長鏈非編碼RNA及其介導椎間盤退變機制的研究進展

2020-12-05 醫脈通


作者:上海交通大學附屬第一人民醫院   於召龍


近年來,脊柱退行性病變(如頸椎病、腰椎間盤突出、腰椎滑脫、腰椎管狹窄等)的患病率增長迅速,因椎間盤退變引起的慢性疼痛及行動障礙,嚴重影響老年患者甚至部分年輕患者的生活質量,並且不同程度的增加了社會負擔。關於椎間盤退變的具體機理尚未闡明,而對於非編碼RNA(ncRNA)的研究,特別是長鏈非編碼RNA(LncRNA)在椎間盤退變的發生及進展過程中的調控作用初步展現,其可能參與調控髓核細胞凋亡、細胞外基質降解以及免疫炎症反應等。本文旨在闡述LncRNA的特點及其介導椎間盤退變的多種不同機制。


LncRNA的特點


LncRNA尚無基於生物學相關研究的確切定義,目前被廣泛應用的定義則是基於RNA的長度和其非編碼蛋白的潛在性,即長度超過200個核苷酸並且不提供蛋白編碼模板(即缺乏開放閱讀框)的轉錄本,它們的大小從幾百個到數萬個鹼基對不等。Ln⁃cRNA主要在聚合酶II的作用下發生轉錄,隨後經過加帽、聚腺苷酸化和拼接等一系列轉錄後修飾而成。根據其長度,分為小LncRNA(200~950核苷酸)、中LncRNA(950~4800核苷酸)和大Ln⁃cRNA、(4800核苷酸以上)三種類型;根據其位置和方向,它們被分為五種類型:正義、反義、雙向、基因內LncRNA和基因間LncRNA;根據其對DNA序列的作用關係,將其分為順式LncRNA和反式LncRNA;根據其分子靶向機制,它們又可被分為:信號分子、分子誘餌、分子嚮導、分子支架。LncRNA廣泛存在於自然界中,可見於動物、植物、酵母、原核生物以及病毒等,其不同於在細胞質內含量豐富的mRNA,它們主要集中於細胞核,如Xist、Malat1、Neat1等,也可見於細胞質,如GAS5、BC1、BC200等,常呈低表達狀態,又被認為是「轉錄噪音」。


在細胞水平上,LncRNA最具特徵性的作用之一就是基因表觀遺傳的調控,在表觀遺傳調控過程中,LncRNA充當「信號分子」、「分子嚮導」或「分子支架」的作用,通過募集核染色質修飾複合物或轉錄過程中的某些參與因子,指導染色質結構重建和/或鄰近基因表達。如CISTR-ACT,是由與12號染色體24.4Mb區域呈環狀結構的增強子轉錄而成,通過與調控軟骨的發育基因發生順式或反式相互作用而調節軟骨生成,如定位17號非同源染色體上的SOX9。在纖維環細胞及髓核細胞內,均有SOX9表達。隨著年齡的增長,椎間盤會發生相應退變,而SOX9表達會相應減少,進而影響II型膠原和纖維軟骨生成。LncRNA還可參與轉錄後調節,如可變剪接、介導DNA損傷及miRNA海綿吸附體作用、蛋白質翻譯、蛋白質定位、端粒複製、RNA幹擾等,進而介導細胞周期,凋亡,應激反應,免疫反應,細胞遷移、增殖、分化,胚胎幹細胞多潛能和腫瘤、心血管疾病、神經系統疾病、脊柱及關節退變等疾病的病理過程。


LncRNA與椎間盤退變


目前一般認為,在多種機制(外在環境、椎間盤微環境、基因等)的作用下,椎間盤組織發生細胞表型改變、凋亡、老化、炎性反應以及細胞外基質成分改變等,進而引起椎間盤結構及生物力學發生相關改變,最終導致患者出現一系列臨床症狀。通過高通量檢測,結合生物信息學分析,對椎間盤退變進行統計分析,可得到差異表達基因、基因功能歸類注釋、基因相互作用網絡、代謝及信號通路等結果,從而預測基因功能。Wan等通過對人類正常及退變的髓核進行高通量檢測及生物信息分析研究發現,在33045個LncRNA中,116個LncRNA(67個LncRNA上調和49個LncRNA下調)表達高於正常組10倍。其中ENST00000461676,ENST00000514459,ENST00000421546,AK023939,G43223等表達上調;而NR_003716,nc-HOXA13-96-ENST00000451959,AK096112,nc-HOXD1-48+等則表達下調。Qu等在其研究中發現LncRNAKCNQ1OT1,OIP5-AS1,UGDH-AS1,NCDN,FOXF1和PKD1也參與椎間盤的退變。因此,LncRNA的異常表達可能通過多種機制參與椎間盤的退變過程。


激活髓核細胞的凋亡通路    細胞凋亡是細胞內在的一種程序性死亡機制,其在退變過程中起到重要作用,其具有染色體集中、細胞皺縮、DNA降解、凋亡小體形成等特徵。已有研究表明,在退變的椎間盤中,髓核細胞凋亡比例較高,隨著凋亡程度的增加,逐漸引起椎間盤基質蛋白多糖及水分的丟失和II型膠原纖維合成受到抑制。王毅峰在研究中發現過表達GAS5可以激活髓核細胞內線粒體凋亡通路,通過下調Bcl-2和上調Caspase-3表達,促進髓核細胞凋亡。但是GAS5在線粒體凋亡通路中的作用「靶點」目前尚無研究。Fas/FasL是一對凋亡因子,能夠誘導多種細胞凋亡,多結構域蛋白FAF1參與Fas信號通路,當FAF1過表達時,其可激活凋亡蛋白酶,增強Fas通路介導的細胞凋亡,並且抑制泛素蛋白的降解,進而導致細胞死亡增加。在研究中發現,增強子樣RP11-296A18.3在退變的椎間盤中表達上調,在一定程度上可能介導鄰近的FAF1基因過表達,從而調節Fas通路的生物學效應。LncRNA在Fas/FasL通路中,可能是介導椎間盤退變的機制之一,然而,關於LncRNA如何介導FAF1過表達有待進一步研究。


介導細胞外基質的降解    細胞外基質降解是導致椎間盤退變的另一個重要原因,MMPs(如MMP-1/-2/-3/-9/-13等)是降解細胞外基質的主要蛋白水解酶。NEAT1在增殖和分化方面發揮其調節功能,在退變的骨關節中,NEAT1表達上調並且可抑制滑膜增生。在退變的椎間盤組織中,有學者發現,NEAT1呈高表達狀態,其可能通過ERK/MAPK通路減少蛋白多糖、膠原纖維的成分,而致ADAMTS4和MMP-13水平升高,從而導致椎間盤發生退變。UBA52在椎間盤退變中上調表達並且可以編碼泛素蛋白,蛋白質被泛素蛋白標記後,被蛋白酶體識別並將其降解,因此,UBA52編碼的泛素蛋白可能介導MMPs降解細胞外基質。基於此研究,筆者推斷LncRNA可通過介導細胞外基質降解,引起椎間盤退變。


對軟骨細胞的作用     終板的中央由透明軟骨覆蓋,其有椎間盤營養供應、力學性能維持以及防止髓核組織嵌入椎體的作用。Song等在骨關節軟骨的研究中發現,過表達GAS5可通過抑制miRNA-21,促使MMP-2/-3/-9/-13和ADAMTS-4的表達水平增加,從而激活細胞凋亡通路並抑制自噬的反應。GSK3可參與軟骨細胞的早期分化,也可通過Wnt/β-catenin信號通路抑制軟骨細胞增殖、誘導軟骨凋亡,Han等在關於間充質幹細胞與退變的髓核細胞共培養的研究中發現,GSK3可導致髓核細胞SOX9和COL1A2低表達。HOTAIR可能通過介導IL-1β導致軟骨破壞,而HOTTIP則通過抑制整合素α1的表達,破壞軟骨細胞與細胞外基質間的連接,導致軟骨破壞。雖然目前關於LncRNA對終板軟骨的的研究相對較少,但這對於研究LncRNA對終板軟骨的研究提供了一個方向。


參與炎症反應     某些LncRNA可以作用於炎性因子的表達,調控炎症反應。Lnc-IL7R在脂多糖的刺激下,使IL-6基因啟動區的H3K27me3減少而激活轉錄,促進炎症的發生。lincRNA1992(又名THRIL)與TNF-α發生負反饋調節,可減少炎症反應的過度損傷,Li等在關於脂多糖介導骨關節炎的研究中發現,GAS5過表達可在一定程度上抑制炎症反應。在退變的椎間盤內,可能存在多種LncRNA參與增加或減少炎症因子的(TNF-α、IL-1β、IL-6等)生和釋放。在研究中發現,炎性因子升高時,椎間盤則發生退變,筆者認為這可能與LncRNA的調節作用失衡有關。


某些LncRNA可能對椎間盤起到一定的保護作用     在椎間盤退變的病理過程中,一些「分子」也同時參與抑制椎間盤退變的過程。Wang等認為RP11-296A18.3在退變的椎間盤組織中上調表達,其通過充當「miRNA海綿」,沉默miR-138,可促進HIF1A表達,使髓核細胞增殖和細胞外基質合成增加。在最近的研究中發現,TUG1可通過抑制Wnt/β-catenin信號通路,延緩或阻止細胞衰老或凋亡,改善細胞外基質的分解/合成代謝平衡。MALAT1過表達可通過抑制炎性反應,從而起到延緩椎間盤退變進展的作用。通過調控某些LncRNA,可誘導椎間盤血管生成、抑制炎性反應或者促進髓核細胞增殖、細胞外基質合成增加,使其起到保護椎間盤的作用。但是,不同LncRNA的調控方式、信號通路的激活或其他信號分子的參與,尚無明確研究。


小結


椎間盤退變機制較複雜,諸多學者從多個方面研究加速或延緩椎間盤退變的因素,如基因、炎性因(TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-8等)、氧化應激、力學改變、雌激素、TGF-β、骨髓間充質幹細胞、整合素β1、某些中藥成分等,試圖尋找有效的方法抑制或延緩椎間盤這一進程。在關於LncRNA的研究中發現,部分LncRNA在退變的椎間盤中呈差異性表達,而且可能與DNA、mRNA、miRNA、蛋白質及炎性因子等發生相互作用,或者激活椎間盤退變通路的靶點,這對於椎間盤機制的研究提供了新的思路,比如其可作為用於疾病診斷的生物標記物或者藥物治療的靶點等,從而在疾病的預防和治療中發揮重要作用。

 

來源:中國矯形外科雜誌2019年9月第27卷第17期

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