解剖学研究2016年第38卷第5期Anat Res,2016,Vo1.38,No.5 ・综述・ 长链非编码RNA在神经退行性疾病中的研究进展 唐海综述, 郭开华,徐杰 审校 (中山大学中山医学院人体解剖学教研室,广东广州510080) 【摘要】常见的神经退行性疾病有AD、PD、HD以及ALS等,是以神经系统神经元细胞丧失为特征的一类疾病。 目前没有有效的治疗措施,严重威胁着人们的生命和健康。长链非编码RNA(IncRNA)是近年来生物学领域的研究热 点。越来越多的相关研究表明IncRNA与AD、PD、HD、ALS等神经退行性疾病的发生发展有着十分密切的关系。本文 将探讨近年来lncRNA在常见神经退行性疾病中的研究进展,为神经退行性疾病的基因诊断和基因治疗提供理论 基础。 【关键词】 长链非编码RNA; 阿尔茨海默病; 帕金森病; 亨廷顿病; 肌萎缩性脊髓侧索硬化症 神经退行性疾病是以神经系统神经元细胞丧失为特 征的一类疾病,常见的神经退行性疾病有阿尔茨海默病 (Alzheimer disease,AD)、帕金森病(Parkinson disease, RNAI5]。参与基因的非编码R NA主要分为短链非编 码RNA和长链非编码RNA(1ncRNA)两类,短链非编码 RNA又分为小干扰RNA(siRNA)、微RNA(micro RNA) 以及Piwi.相关RNA(piRNA),根据基因序列大小,小分 子R NA基因序列大小为100~200nt,siRNA、microRNA基 PD)、亨廷顿病(Huntington disease,HD)以及肌萎缩性脊髓 侧索硬化症((Spinal muscular atrophy lateral sclerosis,ALS) 等。神经退行性疾病在世界范围内流行较广,病程长,是 生物医学领域研究的一大难点,目前没有有效的治疗措 施,给社会、家庭以及个人带来沉重的经济负担,严重威 胁着人们的生命和健康。长链非编码RNA(1ong noncod. ing RNA,lncRNA)是近年来生物学领域的研究热点。由 因序列的大小为21~25 nt,piRNA基因序列大小为24~33 nt,而基因序列大于200 nt的则为lnc RNA 。lncRNA是 一类大量存在的且发挥着重要作用的生物大分子,它通过 因转录实现其生物功能 ]。lncRNA对发育分化有重要的 作为信号分子、蛋白质复合物支架、分子诱饵以及增强基 作用,在对组织和细胞的深度测序中发现,lncRNA具有比 编码RNA更强的细胞和组织特异性 。越来越多的证据 于高通量测序技术的发展,lncRNA的作用和功能逐渐被 探究出来。越来越多的相关研究表明,lncRNA与AD、 PD、HD、ALS等神经退行性疾病的发生发展有着十分密切 的关系。 表明。lncRNA的突变和异常调节与人类疾病密切相关,ln。 cRNA一级结构、二级结构、表达水平和其同源RNA结合 蛋白的改变,会导致人类疾病的发生 。有大量文献证实 lncRNA与肿瘤“ 、内分泌和代谢性疾病 、免疫性疾 病 、心血管疾病“ 、神经系统疾病 等疾病的发生密切 相关。神经退行性疾病是生物医学研究领域的难点,为更 好地理解lncRNA在神经退行性疾病的发病机理,本文将 综述近年来lncRNA在神经退行性疾病的研究进展,为神 经退行性疾病的研究提供理论基础。 1 InoRNA概述 lneRNA一般是指核苷酸长度在200个以上的非编码 RNA转录本…。科学家们早在20世纪70年代时就发现 了非编码序列,依据通行的生物进化理论预测其没有任何 生物学功能,将其称作“junk DNA”[2-3]。随着研究的进 行,越来越多的研究表明,曾经的“junk DNA”可能具有很 多重要的生物学功能。2001年,在人类基因组计划基因 组测序中发现,在人类基因组的30亿个碱基对中,参与蛋 白质编码核酸序列大约只有1.5%,而大部分的核酸序列 不参与任何蛋白质的编码 。2012年,“人类DNA元件 百科全书计划(ENCODE)”的结果显示DNA中约80%的 2 IncRNA在神经退行性疾病中的作用 lncRNA可以在多个层面发挥其作用,中枢神经 系统的发育分化过程也需要LncRNA的参与。一项脑发 育研究通过对lncRNA和mRNA进行RNA—seq、ChIP.seq和 序列都能转录成RNA,而且绝大部分RNA都是非编码 聚类分析发现,lncRNA比mRNA更具有组织特异性 。 在神经发生中,lncRNA同样至关重要,它能诱导神经系统 的形成,大规模筛选结果显示,沉默lncRNA能阻止胚胎 干细胞向神经细胞分化 。近年来,越来越多的表观遗 传学研究结果表明,lncRNA与神经系统疾病密切相关,它 能参与神经系统疾病的发生与发展,lncRNA的表达或功 基金项目:国家自然科学基金(31360258)(2014—2018);广东省自 然科学基金(2015A030313077);广东省自然科学基金 (2015A030313047);广东省级科技计划项目(2016A020215036) 通信作者:徐杰,E—mail:xujie@mail.sysu.edu cn 410 能出现异常,如lncRNA在序列和空间结构上出现异常、表 达水平上出现异常或者与结合蛋白相互作用出现异常,都 与神经退行性疾病密切相关 。 3神经退行性疾病相关IncRNA 3.1 AD相关IncRNA AD是一种以进行性认知功能下降和记忆缺失为特征的 神经退行性疾病,病理上有老年斑、细胞内神经元纤维缠结 和细胞外AB的沉积等特征性的表现,其病因及发病机制尚 未明确“ 。近年来,大量基因组学研究表明,lncRNA与AD 密切相关。早在1992年,Lukiw等“ 研究lncRNA BC200在 AD中的表达水平发现,AD患者脑组织中BC200的表达量 相比正常人显著减少。然而在2007年,Mus等 研究发现, 与正常老年人相比,AD患者组织中BC200表达显著性上 调,而且BC200的表达水平与AD病程的严重程度成正相 关,此外BC200的亚细胞定位发生了改变。可能是AD病程 中产生树突发芽和重塑,启动一种应激.补偿机制所致。 2008年,F8ghihi等 研究表明,p一分泌酶(BACE1)的反义转 录本lncRNA BACE1一AS能通过前馈调节增加AD患者中 AI3。 的表达,BACE1.AS可作为AD潜在的生物诊断标记物 和治疗靶标。LIU等 用合成的AB 处理神经细胞瘤细胞 (SH SY5Y)构建AD老年斑模型,运用siRNA沉默技术下调 lncRNA BACE1.AS的表达,结果发现BACE1剪切APP的能 力减弱,AI3。 生成减少,提示lncRNA BACEIAS是参与AI3 形成的重要因素。Ciado等 最近研究发现,lncRNA 51A 与SORL1反义链重叠,能上调AD患者中AI3的表达。Mas. sone等 研究显示,一个新的lncRNA 17A,在AD患者的脑 组织内表达上调,在神经细胞瘤细胞中lncRNA17A的表达 能增加AB的分泌以及AB42/AB 40的比率,能阻断 一氨基 丁酸(GABA)信号通路的传导,表明lncRNA.17A在GABA 信号通路以及AI3产生过程中扮演着十分重要的作用。 Radl8是参与DNA损伤修复的一种酶,NAT—Radl8是Rad18 基因的反义链的转录本,基因芯片分析AS刺激皮层神经后 基因的表达水平发现,NAT—Radl8先上调后下调Radl8后转 录本,结果表明,NAT.Rad18使得神经元耐受DNA损伤的能 力降低,增加细胞凋亡的敏感性,显示出NAT.Radl8在AD 患者DNA修复系统的潜在作用,NAT.Radl8与AB毒性之间 的关系还有待进一步研究 。有研究在探寻AD生物标记 物的基因芯片中发现,Sox2OT和1810014B01Rik可能是早 期和晚期神经退行变性最好的生物标记物,但至今没有关于 1810014BO1Rik的任何报道 。lncRNA GDNFOS是GDNF 基因的反义链的转录本,有研究报道GDNF在PD患者黑质 和核的表达下调 ,GDNF在早期AD患者脑脊液和血浆中 表达下调 ,而Airavaara等 检测死后正常对照组、AD和 HD患者颞中回,发现AD患者GDNF下调,GDNFOS 2号外 显子上调,GDNFOS 1号外显子无明显变化;HD患者也无明 显变化;这种异常调节,可能反映AD的发病机理。Yang 等 用生物信息学方法整合了lncRNA一疾病相关联的数据 解剖学研究2016年第38卷第5期Anat Res,2016,Vo1.38,No.5 库和蛋白质.编码基因一疾病相关联的数据库,构建出编码.非 编码一基因.疾病网络,并将其用于AD、胰腺癌和胃癌等疾病 相关的lncRNA的研究,并预测出lncRNA H19和lncRNA PVT1与AD相关,但还需要实验研究进一步证实。最近有 文献报道,通过对正常人和AD患者死后组织样品的微阵列 数据鉴定AD相关的lncRNA发现,AD患者脑内lncRNA n341006能下调蛋白泛素化信号通路,而lncRNA n336934则 能上调胆固醇的表达,这些lncRNA作为潜在的AD标志物 值得更深入的研究,它们参与AD病程的潜在功能还有待 进一步研究,同时lncRNA在脑内不同区域的表达情况也 同样值得深究” 。Magistri等 研究发现,迟发性阿尔茨 海默病(LOAD)患者海马进行转录组测序,发现AD.1incl、 AD—linc2、HAO2.AS和EBF3.AS等lncRNA在LOAD患者海 马区域差异性表达,其中AD.1incl的过表达是由AI3。 积聚导 致的,AD.1incl可能参与AI3诱导的神经毒性。Lee等 对 3倍转基因AD(3xTg.AD)小鼠模型基因芯片的4622个ln cRNA分析发现,有205个lncRNA在3xTg.AD中显著失调, 这是首次在3xTg—AD小鼠模型全面鉴定lncRNA的失调,这 将会推动以lncRNA为靶点治疗AD的发展。Luo等 前期 分析基因间长链非编码RNA(1incRNA)01080的一个基因 变体rs7990916可能增加AD的易感性,但在106名AD汉族 人、67名轻度认知障碍者和179名正常汉族人的病例对照研 究发现,rs7990916的基因频率在AD和正常人中并无统计学 差异,可能与样本量有关,还需要在更大规模人群中验证。 3.2 PD相关IncRNA PD是一种常见的神经退行性疾病,由于中脑黑质纹 状体内多巴胺能神经元逐渐丧失功能所致,表现为运动障 碍等,严重者出现痴呆症状,但其具体发病原因目前仍不 明确 。遗传研究发现,Parkin、PINK1、DJ一1和LRRK2等 PD家族相关基因都与线粒体功能有关,表明线粒体稳定 对PD至关重要 。PINK1能被肿瘤抑制基因PTEN反式 激活,PINK1不足或过表达表明线粒体形态学异常、多巴 胺分泌受损以及运动障碍 ]naPINK1是PINK1的反义链 转录的非编码RNA,svPINK1是PINK1的剪接变体,naP. INK1能稳定svPINK1的表达,naPINK1和svPINK1在线粒 体内相互协调;大鼠脑研究表明naPINK1稳定PINK1的表 达可能是通过dsRNA介导的 。这些结果显示PD治疗 可以通过调节PINK1基因座来实现。最近有研究鉴定出 Uchll基因的饭义链的转录本lncRNA AS.Uchll,是 UCHL1/PARK5合成的位置 。UCHL1障碍将导致PD等 多种神经退行性疾病,AS Uchll的表达在Nurrl的下, AS Uchl RNA的表达水平在PD模型中显著下调,AS Uchll RNA作为Nurrl基因网络成员,是细胞内应激 的靶标[4o1。GDNF在PD患者黑质和核的表达下调E41]。 Soreq等 采用全转录组RNA测序和全面RNA测序分析 方法的工作流程,来描述PD患者和对照志愿者白细胞表 达的蛋白质编码的转录物和lncRNA,结果发现lncRNA U1 剪接体和lncRNA RP1 1-462G22.1参与到PD病程,为PD患 解剖学研究2016年第38卷第5期Anat Res,2016,Vo1.38,No.5 者转录组改变提供了新的认识。Hossein.Nezhad等 在研 究PD患者脑脊液(CSF)发现,lncRNA AC079630 and UCOOllva.4,但还有待在大规模人群中验证其在发现和预 测早期PD病程进展的价值。Liu等 在腹腔注射MPTP 诱导的PD小鼠模型和人神经母细胞瘤细胞SH.SY5Y中研 究lncRNA HOTAIR在PD中的机制,发现lncRNA HOTAIR 能通过调节LRRK2的表达导致MPTP诱导的PD的发生, 加强了对PD分子机制的理解。Kraus等 研究发现ln— cRNA H19上游保守区域1和2在PD中显著上调,而lin— cRNA.p21、Malatl、SNHG1和TncRNA显著下调,并发现它 们的表达和PD病程进展相关,这5种lncRNA可作为监测 早期PD进展和治疗PD的潜在靶点。Ni等 研究发现,PD 患者黑质中有87种lncRNA差异性表达,其中lncRNA AL049437和lncRNA AK021630表达的差异性显著,其中ln. cRNA AL049437在PD患者中表达上调,能降低细胞存活 率、线粒体膜电位以及酪氨酸羟化酶的活性,可能增加导致 PD的风险,而lncRNA AK021630则相反。它们在PD中的 具体作用机制并未阐明,有待进一步探讨。 3.3 HD相关IncRNA HD是一种常染色体显性神经退行性疾病,由于CAG 三核苷酸重复序列过度扩展,导致亨廷顿蛋白突变体形 成,使纹状体和皮质神经细胞进行性死亡,出现舞蹈症和 痴呆症状 。Johnson等 在研究HD患者脑组织lncRNA 表达水平发现,HAR1在纹状体表达显著下降,DGCR5在 HD患者也显着下调,此外还表明REST是lncRNA HAR1 和DGCR5的靶标,导致潜在的转录抑制。Smeenk等 研 究发现lncRNA NEAT1在HD患者上调,在这个异常调节 过程中则与REST扮演着不同的角色,可能跟p53基因的 靶标相关。lncRNAs子集绑定到PRC2调节PD等神经退 行性疾病转录异常的通路 。MEG3是后生基因调节者, 和PRC2复合物有关,MEG3在HD患者下调,这种抑制效 应可能跟REST有关,有待进一步验证,LINC0341和 RPS20P22在HD患者上调,而LINC00342则下调,这些结 果都显示HD患者神经系统特定的lncRNA的变化 。在 细胞体系,HTYAS过表达能减少HTT的转录水平,然而HT. TAS v1的siRNA敲出时,却能增加H1Tr的转录水平。这些 提供了Hr丌反义链存在强有力的证据 。Johnson 研究 发现在正常人和HD患者的Affymetrix U133A和B微阵列 数据发现TUG1基因在HD患者脑内上调。lncRNA Ab— hdllos在小鼠纹状体大量表达,Francelle等 研究显示, Abhdllos在HD小鼠模型的表达显著减少,整体实验结果 显示,Abhdllos过表达出现对抗突变的亨廷顿蛋白N端片 段的神经保护作用,然而敲除Abhdllos则出现毒性作用, 研究表明lncRNA Abhdllos丢失还会促使HD纹状体的易 损性。Sunwoo等 通过基因芯片分析lncRNA在HD中的 表达发现,lncRNA NEAT1在HD死者脑内和R6/2小鼠脑内 高表达,进一步研究发现,NEAT1在HD中能发挥神经保护 作用,但并未阐明其具体机制,有待进一步研究。 411 3.4 ALS相关IncRNA ALS是由自发的运动神经元进行性麻痹所导致的一 种神经退行性疾病,表现为四肢、吞咽、言语和呼吸肌肉 进行性麻痹 。线粒体障碍是ALS发病机理的中心问 题。尽管还没有任何直接研究观察到ALS患者或ALS实 验模型有异常的lncRNA出现,前期研究发现FUS/TLS能 被一个lncRNA募集到编码细胞周期蛋白D1的基因组,提 示受损FUS/TLS诱导异常的lncRNA在神经退行性疾病中 发挥着重要的作用 。这可能建立一种联系直接显示至 少部分参与了ALS和其他神经退行性疾病发病机制。 Nishimoto等 研究发现,在ALS运动神经元的细胞核内, lncRNA NEAT1—2可能充当RNA和RNA结合蛋白的支架, 进而调节的早期阶段ALS和ALS相关RNA结合蛋白的功 能,这个发现提供了paraspeckl的形成和神经退行性疾病 有直接关系的首个证据,并可能揭示肌萎缩性侧索硬化症 新的治疗靶标。 4结语 近年来,人们对lncRNA认识逐渐发生改变,lncRNA 在生物学领域的研究也十分热门。研究发现了许多ln. cRNA在神经退行性疾病中表达失调,并在神经退行性疾 病中扮演着重要的角色,可作为潜在的神经退行性疾病治 疗靶点,且lncRNA是相对较小的单链,容易被合成,生物 利用度高,半衰期长,有望制备成治疗神经退行性疾病的 制剂。但对其研究还只是处于起步阶段,研究还比较少, 且并不深入,绝大部分lncRNA的功能和机制并未阐明, 如AD中已见许多lncRNA如lncRNA BC200、lncRNA BACE1.AS、lncRNA17A等对AD患者hi3表达的影响,但并 未阐明其具体机制,还有待深入研究;lncRNA在AD机制 研究现在还主要集中在AI3,尚未见其影响AD其他病理 机制如tau蛋白等的报道。随着高通里测序技术和生物信 息学的发展,结合实验方法深入研究,将会有更多的ln. cRNA及其具体作用机制在神经退行性疾病中被探究出 来,为治疗退行性疾病提供更多的理论指导。 参考文献 Okazaki Y,Furuno M,Kasukawa T,et a1.Analysis of the mouse transcriptome based on functional annotation of 60,770 full—length cDNAs[J].Nature,2002,420(6915): 563—573. 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