长链非编码RNA在常见肿瘤中的研究进展

彭颖, 冯继锋

1 lncRNAs简介

1961年人们首次接触信使RNA(mRNA)这一概念,随着遗传“中心法则”的逐步确立,起到作为蛋白质翻译模板作用的mRNA,以遗传信息的传递者为大众所接受。2001年人类基因组测序时发现,用于蛋白质编码的基因只有大约1.5%,其余基因组则被转录成长度>200 nt的lncRNA[1]。而lncRNA无法编码蛋白质主要原因是缺乏有意义的开放阅读框(Open reading frame,ORF),这些无法编码的基因组序列曾一度被认为是“荒漠序列”。直到2002年,Okazaki等[2]首次揭开了lncRNA的神秘面纱。lncRNA虽然几乎没有蛋白质编码的潜力,但是却可以作为另一类重要的调节RNA出现。大量研究证据表明这些所谓的“荒漠序列”,具有调控基因、干扰转录、调节蛋白质功能的作用,细胞增殖分化、胚胎生长发育过程中也有他们的参与[3]。

2 lncRNA在癌症中的应用

众所周知,癌症的发生主要是由基因异常表达引起。然而,全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)显示,超过80%的癌症相关单核苷酸多态性(singlenucleotidepolymorphisms,SNPs)发生在基因组的非编码区域,大量的lncRNAs被发现通过调控基因表达的手段在全身各种癌症中异常表达,lncRNA有可能作为致癌基因和/或肿瘤抑制因子在表观遗传变化中发挥作用。一些具有原癌功能的lncRNA在正常细胞中的过度表达增加了肿瘤的生长和癌细胞的增殖和转移。而还有一些lncRNA被发现具有抑癌作用,增强这些有抑癌作用的lncRNA的表达能够帮助抑制肿瘤细胞的生长,而一旦这些lncRNAs低表达时就有了诱导肿瘤发生的潜能,甚至引起肿瘤的侵袭、转移、降低患者存活率。了解每一个lncRNA,通过识别细胞功能,解剖其分子机制并将其与它们在疾病中的角色联系起来,对于挖掘lncRNA在癌症诊断和靶向治疗中的应用潜力有深刻意义。在这篇综述中,我们将就lncRNA在常见肿瘤中的分子功能和调控做一归纳总结。

2.1 肺癌中表达升高的lncRNAs(表1)

在全球范围内,肺癌的发病率和死亡率一直高居不下,稳居恶性肿瘤榜首之位。在对肺癌研究分析中,一些lncRNAs的表达失调逐步走入人们视线,引发人们思索。

2.1.1 MALAT1 人们在肺癌中首次研究的lncRNA便是MALAT1,MALAT1定位在11q13.1,能促进上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT),参与异常剪接,导致基因表达紊乱,MALAT1的过度表达可诱导肿瘤的生长,与肿瘤的侵袭转移有显著关联[4]。

2.1.2 HOTAIR 定位在12q13.13HOXC位点的HOTAIR,其作用是反式转录沉默2号染色体上的HOXD簇,高表达的HOTAIR能促进肺癌细胞对正常组织的侵袭和转移,这一过程主要是通过招募多梳蛋白抑制复合物2(polycomb repressive complex 2,PRC2)来实现,而且高表达的HOTAIR与肺癌预后不良有关[5]。此外,研究发现癌细胞对顺铂的耐药性也与HOTAIR有关,HOTAIR的这一作用归因于P21基因的下调。Liu等[6]发现,当下调HOTAIR时,可以重新唤醒肿瘤细胞对顺铂的敏感性。

2.2 肺癌中表达降低的lncRNAs(表1)

2.2.1 MEG3 MEG3是在各种正常组织中发现的母系表达的印记基因,位于人类染色体14q32.2,在正常组织中呈现表达上调。研究发现MEG3在包括脑癌、肺癌、结肠癌、肝癌和白血病在内的许多癌症中的表达减少或消失[7]。Zhao等[8]发现MEG3是cAMP的下游靶基因,结合cAMP的抗增殖功能,MEG3可能与cAMP依赖的信号通路相互作用,参与控制细胞增殖等cAMP相关的生理功能。抑癌基因p53在肿瘤抑制中起着核心作用。Zhou等[9]进一步研究发现MEG3不仅可以激活p53发挥抑癌作用,还能通过p53无关的途径抑制细胞增殖。通过与不同的microRNA相互作用,MEG3的过表达可以抑制不同肿瘤类型的增殖,促进细胞凋亡[10-12]。Lu等[13]报道NSCLCs中的MEG3表达下调,而上调MEG3可明显抑制NSCLCs的诱导发生和进展。

2.2.2 BANCR BANCR位于9q21,在肺癌患者体内低表达。主要通过影响NSCLC细胞的EMT过程[14]。进一步研究发现MAPK通路参与了BANCR介导的肺癌细胞增殖和迁移过程,BANCR并不是通过ERK MAPK,而是通过p38 MAPK和JNK的失活来调节肺癌的增殖和迁移。高表达BANCR对于肿瘤细胞的增殖有抑制作用[15]。

2.2.3 GAS5 GAS5位于染色体1q25.1,Shi等[16]采用qRT-PCR方法检测72例NSCLC中GAS5表达模式,结果表明,与癌旁非癌组织相比,GAS5在癌组织中的表达明显降低,而且其水平与肿瘤大小、临床分期有关联。此外,上调GAS5可以增加肿瘤细胞的生长停滞,诱导细胞凋亡。同时通过分析发现,GAS5高表达能够显著上调p53的表达,下调转录因子E2F1的表达。这些发现表明GAS5是NSCLC的抑癌因子,GAS5有望作为NSCLC治疗的新靶点。

表1 肺癌中常见异常表达的lncRNA

表2 胃癌中常见异常表达的lncRNA

2.3 胃癌中表达升高的lncRNAs(表2)

数据表明2018年胃癌新增病例数已经超过100万例,死亡人数估计为78万人,这一数据使其成为癌症第三大死亡原因[17],胃癌常见危险因素包括幽门螺杆菌感染、长期食用腌制食品和饮酒。通过了解lncRNA在胃癌中的生物学行为来早期诊断,对于降低胃癌病死率有重要意义。

2.3.1 SPRY4-IT1 SPRY4-IT1定位于染色体5q31.3,研究发现,SPRY4-IT1在胃癌组织中表达明显高于癌旁组织,其水平与肿瘤大小、侵袭深度、远处转移呈高度正相关。此外,体外实验结果表明,SPRY4-IT1是通过调控细胞周期蛋白以及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)相关基因的机制来发挥其致瘤作用[18]。抑制胃癌细胞中SPRY4-IT1的表达可显著降低肿瘤细胞增殖、转移和侵袭。SPRY4-IT1在胃癌的研究中扮演重要角色。

2.3.2 CCAT2 CCAT2位于高度保守的8q24.21区域,Wang等[19]采用qRT-PCR检测85对胃癌及癌旁非肿瘤组织中LncRNA CCAT2的表达。结果表明CCAT2在胃癌组织中的表达呈高水平。此外,胃癌的淋巴结转移和远处转移也被证实是与lncRNA CCAT2高表达有关,目前人们了解到CCAT2高表达促进细胞迁移的方式主要是通过由TCF7L2来介导的转录上调MYC,miR-20a和miR-17-5p实现的[20]。进一步分析发现lncRNA CCAT2表达高的患者总体生存期和无进展生存期短于lncRNA CCAT2表达低的患者,证明lncRNA CCAT2是胃癌的独立预后标志物[21]。

2.4 胃癌中表达降低的lncRNAs(表2)

2.4.1 TUSC7 TUSC7定位于染色体3q13.31,是抑癌基因,Qi等[22]研究采用微阵列技术对差异表达的lncRNA和配对的相邻正常组织样本进行鉴定,结果表明,与相邻正常组织样本比较,胃癌组织中TUSC7表达明显偏低,TUSC7由p53调控,是p53的直接转录靶点。升高TUSC7的表达后可以抑制肿瘤细胞生长和增殖。另外,TUSC7和miR-23b两者之间能够相互抑制,miR-23b的作用与TUSC7截然相反,它能促进细胞生长,所以TUSC7可以通过抑制miR-23b的方式来抑制肿瘤细胞。这些发现支持TUSC7在胃癌患者的肿瘤抑制和生存预测中的作用。

2.4.2 FENDRR FENDRR位于3q13.31,可与PRC2结合,通过表观遗传调控其靶基因的表达。Xu等[23]采用QPCR方法检测158例配对胃癌组织及癌旁正常组织中的表达水平,发现肿瘤组织中的FENDRR表达明显低于癌旁正常组织,组蛋白去乙酰化参与了FENDRR的表达下调。并且FENDRR的低表达与肿瘤浸润深度、肿瘤分期、淋巴结转移有关。高表达的FENDER可以通过下调纤维连接蛋白1(fibronectin1,FN1)和基质金属蛋白酶2/9(matrix metalloproteinase2/9,MMP2/9)来抑制胃癌细胞的侵袭和迁移。FENDRR及其靶点FN1和MMP2/9对于胃癌患者的预后具有重要意义。

2.5 肝癌中表达升高的lncRNAs(表3)

原发性肝癌是一个日益严重的全球性健康问题,全球病例中,肝癌在男性死亡方面排名第二[17],目前肝癌的发病机制仍有诸多分异,但可以肯定的是,lncRNA已经被发现在肝癌中发挥重要作用。

表3 肝癌中常见异常表达的lncRNA

lncRNA定位表达变化主要机制功能 HULC6p24.3上调HULC与mir-372的结合可以削弱miRNA介导的对PRKACB翻译 的抑制,诱导CREB磷酸化,进而刺激HULC的表达。促进肿瘤细胞增殖、侵袭和转移 heih5q34.3上调在G0/G1阻滞中起关键作用,并与EZH2的增强子相关。与复发相关 H1911p15.5上调通过miR-675和IGF-2基因发挥调节作用促进细胞生长,抑制细胞凋亡 H1911p15.5下调增加组蛋白乙酰化激活miR-200家族抑制肿瘤侵袭和转移 Dreh17E1.1;17下调与中间丝蛋白波形蛋白结合后抑制其表达抑制肿瘤细胞生长和转移

表4 结直肠癌中常见异常表达的lncRNA

2.5.1 HULC HULC定位于6p24.3,是肝癌细胞中首个被发现过表达的lncRNA,Wang等[24]发现在肝细胞癌中HULC与miR-372结合后可减弱miRNA介导的对c AMP依赖性的蛋白激酶的催化亚基(cAMP-dependent protein kinase catalytic subunit beta,PRKACB)的翻译抑制,进而诱导cAMP反应区结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)磷酸化,CREB又能刺激HULC的表达,是一种正反馈调节。为了确定HULC在不同器官的肿瘤组织中是否普遍过表达,Panzitt等[25]采用定量RT-PCR方法检测了多种正常组织及其相应的癌/肉瘤组织中HULC RNA的表达。结果表明HULC在大多数正常组织中几乎检测不到,而在大多数相应的肿瘤组织中没有明显升高。然而,在肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)中,HULC的平均表达水平至少是所有正常组织和肿瘤组织的12倍,且与肝癌的侵袭转移密切相关。HULC这一特异性使其有望成为检验肝癌的生物标志物。

2.5.2 lheih Yang等[26]从乙型病毒性(hepatitis B virus,HBV)相关HCC患者的肝脏样本中发现了特异性差异表达heih,其在HCC中高表达。而进一步研究表明heih在G0/G1期阻滞中起着关键作用,并进一步证明了heih与EZH 2增强子(enhancer of zeste homolog 2,EZH 2)有关。同时研究发现heih在HBV相关性HCC中的表达水平越高,HCC复发的情况就越多。降低heih为提高HCC整体生存提供一个新的方向。

2.6 肝癌中表达降低的lncRNAs

2.6.1 H19 H19是人类第一个认识的lncRNA,位于11p15.5,H19广为人知的是其作为癌基因的一面,H19过度表达会促进肝癌细胞的增殖,下调会抑制肿瘤细胞增殖。研究证实H19主要通过其外显子编码的miR-675和胰岛素样生长因子2(insulin-like growth factor 2,IGF-2)基因发挥调节作用[27]。然而在研究肝癌小鼠模型时,Yoshimizu等[28]发现了缺乏H19的小鼠的成瘤能力明显比正常小鼠要强,肿瘤生长速度比正常小鼠要快。Zhang等[29]发现H19能通过增加组蛋白乙酰化激活miR-200家族,从而抑制肝癌转移。这表明H19也有发挥抑癌基因的一面。

2.6.2 Dreh Huang等[30]采用微阵列和RT-PCR技术研究HBx诱导的lncRNAs表达的变化时发现了可以抑制肝癌生长和转移的Dreh。其作用机理是与中间丝蛋白波形蛋白结合后抑制其表达,从而进一步改变正常细胞骨架结构,抑制肿瘤转移。这一发现有助于为基于lncRNAs的靶向治疗HBV相关HCC的潜在发展提供了理论依据。

2.7 结直肠癌中表达升高的lncRNAs(表4)

随着社会进步,经济水平的提高,人们目前饮食结构、生活方式的改变导致结直肠癌(colorectal cancer,CRC)的发病率呈现出逐年增长的态势,研究表明,lncRNA可作为结直肠癌特异性分子标记,而且与其放化疗敏感性、耐药息息相关。

2.7.1 CCAT1 CCAT1定位于8q24,紧邻MYC癌基因,是CRC特异性的lncRNA。He等[31]研究发现,CCAT1在CRC组织中呈现高表达,c-myc直接与启动子区结合能够促进CCAT1的转录,c-myc激活的CCAT1表达参与了CRC的发生、转移过程。进一步研究发现肿瘤的浸润深度和分期与CCAT1的表达水平相关。这一发现可以帮助预测CRC的临床结局[32]。

2.7.2 HOTAIR Yang等[33]发现与大肠癌癌旁正常组织相比,肿瘤组织中的HOTAIR表达升高。在体外,升高HOTAIR能加强CRC细胞的增殖和侵袭能力,而降低HOTAIR则能加速CRC细胞的凋亡,同时提高CRC细胞对于放射治疗的敏感性。Xiao等[34]发现敲减HOTAIR基因和过表达miR-203a-3p基因可以抑制Wnt/β-catenin信号,在CRC细胞中能抑制细胞增殖,降低化疗耐药性。这些发现提示HOTAIR在CRC的诊治中具有潜在的生物作用。

2.7.3 MALAT1 Hu等[35]发现MALAT1通过调节AKAP-9基因的表达来促进大肠癌的生长和转移,研究发现不仅SRPK1,MALAT1也能与SRSF1相互作用,在合成的MALAT1-SRPK1-SRSF1复合物中,MALAT1不仅起着结构作用,还通过SRPK1增强SRSF1的磷酸化进程,从而增强AKAP-9的表达。这些发现表明,MALAT1通过促进SRPK1催化的SRSF1磷酸化在CRC细胞中增加AKAP-9的表达。了解MALAT1通过增加AKAP-9表达促进转移的分子机制可能有助于更有效和有针对性的治疗CRC。

2.8 结直肠癌中表达降低的lncRNAs

Wang等[36]评估了p21在CRC放疗中的作用,并检测了其可能的分子机制。通过表达谱分析,证明了p21可以通过结合miR-451抑制β-catenin 信号通路,从而抑制CRC干细胞的自我更新能力,发挥抑癌作用。放疗被认为是减少局部进展期直肠癌局部复发的一种标准的术前治疗方法,但是许多直肠癌对放疗并不敏感。有研究表明,上调p21能减少CRC细胞系和组织样本,在放射治疗后,lincRNA-p21通过抑制Wnt/β-catenin信号通路并且通过促进细胞凋亡,增强了CRC的放射治疗敏感性[37]。本研究不仅加深了我们对CRC放射治疗机制的认识,而且为提高CRC放射治疗敏感性提供了一个新的思路。

2.9 其他肿瘤中异常表达的lncRNA

在女性高发肿瘤乳腺癌及男性高发肿瘤前列腺癌中,大量文献也报道了lncRNA异常表达的发生。lncRNA HLA复合体P5(HLA complex P5,HCP5)在三阴性乳腺癌(triple-negative breast cancer TNBC)细胞株和肿瘤组织中呈高表达。下调HCP5能促进细胞的凋亡,抑制细胞的增殖和肿瘤的生长。据报道miR-219a-5p是一种抑制多种癌症的miRNA[38]。而BIRC3是一种凋亡抑制因子,通过抑制细胞凋亡和促进癌细胞存活成为许多癌症的潜在癌基因。miR-219a-5p在TNBC细胞中的表达下调,而miR-219a-5p的过表达可以抑制HCP5和BIRC3的表达。HCP5的过表达降低了miR-219a-5p,但增加了BIRC3 mRNA水平,反之亦然。HCP5与BIRC3表达呈正相关,可以通过与miR-219a-5p竞争来激活凋亡信号通路中的BIRC3,促进TNBC的发展[39]。

还有研究发现lncRNA RUSC1-AS1在乳腺癌中表达水平较高,且RUSC1-AS1的表达水平与肿瘤大小和临床分级呈正相关,与患者的总生存期呈负相关，CDKN1A和KLF2是RUSC1-AS1的靶基因,RUSC1-AS1沉默CDKN1A和KLF2来促进乳腺癌的增殖[40]。这些发现为改善乳腺癌的治疗提供了新靶点。

在前列腺癌中的lncRNA研究进展中lncRNA SNHG 7在前列腺癌细胞和组织中过表达,主要是通过调节EMT来促进前列腺癌的迁移和侵袭。进一步的研究证实了Wnt信号通路中的一种重要蛋白WNT2B促进了前列腺癌细胞的恶性表型,并介导lncRNA SNHG 7的生物学效应[41]。另一方面Xu等[42]检测70例前列腺癌患者和70例健康对照者血浆TUG 1水平,结果表明患者血浆TUG 1水平高于正常对照组。尤其是Ⅲ+Ⅳ期患者的TUG 1水平高于Ⅰ+Ⅱ期患者TUG 1的水平,TUG 1的过表达能明显促进癌细胞的增殖和迁移,且TUG 1水平与PSA水平、Gleason分级及TNM分期有关。这表明TUG 1在前列腺癌中具有一定的诊断和预后价值。

3 小结与展望

近年来lncRNA在肿瘤领域的研究得到了越来越多的重视,我们发现一种lncRNA异常表达并不只对应一种肿瘤,而且在同一肿瘤组织内往往也能检测到不同lncRNA的表达失调,许多癌症相关的lncRNA通过多种机制调节不同肿瘤类型的特定靶点。虽然目前对lncRNA已经有了一些认识,但这只是冰山一角,仍然存在许多难题需要攻克,包括怎样早期筛查到肿瘤相关异常表达的lncRNA、如何干预相关lncRNA来提高肿瘤治疗。而且在类似泌尿系统、生殖系统中lncRNA的研究仍然较少。在肿瘤组织中,lncRNA的异常表达、突变是有特异性的,通常可以预测患者的预后。我们相信,通过研究的不断深入,lncRNA有望成为肿瘤诊治新的契机、为肿瘤精准治疗指出新的方向。