lncRNA介导的ceRNA网络在痛风性关节炎中的研究进展

王鹏,张曾,雷天意,青玉凤,张全波*

(川北医学院附属医院:1高尿酸血症与痛风研究中心,2老年病科,3风湿免疫科, 四川 南充 637000)

痛风是一种由单钠尿酸盐(monosodium urate,MSU)晶体沉积在关节及周围组织引起的慢性炎症性疾病,病情进展可导致尿酸性肾病、肾衰竭、关节损伤畸形等。痛风还与糖尿病、高血压病、代谢综合征、心血管疾病等密切相关[1]。近年来,痛风的患病率与发病率逐年增加。据报道,全世界痛风的患病率为1%～4%,发病率为0.1%～0.3%,男女比例为3∶1至10∶1[2]。我国从1990年至2017年,痛风的年龄标准化伤残调整生命年(disability-adjusted life year,DALY)率、患病率和发病率分别增加了6.92%、6.88%和6.16%[3]。

非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA),包括长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)、环状RNA(circular RNA,circRNA)、PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNA)等,在调控细胞增殖、发育、分化、凋亡等功能中发挥重要作用。其中lncRNA[4]、miRNA[5]、circRNA[6]均已经被证实在痛风性关节炎中有差异表达,但其具体的作用机制尚不明确。

竞争性内源性RNA(competing endogeous RNA,ceRNA)调控网络是近年来新发现的一种RNA间相互作用的工作机制,于2011年首次被提出并引起关注[7]。该机制认为某些RNA的miRNA反应元件(microRNA response elements,MREs)通过与信使RNA(messenger RNA,mRNA)竞争性结合miRNA,抑制或者解除miRNA对mRNA的调控,从而影响mRNA转录后翻译。目前,已经发现lncRNA、circRNA、假基因等均具有ceRNA作用。当ceRNA过度表达时,与之结合miRNA表达被抑制,RNA诱导的沉默复合体(RNA-induced silencing complex,RISC)启动靶向mRNA转录后翻译,从而上调mRNA表达。ceRNA机制的发现为miRNA介导的表观遗传学研究提供了新的思路。本文主要对lncRNA作为ceRNA在痛风性关节炎中的研究进展进行综述,旨在为痛风性关节炎的发病机制研究提供新的思路与方向。

1 lncRNA与痛风性关节炎

1.1 lncRNA与miRNA

lncRNA是一类转录本长度大于200nt的非编码RNA,在计量补偿效应、表观遗传、细胞周期、细胞分化、细胞凋亡等生物过程中发挥重要作用。lncRNA由RNA聚合酶Ⅱ转录而来,经选择性剪切、5′m7G加帽和3′PolyA加尾而加工成熟,具有高度保守的二级结构和三级结构。由于lncRNA无完整开放阅读框,故无法翻译为蛋白质。由于其特殊的结构,lncRNA可与RNA、DNA和蛋白质等相互作用调控细胞的生理功能,在恶性肿瘤、心血管疾病、代谢性疾病等疾病中发挥重要作用[8]。miRNA是一类长度约20～24nt高度保守性内源性非编码小RNA,它通过与靶向mRNA 3′UTR结合,形成RISC,抑制其翻译或者导致mRNA降解,在转录后水平调控基因表达[9]。一个靶基因可以受到多个miRNA调控,而一个miRNA也可以调控多个靶基因,由此形成多种复杂的相互调控网络。

1.2 lncRNA在痛风性关节炎中的表达

近年来生物信息学、高通量测序技术等飞速发展,加速了人们对lncRNA在痛风中的研究。钟晓武等[10]利用lncRNA芯片在痛风患者中检测到差异表达2倍以上的lncRNA多达1815条。Qing等[4]发现在痛风性关节炎患者外周血单个核细胞中600个lncRNA显著低表达。该研究还发现lncRNA和mRNA之间可能通过炎症和脂质代谢相关信号通路参与痛风的发病,部分lncRNA(如ENST00000566457、NR026756)表达水平有助于痛风诊断。姚承佼等[11]选取痛风中表达异常的基因lncRNA-AJ227913进行验证,发现AJ227913在痛风性关节炎组高于健康对照组,并且与尿酸、肌酐、胱抑素C表达水平呈正相关,提示AJ227913可能参与调控尿酸代谢。进一步生物信息学分析发现白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)是AJ227913的作用靶点,AJ227913可能通过AP-1转录因子调控IL-8表达,参与调控痛风炎症反应[12]。这些研究明确了lncRNA在痛风性关节炎异常表达,并且可能通过炎症或代谢等通路参与痛风性关节炎的发病。

1.3 lncRNA与Toll样受体和核苷酸结合寡聚化结构域样受体信号通路

MSU晶体可被危险信号相关分子模式和病原体相关分子模式识别启动固有免疫,诱发炎症反应,导致痛风急性发作。机体受到细菌、病毒以及其他病原微生物的侵袭时,Toll样受体(toll-like receptor,TLR)和核苷酸结合寡聚化结构域样受体(nod-like receptor,NLR)信号通路被激活,诱导产生多种lncRNA,而lncRNA又可以通过TLR/NLR信号通路调控炎症反应[13]。

lncRNA-MALAT1可作为miR-20a的海绵释放TLR4促进IL-6和IL-8表达[14],而后者是痛风中重要的促炎细胞因子[15]。而lncRNA-THRIL却可以负向调控TLR2诱导的免疫应答[16]。lncRNA-Cox2可以结合核转录因子κB(nuclearfactor-κB,NF-κB)p65并促进其核转位和转录,调节Nod样受体蛋白3(nod-likereceptorprotein3,NLRP3)和凋亡相关斑点样蛋白(apoptosis-associatedspeck-like protein,ASC)的表达;敲除lncRNA-Cox2后,NLRP3炎症小体激活被抑制,阻止caspase-1活化,导致IL-1β分泌减少[17]。lncRNA-4344和NLRP3的表达水平在脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)处理的大鼠海马组织中上调,过表达lncRNA-4344增强了NLRP3、caspase-1、IL-1β和IL-18的表达,沉默lncRNA-4344则减弱了炎症损伤[18]。lncRNA-NEAT1可通过激活自噬和抑制NLRP3炎症小体来改善LPS诱导的细胞炎症[19]。但另一项研究报道lncRNA-NEAT1与小鼠巨噬细胞中NLRP3、NLRC4和AIM2炎症小体结合,增强pro-caspase-1加工并稳定其成熟,促进IL-1β的产生和焦亡[20]。这些研究充分表明lncRNA可以通过TLR/NLR信号通路促进或者抑制炎症反应。

1.4 lncRNA与P2X7R信号通路

嘌呤能离子通道型受体7(purinergic ligand-gated ion channel 7 receptor,P2X7R)是一种三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)门控非选择性阳离子通道,参与各种促炎细胞因子的加工和释放,包括IL-1β、IL-18和TNF-α,因此也被认为是促炎受体。P2X7R基因单核苷酸多态性与痛风发病相关[21]。P2X7R介导ATP和MSU晶体的协同作用可以诱发急性痛风性关节炎[22],这提示MSU晶体诱导的炎症可能需要P2X7R的参与,这也正好解释了为何部分高尿酸血症患者不会发生痛风。研究发现lncRNA-uc.48+通过多种方式调控P2X7R介导的免疫和炎症反应的发生,包括促使细胞因子分泌、活性氧形成和细胞外信号调节激酶信号通路的激活[23];敲低lncRNA-NONRATT021972减弱P2X7R表达和炎症细胞因子产生[24]。以上研究表明lncRNA可以通过P2X7R信号通路参与调控炎症。

2 lncRNA作为ceRNA在痛风性关节炎中的作用

目前已有不少研究报道lncRNA通过ceRNA网络调控机体炎症,如lncRNA-SNHG5通过miR-132/PTEN轴调控慢性阻塞性肺疾病的细胞凋亡和炎症反应[25];lncRNA-RP11-86H7.1作为miR-9-5p的ceRNA逆转其对靶基因NFKB1的抑制作用,维持NF-κB的激活,从而促进气道炎症[26]。而lncRNA作为ceRNA在痛风性关节炎中的研究较少,或仅是利用转录组测序结果通过生物信息学方法构建lncRNA-miRNA-mRNA调控网络,缺乏对生物信息学预测结果验证和调控轴的深入研究。

2.1 lncRNA-miRNA-mRNA ceRNA调控网络的构建

目前,不少学者利用生物信息学的方法,通过转录组测序或挖掘GEO数据库,成功构建了lncRNA-miRNA-mRNA调控网络,从方法学的角度证明了lncRNA介导的ceRNA网络调控痛风的可能。Li等[27]从GEO数据库获得痛风性关节炎差异表达基因,从DisGeNET和GeneCards数据库获取痛风相关基因,取二者交集获得痛风性关节炎的关键基因,利用Cytoscape软件构建ceRNA网络。该研究最终获得TNF、JUN、PTGS2、STAT1、IL-6等9个枢纽基因可能是痛风诊断的生物标志物和治疗的潜在靶点,lncRNA-NEAT1-miR-142-3p-IL-6可能是控制痛风疾病进展的潜在调控通路。Shu等[28]研究报道lncRNA可能通过TTTY10-miR-139-5p-AP-1参与痛风性关节炎。Chen等[29]发现lncRNA可通过ceRNA机制调节细胞对化学应激的反应,影响IL-17、TNF、Oxytocin和NF-κB信号通路,进而调节痛风炎症。ceRNA调控网络构建对于深入了解痛风发病机制有重要意义,但这些研究同样存在一些局限性,比如痛风转录组测序数据来源单一,缺乏实验证据表明lncRNA与miRNA之间存在确切结合位点等。

2.2 lncRNA作为ceRNA促进痛风炎症

MSU晶体刺激机体产生的炎症反应是痛风急性发作的重要诱因,而lncRNA具有调控痛风炎症的潜力[30]。Fang等[31]将MSU晶体注射到小鼠脚垫中建立痛风性关节炎小鼠模型,检测脚垫中lncRNA-SNHG8、miR-542-3p、衔接因子相关蛋白复合体3亚基δ1(adaptor-related protein complex 3 subunit delta 1,AP3D1)和促炎细胞因子的表达水平,结果发现模型组lncRNA-SNHG8表达上调,小鼠爪子肿胀和脚垫厚度的增加;而沉默SNHG8可降低小鼠IL-1β、IL-6和TNF-α的蛋白表达水平。该研究进一步通过生物信息学分析、荧光素酶报告基因检测及RNA免疫沉淀(RNA immunoprecipitation,RIP)实验证实SNHG8为miR-542-3p的海绵,miR-542-3p靶向AP3D1 3′UTR,SNHG8与miR-542-3p竞争结合并上调AP3D1表达,促进小鼠痛风性关节炎的炎症。Liu等[32]在THP-1细胞痛风模型和痛风患者滑膜单核细胞中筛选出特异性表达的lncRNA-HOTAIR、miR-20b,通过敲低THOTAIR发现miR-20b上调和NLRP3、IL-1β表达水平下调,RIP和RNA下拉实验确认HOTAIR与miR-20b之间相互作用,最后在小鼠痛风性关节炎模型对结果进行了验证。同时该研究发现HOTAIR还受到DNA甲基化调控。Shao等[33]研究证实lncRNA-HOTTIP-miR-101-3p-BRD4轴能够促进急性痛风炎症,沉默HOTTIP则显著抑制BRD4表达,降低IL-1β、IL-8表达水平;沉默miR-101-3p则可逆转这一抑制作用。另一项研究报道抑制BRD4可以通过BRD4/NF-κB/NLRP3/GSDMD轴调节细胞焦亡预防痛风关节炎[34],减轻炎症性疼痛[35],这提示HOTTIP可以通过ceRNA网络调控促进BRD4表达,BRD4则进一步通过NLR信号通路调控细胞焦亡促进痛风炎症。Hu等[36]在尿酸性肾病中发现lncRNA-ANRIL高表达并参与NF-κB介导的炎症反应,生物信息学分析提示ANRIL与BRCC3竞争性结合miR-122-5p,体外实验进一步证实ANRIL作为miR-122-5p的海绵,上调BRCC3表达,促进NLRP3炎症小体活化。以上研究表明了lncRNA可作为ceRNA竞争性结合miRNA,解除其对靶mRNA的抑制,从而促进急性痛风炎症。

2.3 lncRNA作为ceRNA抑制痛风炎症

促炎细胞因子的积累可以诱导痛风性关节炎急性发作,抑制促炎因子的释放或产生可能有助于抑制痛风炎症。lncRNA可以负向调控痛风炎症,但作为ceRNA抑制痛风炎症的研究尚未见报道。lncRNA-MM2P已被证实是巨噬细胞M1/M2极化的重要调节因子[37],还与软骨细胞代谢相关[38]。Zhang等[39]研究表明MM2P通过巨噬细胞极化来抑制MSU晶体诱导的炎症。在LPS和MSU处理的THP-1巨噬细胞中观察到MM2P的表达降低,伴有明显的炎症反应。利用siRNA敲低MM2P可导致IL-1β、IL-8和TNF-α上调,过表达MM2P则可显著抑制炎症反应。但该研究未能解释MM2P调控巨噬细胞极化限制炎症的具体机制,是否作为ceRNA发挥作用还需进一步研究。有研究指出lncRNA-AK148321作为ceRNA通过调节miR-2-1199p/HSPA5轴缓解LPS诱导的炎症,AK148321过表达抑制LPS诱导的BV2小胶质细胞活化,降低促炎细胞因子TNF-α和IL-1β的表达[40]。目前仍未见lncRNA作为ceRNA负向调控痛风炎症的研究,但相信随着高通量测序技术的发展,更多有意义的lncRNA被挖掘,lncRNA介导的具有抑炎作用的ceRNA网络可能为干预痛风炎症研究带来新思路。

2.4 lncRNA与骨代谢

MSU晶体可导致慢性痛风患者的骨侵蚀,继而出现关节畸形,是痛风骨侵蚀的关键因子,而lncRNA在维持软骨细胞、滑膜细胞、成骨细胞、破骨细胞等细胞功能和稳态方面发挥重要作用[41]。Lee等[42]研究证实lncRNA-JAK3通过JAK3/NFATC1/CTSK轴在破骨细胞分化中发挥关键作用。该研究发现痛风患者单核细胞中JAK3水平升高,JAK3可以正向调控破骨细胞因子、活化T细胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFATC1)的表达,敲低JAK3消除了MSU诱导的成熟破骨细胞的形成。而Chen等[29]研究发现ceRNA网络可能通过相互作用调控软骨细胞和破骨细胞增殖、分化、凋亡来影响痛风进展。这些研究表明lncRNA有作为ceRNA调控的骨代谢的潜力,但还缺少更深入的研究。目前临床上巨大痛风石以及痛风导致的关节畸形常规药物疗效欠佳,主要依赖于外科手术干预,而针对调控骨代谢的lncRNA深入研究,有望为早期预防痛风性关节炎骨侵蚀和破坏带来希望。

2.5 ceRNA与其他

目前,lncRNA作为ceRNA调控痛风炎症的同时是否受到其他因素的调控还不明确。但是有研究指出N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)修饰可以上调lncRNA-AC008表达,AC008通过miR-328-3p-AQP1/ANKH轴促进骨关节炎进展[43],而m6A修饰可以增强lncRNA/cirRNA与miRNA结合能力,促进其ceRNA功能[44]。这说明m6A修饰可以影响lncRNA介导的ceRNA调控网络。另有研究指出外泌体途径来源的lncRNA同样可以通过ceRNA机制发挥作用[45],lncRNA介导的ceRNA与自噬也有着重要联系[46]。因此,关于影响lncRNA介导的ceRNA调控网络的因素研究有利于加深对痛风发病机制的认识。

3 总结与展望

痛风性关节炎作为最常见的炎症性关节病,严重威胁人类健康。lncRNA作为非编码RNA参与了痛风性关节炎发生,主要涉及炎症反应、骨代谢等信号通路。lncRNA可以通过多条lncRNA-miRNA-mRNA轴影响痛风的发生发展。但是目前lncRNA介导的ceRNA调控网络在痛风研究仍存在一些问题:lncRNA竞争性结合的miRNA是否具有唯一性,能否可以同时调控多种miRNA;同时受多条lncRNA-miRNA-mRNA轴调控时,它们之间是否存在相互作用;甲基化修饰如何影响lncRNA介导的ceRNA网络;外泌体途径的lncRNA如何作为ceRNA在痛风中发挥作用等。

综上,lncRNA的作用机制仍然十分复杂,但随着高通量测序技术、生物信息学的发展以及实验研究的深入,lncRNA作为ceRNA的研究内容将会更加丰富,有望为预防或者靶向治疗痛风性关节炎带来希望。