長鏈非編碼RNA:從科研到臨床

　　 長鏈非編碼RNA (LncRNA)是一類真核生物中長度大于200 nt的非編碼RNA分子；根據其與鄰近基因的位置可以分為反義lncRNA、增強子lncRNA、基因間lncRNA、雙向lncRNA、和內含子lncRNA；它具有多種作用機制，比如在細胞核中作為分子支架、協助可變剪接、調節染色體結構，或在細胞質中調控翻譯、促進或抑制mRNA降解、吸附miRNA等。LncRNA具有譜系特異性，參與調控基因組印記、干細胞多潛能分化、胚胎發育[1]、心臟發育[2]、造血與免疫系統[3]以及內分泌系統[4]等多種生物生理學過程。在一系列疾病，比如神經退行性疾病、心血管疾病[5]、腎臟疾病、糖尿病和腫瘤[6]中，都發現了lncRNA的表達紊亂。檢測不同細胞或疾病狀態下的lncRNA表達量有助于理解其功能、揭示其作用機理、或鑒定有效的分子標志物。

　　LncRNA分類

　　 雖然關于lncRNA已有很多研究，然而目前只有少量lncRNA的功能完全明晰。依據其與鄰近基因的位置關系，可將lncRNA分為反義lncRNA、 增強子lncRNA、基因間lncRNA、雙向lncRNA和內含子lncRNA (圖一)。LncRNA的位置關系與其作用機制密切相關。比如，增強子lncRNA可以介導其來源的增強子區與基因組上的其他調控元件發生短距或長距的相互作用。另外，有些lncNRA可不依賴其轉錄產物發揮作用，而是通過轉錄過程本身影響染色體的易接近性或其它蛋白的結合。根據細胞定位的不同，還可將lncRNA分為細胞核lncRNA和細胞質lncRNA。有些lncRNA則在兩個區域同時存在。

　　圖一 根據基因組位置對lncRNA進行分類。反義lncRNA轉錄自蛋白編碼基因的反義鏈，常與一個或多個正義鏈上的內含子或外顯子重疊。增強子lncRNA位于基因的增強子區。基因間lncRNA位于兩個蛋白編碼基因之間。雙向lncRNA與鄰近基因的轉錄方向相反，位于鄰近基因啟動子1kb范圍內。內含子lncRNA位于編碼基因的內含子區。

　　LncRNA作用機制

　　 LncRNA通過二級或三級結構發揮多種作用機制。大部分lncRNA位于細胞核內，可以作為分子支架、協助可變剪接或調節染色質結構。有些lncRNA也可在細胞質中發揮功能，比如調控翻譯，促進或抑制mRNA降解，或者吸附miRNA等（圖二）。

　　圖二 lncRNA作用機制。大部分lncRNA位于細胞核內，招募染色質調控因子到DNA。這些染色質調控因子具有抑制或激活轉錄功能，或者作為核組織因子發揮作用。一些lncRNA還可與特異性蛋白結合，作為核糖核蛋白復合體的支架。在細胞質中，lncRNA通過吸附miRNA，抑制其對其靶向mRNA的作用。一些lncRNA還通過抑制或增強mRNA的穩定性，從而調節mRNA的半衰期。

　　LncRNA的生物生理學功能

　　 LncRNA參與多種生物生理過程，在基因組印記、X染色體失活、干細胞分化、胚胎發育、脂類代謝和脂肪生成過程中發揮重要功能。

　　基因組印記和染色體失活

　　 基因組印記是一種重要的發育調控機制，大部分的印記基因參與胚胎發育[7]。目前發現有些lncRNA與基因組印記有關。比如lncRNA Airn為父系來源染色體上gf2r/Slc22a2/Slc22a3基因座的印記沉默所必需。而反義lncRNA Kcnq1ot1參與調控父系染色體上印記沉默區Kcnq1基因的功能。在雌性哺乳動物發育過程中，Xist可導致失活X染色體上的大部分基因表達受抑制，而活性X染色體上的基因表達則不受其影響。

　　干細胞多潛能分化

　　 超過100多種lncRNA的啟動子區可與干細胞因子結合。這些lncRNA的表達失調會導致細胞的分化狀態改變[8]。其中，lincRNA-RoR參與纖維母細胞的干細胞重編程，使纖維母細胞恢復至多潛能狀態。因此，這些lncRNA在正常發育和成體干細胞庫的更新維持中都發揮重要功能。

　　胚胎發育

　　 由HOX基因編碼的轉錄因子家族參與調控胚胎發育和細胞定向分化[3]。一些lncRNA直接參與HOX基因的轉錄表達調控。比如lncRNA HOTTIP與WDR5 (組蛋白修飾復合物MLL1的關鍵組分之一)結合，催化HOXA基因座的H3K4me3標記，維持HOXA基因的轉錄激活狀態。另外一個lncRNA HOTAIR，可以招募抑制性復合物PRC2，抑制HOXD基因的轉錄。

　　脂類代謝和脂肪生成

　　 最新的研究表明，lncRNA控制肝臟中的脂類代謝，調控脂肪生成，從而維持機體的脂質穩態[9]。APOA1編碼蛋白是高密度脂蛋白的重要組分。其反義轉錄本APOA1-AS可以在體內和體外抑制APOA1的表達。LncRNA NEAT1在脂肪生成過程中調節PPARγ2的可變剪接，它還介導miR-140誘導的脂肪生成。

　　造血與免疫系統

　　 lncRNA參與造血免疫系統的不同發育階段和不同激活階段[3]。例如，Lnc-DC可以促進樹突狀細胞轉錄因子STAT3的磷酸化與細胞核遷移，從而調控樹突狀細胞的分化。在LPS刺激后的人巨噬細胞中，lncRNA PACER表達明顯上調，可特異性的激活鄰近基因COX-2的表達。另外，lncRNA THRIL與hnRNP因子相互作用，為炎癥-細胞因子編碼基因TNF的基底水平表達和誘導性表達所必需。

　　心臟發育與功能

　　 研究人員在心臟發育過程中發現了數百種差異表達的lncRNA，然而目前只有少量lncRNA功能被研究清楚[2]。比如，lncRNA BVHT在心臟中胚層、胚胎干細胞和心肌細胞中都有表達。敲除BVHT嚴重損害胚胎干細胞產生心肌細胞的能力。另外，lncRNA FENDRR與心臟譜系發育緊密關聯。它只表達于心臟中胚層前體細胞，控制著側中胚層來源組織（比如心臟）的分化形成。

　　LncRNA與疾病

　　 近年來，雖然lncRNA與疾病的研究已獲得初步成效，然而lncRNA疾病整體研究才剛剛起步，需要更多的研究來揭示lncRNA在疾病中的功能，尋找有效的藥物靶點和分子標志物。接下來的部分，我們總結了lncRNA在多種威脅人類安全的疾病中lncRNA的研究現狀。

　　腫瘤

　　 從本質上說，腫瘤是一類基因性疾病，通過改變細胞內的信息流，從而改變細胞穩態和促進細胞增殖。癌癥全基因組突變分析表明大部分的突變位點位于蛋白非編碼區域。這些突變會對lncRNA的表達產生顯著影響。LncRNA除了參與腫瘤的惡性轉化，還與癌癥細胞生長、增殖、侵襲和生存等多種表型有關[6]（圖三）。比如，在急性T細胞淋巴癌中，癌基因Notch 1誘導lncRNA LUNAR1的表達，從而上調胰島素樣生長因子受體1的表達。在前列腺癌中，PCGEM1, PRNCR1, HOTAIR等lncRNA可以直接激活雌激素受體，而CTBP1-AS等lncRNA則可以捕獲雌激素受體抑制蛋白，共同激活雌激素受體信號通路，促進腫瘤增殖。

　　圖三 LncRNA在腫瘤中的作用。

　　神經退行性疾病

　　 在大腦發育、神經元功能維持以及中樞神經系統發育過程中，lncRNA也發揮著關鍵作用。越來越多的證據表明，lncRNA參與阿爾茲海默癥、帕金森癥和亨廷頓癥等多種神經退行性疾病的病理過程[10]。蛋白編碼基因BACE1的反義轉錄本BACE1-AS在阿爾茲海默癥病人中高表達。不像其他的反義轉錄本與其正義鏈mRNA互補成雙鏈從而抑制其翻譯過程，BACE1-AS可以增強mRNA BACE1的穩定性，產生更多的Aβ42。因此，BACE1-AS可能與加速阿爾茲海默癥的疾病進程有關。

　　心血管類疾病

　　 許多lncRNA已被證明可顯著影響心臟衰竭和心肌梗塞等心血管疾病[5]。在一個心肌梗塞的小鼠模型中，研究人員發現了兩個顯著上調的lncRNA Mirt1和MIrt2。這兩個lncRNA在發生心肌梗塞24小時候達到峰值，在兩天后恢復到基底水平。在另外一個心臟壓力過載與心肌梗塞的小鼠模型中，重新激活胎兒心臟的轉錄組，會導致胎兒心臟增強子相關的lncRNA轉錄本的高表達，提示這些lncRNA可能在心肌梗塞向心臟衰竭轉變過程中發揮關鍵作用。

　　腎臟疾病與糖尿病

　　 糖尿病經常伴隨著腎病的發生[5]. 比如基因間lncRNA PVT1與二類疾病都緊密關聯。研究人員在II型糖尿病人的晚期腎病進程中發現了PVT1的基因變異。高糖處理可以誘導人的腎間質細胞中PVT1和纖連蛋白1、IV型膠原蛋白、TGFβ1、PAI1等因子的高表達。相反，敲除PVT1可導致這些因子的顯著下調。

　　LncRNA與臨床應用

　　 普遍認為lncRNA具有區分不同細胞狀態或細胞內生物過程的功能，因此可以用來鑒定病理過程、提供預后評估或者為個體化療法提供參考。其表達的時空特異性和疾病特異性使其有望成為強有效的分子標志物。已有不少研究揭示，lncRNA在多種疾病生物學標志物的應用中具備潛能（表二）。例如，研究發現LncRNA MTLIPCAR在發生左心室重塑的病人中特異性表達，并隨后在788個發生心臟重塑和心臟衰竭的病人中得到驗證。血液循環系統中的MTLIPCAR高表達水平可不受其他心血管疾病標志物的干擾，獨立預測惡性心臟重塑。這項研究充分表明循環lncRNA具有作為分子標志物的重大潛能。

　　LncRNA

　　Disease Association

　　Biomarker application

　　CDKN2B-AS1

　　Coronary artery disease[11, 12]

　　Risk factor

　　CDKN2B-AS1

　　Myocardial infarction[12]

　　Risk factor

　　KCNQ1OT1

　　Myocardial infarction[13]

　　Predicts left ventricular dyfunction

　　MIAT

　　Myocardial infarction[14]

　　Risk factor

　　MT-LIPCAR

　　Myocardial infarction[15]

　　Predicts postinfarct remodelling

　　SOX2OT

　　Alzheimer’s disease[16]

　　Risk factor

　　H19

　　Parkinson’s Disease[17]

　　Risk factor

　　HULC

　　Hepatocellular carcinoma[18]

　　Diagnosis and monitoring

　　FALEC

　　Ovarian cancer[19]

　　Predicts poor prognosis

　　CCAT1

　　Colorectal cancer[20]

　　Predicts therapeutic responsiveness