β两个碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)结构蛋白亚基组成的异源二聚体[11],其中α亚基蛋白水平与活性受氧浓度调节,β亚基作为结构蛋白则稳定表达。哺乳动物中的HIF-α存在三种亚型,即HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α。HIF-1α和HIF-2α在结构和功能上均有较大的相似性;而有关HIF-3α的相关研究较少,有文献报道[12]HIF-3α可能作为抑制元件对HIF-1α和HIF-2α进行负性调控。

HIF-α受氧浓度的严格调控,常氧状态下Fe2+和O2等辅助因子存在时,脯氨酸羟化酶(proline hydroxylase, PHD)将HIF-α蛋白两个关键位置的脯氨酸羟脯化。羟脯化的HIF-α与肿瘤抑制因子VHL结合,导致HIF-α通过泛素化-蛋白酶体途径降解。低氧条件下由于O2浓度降低,PHD酶活力下降,HIF-α泛素化降解途径受到抑制,胞质内累积的HIF-α转移到细胞核与稳定表达的HIF-β结合,通过低氧反应元件(hypoxic response element, HRE)调控下游靶基因的转录表达以适应恶劣的低氧环境。

现已证实,低氧微环境可以调控肿瘤细胞内多种lncRNA的表达。lncRNA的表达改变可以调节多个关键基因和信号通路,进而影响肿瘤细胞的生物学行为,最终改变肿瘤发生、发展的进程。Chen等[13]发现在低氧条件下肝癌细胞中lncRNA KDM4A-AS1的表达上调,进一步研究发现KDM4A-AS1受HIF-1α转录调控。Li等[14]发现低氧诱导的RUNX2可转录活化lncRNA RBM5-AS1,上调的RBM5-AS1通过活化Wnt/β-catenin信号通路调控乳腺癌的进展。

在低氧条件下,参与HIF转录过程的多种lncRNA及其相互关系构成了复杂的HIF-lncRNA转录网络。有研究表明HIF可直接调控转录lncRNA表达。Huan等[15]通过ChIP和双荧光素酶报告实验证实结肠癌细胞中HIF-1α可转录调控lncRNA-LUCAT1的表达。另外,Chen等[16]研究发现FAM83A-AS1通过调控HIF-1α蛋白降解影响肺癌细胞的糖酵解,表明lncRNA亦可介导HIF的转录激活及稳定。

在部分肿瘤中,HIF与lncRNA之间的调控并非呈单向的关系,而是形成复杂的调节反馈环路。Wang等[17]报道HIF-1α和lncRNA HITT的正反馈调控环路:首先,HITT作为HIF抑制因子,通过干扰HIF-1α翻译来抑制HIF-1α的表达;其次,HIF-1α可诱导miR-205表达的破坏HITT的稳定性,进而形成HITT/HIF-1α反馈环路来调控肿瘤血管形成和肿瘤进展,从而更精准且高效地调控肿瘤细胞的生物学行为。

2 低氧诱导的lncRNA在胰腺癌发生、发展中的作用

胰腺癌是一种典型的乏氧性肿瘤[18]。在胰腺癌组织中,胰腺癌细胞被高度增生的间质细胞及其分泌的胞间间质所包裹,这些间质形成的“保护屏障”,不仅能保护肿瘤细胞免受化疗药物的攻击,而且使胰腺癌内部持续处于乏血、乏氧状态。此外,胰腺癌组织血管生成能力不足和异常血管增生导致的局部血流低灌注,以及多种血管生长因子如内皮素、血管内皮生长因子的分泌致使微血管重构与肿瘤基质的包绕,在低氧的维持和加剧中起重要作用。低氧微环境下,胰腺癌细胞内lncRNA表达谱发生改变。近期的一项研究表明lncRNA PVT1被认为是胰腺癌中受到低氧诱导的重要分子。PVT1可充当miR-519d-3p的ceRNA来调节HIF-1α表达,进而激活血管生成、葡萄糖代谢重建、细胞增殖和侵袭转移[19]。此外,PVT1还与HIF-1α之间存在正反馈调节环,HIF-1α在低氧环境下促进PVT1表达,而PVT1在常氧环境下维持HIF-1α稳定、促进HIF-1α蛋白在常氧环境下累积[20]。因此,低氧相关的lncRNA在胰腺癌恶性进展中通过多种方式发挥其生物学功能。

2.1 低氧诱导的lncRNA对胰腺癌增殖、侵袭和转移的影响胰腺癌早期发生远处转移和易复发是患者病死率高、预后差的重要原因。肿瘤细胞不受调控的生长并从原发部位沿组织间隙向周围组织侵犯,而后通过血管淋巴管、其他体腔转移至靶器官或靶组织继续生长,并导致其尚未被确诊便已扩散至全身。80%以上的胰腺癌患者在确诊时肿瘤已发生局部进展或远处转移。有研究发现早期癌灶的增殖、侵袭、转移与HIF相关调控因子密切相关。目前越来越多的研究发现,含有反义RNA1(AS1)的lncRNA在胰腺癌低氧调控恶性行为中具有重要意义。文献[21-22]证实lncRNA FEZF1-AS1、PCED1B-AS1在低氧状态下分别通过miR-142/HIF-1α轴和miR-4113 p/HIF-1α轴调节参与癌细胞的增殖、侵袭和转移。

大多数胰腺癌主要由胰腺上皮内瘤变经基因突变演变而来。常见的基因突变有KRAS、TP53、p16/CDKN2A和SMAD4突变等[23]。KRAS基因突变最为常见,突变率可达90%以上。低氧广泛参与突变基因的表达调控。Li等[24]发现HIF-1α诱导的lncRNA NUTF2P3-001表达下调后,胰腺癌细胞的增殖和侵袭在体内和体外均被显著抑制,同时伴随着KRAS表达降低。因此,判定NUTF2P3-001和KRAS表达呈正相关。另有研究[25]表明低氧反应性lncRNA CF129可由HIF-1α诱导表达下调,并通过MKRN1介导的泛素依赖性p53降解来抑制FOXC2的表达,进而抑制胰腺细胞的增殖和侵袭。

上皮-间质转化通过降低细胞间的黏附力和破坏细胞极性来介导细胞突破基膜,其中包括转录因子的激活、细胞表面蛋白表达的改变、ECM降解酶的产生等过程,在驱动胰腺癌侵袭转移中占据重要地位[26]。Li等[27]的研究发现胰腺癌组织中lncRNA NORAD高表达,并证实胰腺癌细胞株中NORAD在低氧条件下表达上调。进一步研究发现NORAD可作为ceRNA竞争miR-125a-3p来调节小GTP结合蛋白RhoA的表达,从而调控上皮-间质转化。Sun等[28]探究胰腺癌来源的外泌体在肿瘤微环境发展中的潜在分子机制以及与脂肪细胞的相互作用时发现,由外泌体转运的lncRNA ROR可通过激活HIF-1α/ZEB1信号通路和白细胞介素1b(interleukin 1b, IL-1b)诱导脂肪细胞去分化并促进胰腺癌的上皮-间质转化。因此,上皮-间质转化的发生涉及多种转录因子和信号通路,并在极大程度上促进胰腺癌的发生、发展。

2.2 低氧诱导的lncRNA与胰腺癌代谢重建的关系低氧可使肿瘤细胞正常代谢途径受阻。为了抵抗恶劣的低氧环境并适配其恶性生长发育,肿瘤细胞会重建一套有别于正常细胞的异常代谢模式,此过程即肿瘤代谢重建。Warburg效应被认为是典型的肿瘤代谢重建[29]。HIF-1α在缺氧情况下可调节细胞ATP的水平和ROS的产生。HIF-1α相关的lncRNA被认为是肿瘤代谢重建重要的调控因子。

糖代谢重建是导致胰腺癌吉西他滨耐药的关键步骤。Xu等[30]研究发现lncRNA HIF-1α-AS1作为HIF-1α的反义RNA,首先在低氧条件下受到HIF-1α调控并诱导糖酵解关键蛋白GLUT1、HK2的表达;其次HIF-1α-AS1可以调控AKT/YB1通路进而在翻译水平促进HIF-1α蛋白表达。lncRNA HIF-1α-AS1和HIF-1α形成的正反馈环路通过增强糖酵解导致胰腺癌吉西他滨耐药。

2.3 低氧诱导的lncRNA对胰腺癌异常血管增生的影响肿瘤内部异常血管增生是导致胰腺癌高转移潜能的重要原因之一[31]。现已证实,异常血管增生与低氧微环境在胰腺癌发生、发展过程中相辅相成:局部异常血管增生可促进低氧微环境的形成,而低氧诱导的HIF等调控因子又可作为异常血管增生的必要启动和加速条件。低氧诱导的lncRNA在其中扮演重要角色。Li等[32]在低氧胰腺癌细胞内发现lncRNA ZNFTR表达下调。研究证明,ZNFTR通过与ATF3相互作用,并使ATF3远离邻近基因的锌指蛋白ZNF24启动子,从而增加ZNF24的表达。此外,ZNFTR通过ATF3/ZNF24/VEGFA来抑制ZNF24表达从而抑制VEGFA的转录来遏制胰腺癌的促血管生成能力。ZNFTR会被HIF-1α/HDAC1复合物介导的脱乙酰化所抑制,因此认为其低表达与患者总生存期较短相关。Guo等[33]发现lncRNA UCA1在低氧胰腺癌细胞来源的外泌体中高表达,并通过转移到人脐静脉内皮细胞促进人脐静脉内皮细胞的迁移和成管能力。

2.4 低氧诱导的lncRNA与胰腺癌吉西他滨耐药吉西他滨是治疗中晚期胰腺癌的一线化疗药物,其主要成分为双氟脱氧胞苷,通过抑制肿瘤细胞DNA的合成来发挥作用。然而吉西他滨对于晚期胰腺癌患者预后的改善作用有限,主要原因是胰腺癌患者对吉西他滨存在高度耐药。胰腺癌吉西他滨耐药性的产生过程错综复杂[34]。低氧诱导的lncRNA可调节靶基因及相关信号通路的表达、胰腺癌细胞对药物的摄取、代谢、凋亡和上皮-间质转化等。Chi等[35]发现在低氧条件下,胰腺星状细胞分泌的外泌体将lncRNA UCA1递送到胰腺癌细胞中,主要通过募集EZH2并调节SOCS3基因区域的组蛋白甲基化水平来增强胰腺癌对吉西他滨的耐药性。Xu等[36]报道HIF-1α-AS1与HIF-1α的反馈调控关系:HIF-1α-AS1作为HIF-1α的AS1可上调HIF-1α的表达来促进糖酵解,增强胰腺癌细胞吉西他滨耐药。既往研究表明,lncRNA PVT1与胰腺癌患者的化疗耐药性密切相关。PVT1可以直接靶向miR-409,促进SHH/Gli/MGMT信号通路活化,进而增强对吉西他滨的耐药性[37]。Zhou等[38]研究发现PVT1通过miR-619-5p/Pygo2轴激活Wnt/β-catenin信号通路,影响吉西他滨的化疗耐药。此外,高表达PVT1还可与HIF-1α形成正反馈环路,通过miR-143/HIF-1α/VMP1轴抑制细胞自噬并提高吉西他滨的敏感性[39]。

3 结语

低氧微环境的形成对胰腺癌的发生、发展具有重要影响,本文主要阐述低氧调控的多种lncRNA经HIF-1α诱导表达、并与之构成复杂转录网络、反馈环路等参与胰腺癌的恶性生物学行为。大量研究证实,低氧诱导的lncRNA与胰腺癌患者早期转移、不良预后和治疗效果欠佳密切相关,然而其发挥功能的具体机制及相关分子途径尚未完全清楚。在未来的研究中仍存在相关问题有待解决:(1)目前研究主要集中在低氧诱导的lncRNA对于胰腺癌肿瘤恶性进展的促进作用,而有关在肿瘤抑制方面的研究甚少。(2)外泌体作为局部和远处微环境中的受体细胞和肿瘤细胞间的生物活性分子,是目前肿瘤领域研究的热点。临床研究发现,胰腺癌患者血浆中低氧来源的外泌体可将低氧诱导的lncRNA转运至肿瘤细胞特定部位并发挥其靶向作用,提示低氧诱导的lncRNA并非只局限于肿瘤细胞内。如何高效分析外泌体内低氧相关lncRNA,并建立胰腺癌诊断、疗效和预后特异性指标显得尤为重要[40-41]。(3)虽然免疫逃逸与低氧诱导的lncRNA相关研究甚少,但大量研究强调miRNA可能是胰腺癌中lncRNA的下游靶向因子。可否通过探究低氧诱导非编码RNA在免疫逃逸中的功能来推测并验证低氧诱导的lncRNA在胰腺癌免疫逃逸中所发挥的作用?基于以上研究和讨论,新的诊断及治疗方案如多样化生物标志物诊断、抗VEGF、靶向治疗等正成为目前研究的热点,进一步探究低氧诱导的lncRNA生物学特性及相关分子机制对提升胰腺癌疗效和改善患者预后具有深远意义。