大量研究表明,整个真核生物基因组转录产物几乎是非编码RNA (ncRNAs)^[1]。ncRNAs曾被一度认为是基因组中无功能的转录噪音^[2],根据其长短分为长链、中链和短链ncRNAs。短链ncRNAs是一类长度介于18-25 nt之间的RNA分子^[3],如microRNA,作为肿瘤标志物已经得到广泛的认同和应用。长链非编码RNA (Long non-coding RNAs,lncRNAs)广泛存在于哺乳动物基因组中,是一类长度在200-100 000 nt之间的内源性细胞RNA,缺乏明显的可编码蛋白的开放阅读框,其占RNA总量的98%。尽管大多数lncRNAs的功能尚不明确,但许多研究发现,在正常发育和疾病发生过程中,lncRNAs参与基因表达调控,并发挥重要作用。根据lncRNAs在基因组中的位置不同及特性差异^[4],将其分为正义长非编码RNA (Sense lncRNA);反义长非编码RNA (Antisense lncRNA);双向长非编码RNA (Bidirectional lncRNA);基因间RNA (Large intergenic noncoding RNA);内含子非编码RNA (Intronic transcript)。lncRNAs作为一类重要的遗传调控因子,具有种类多、数量多、作用模式多等特点。随着对lncRNAs的深入研究发现,lncRNAs与肿瘤的发生、发展密切相关,并且在干细胞全能性和自我更新方面发挥至关重要的作用。本研究通过国内外最新研究就lncRNAs在肿瘤和干细胞中的功能及相关机制作一综述。 1 lncRNAs与肿瘤

lncRNAs作为一类有功能的转录本,参与各种生物学过程。近年来,随着高通量测序及芯片技术的快速发展,科学家采用多种不同的技术手段,测定正常组织和肿瘤组织中lncRNAs的表达水平,发现其表达量在两者中存在显著差异。研究表明,lncRNAs是肿瘤发生、发展过程中的重要调控分子,起着致癌或抑癌作用。一些lncRNAs表现出不同的基因表达模式,并在各种类型的恶性肿瘤细胞中起着重要作用^{[5, 6]}。此外,lncRNAs与肿瘤的侵袭、浸润、转移及预后有关,有望成为肿瘤治疗的新靶标。 1.1 lncRNAs与前列腺癌

前列腺癌是男性常见的恶性肿瘤之一。前列腺癌抗原3(PCA3)是仅在前列腺癌组织中表达的lncRNA,具有较好的组织特异性。PCA3通过调节雄激素受体(AR)信号转导通路使其表达上调进而促进前列腺癌细胞(PCa)的增殖^[7]。LNCaP细胞通过siRNA靶向沉默PCA3的表达,可抑制PCa的增殖^[8]。因此,PCA3作为高敏感性和高特异性的生物标志物用于前列腺癌的诊断^{[9, 10]},可提高诊断的准确率。PCEGM1是具有高特异性的前列腺癌相关的lncRNA,其表达上调可促进细胞增殖,与前列腺癌的发生和发展密切相关,有望成为前列腺癌治疗的潜在靶标^[11]。Malik等^[12]发现敲除lncRNA PCAT29,能够促进前列腺癌细胞的增殖和迁移,且低表达的PCAT29显示预后不良。H19-衍生的MicroRNA675能够抑制前列腺癌转移,为晚期前列腺癌的治疗提供了新的突破口^[13]。 1.2 lncRNAs与胃癌

根据全球癌症统计,胃癌发病率排名第4位^{[14, 15]}。最新研究发现的FENDRR是一种在胃癌中低表达的lncRNA,其长度为3 099 nts,FENDRR通过与多梳抑制复合体2(PCR2)结合进而从表观遗传学水平调控靶基因的表达,如通过影响纤维连接蛋白1(FN1)和MMPs的表达量调控胃癌细胞的转移,其介导的FN1和MMPs表达下调会抑制胃癌细胞的转移。同时,FENDRR的低表达显示胃癌预后不良^[16]。此外,新型的lncRNA GACAT1的表达水平与胃癌转移情况呈明显的负相关^[17]。Sun等^[18]研究发现的母系印迹基因3(MEG3)编码的lncRNA在胃癌组织中表达上调,可刺激P53蛋白表达量进而抑制胃癌细胞生长并促进细胞凋亡。临床结果显示,低表达的MEG3 lncRNA患者预后不良,肿瘤分期越晚,其表达水平越低,患者存活时间越短。因此,MEG3 lncRNA可作为胃癌预后的一项指标。 1.3 lncRNAs与乳腺癌

多项研究表明,lncRNAs作为致癌因子在乳腺癌中异常表达。在lncRNAs分子水平上,研究其在乳腺癌中发生的分子机制,对乳腺癌的治疗提供一定的理论依据^[19]。HOTAIR是一种lincRNA分子,具有致癌作用,在大多数实体瘤中过表达,通过染色质重组促进癌转移。1/4乳腺癌患者中HOTAIR的表达水平上调,对其进行siRNA干扰,能够明显抑制乳腺癌细胞的转移^[20],这表明,HOTAIR可以作为乳腺癌的治疗靶点。lncRNA GAS5在乳腺癌中表达下调,不利于患者预后^[21]。lncRNA PINX1作为乳腺癌中主要的抑癌基因之一,在乳腺癌细胞系中过表达,为乳腺癌发生的分子机制的进一步研究提供了信息^[22]。与正常组织相比,lncRNAloc554202在乳腺癌组织中的表达水平显著增加,敲除loc554202能有效的降低乳腺癌细胞增殖,诱导细胞凋亡,抑制体内肿瘤生长、体外肿瘤迁移和侵袭等^[23]。Ding等^[24]发现了538种在乳腺癌组织中异常表达的lincRNAs,作为肿瘤抑制基因在乳腺癌的发展中发挥了重要作用。例如,lincRNA-BC8与孕激素受体水平呈负相关,BC5的表达水平与患者的年龄、病理分期、孕激素受体呈正相关,BC4在乳腺癌晚期高表达。 1.4 lncRNAs与结肠癌

与结肠癌相关的转录因子CCAT1,是长度为2 628 nt的lncRNA,位于转录因子C-Myc的附近。C-Myc通过直接结合在它的启动子区域促进CCAT1转录^[25]。研究发现,CCAT1在许多癌症中高表达,包括胃癌和结肠腺瘤癌,其表达量增加的幅度与患者临床分期、淋巴结转移、术后生存率有关。CCAT1在结肠癌细胞中表达上调能促进细胞增殖和侵袭,以此预测结肠癌的临床结果。lncRNA OCC-1在结肠癌患者中的表达量明显升高,对肠癌亚型的鉴别提供了有价值的参考^[26]。 1.5 lncRNAs与肺癌

近年来研究发现,寻找非小细胞肺癌(Non-small cell lung cancer,NSCLC)有效的诊断和预后生物标志物至关重要。MALAT1是最早被发现于NSCLC中与肺腺癌转移相关的lncRNA,在转移患者与非转移患者中其表达量具有显著的差异^{[27, 28]}。Luo等^[29]发现,肺癌患者组织中lncRNA CARLO-5表达上调,临床预后较差,这表明CARLO-5可以作为肺癌的一个新型预后指标和NSCLC潜在的治疗靶点。White等^[30]从肺腺癌和肺鳞状细胞癌中检测出111个差异表达的与肺癌相关的lincRNAs (LCALs),许多LCALs的表达水平与肺癌中关键致癌基因的突变密切相关,对肺癌细胞增殖过程的调控发挥重要作用。研究报道的HOTAIR在转移性肺癌组织中过表达,从而促进肿瘤细胞侵袭和转移^[31]。Sun等^[32]研究的lncRNA SPRY4的内含子转录物1(SPRY4-1T1)在NSCLC细胞中具有显著的抗癌作用,表达下调会导致细胞生长停滞、侵袭抑制和凋亡率上升,并且SPRY4-1T1低表达量患者存活时间较短,可以判断NSCLC预后不良。Sox2是肺鳞状细胞癌(SCCs)相关的lncRNA,Sox2高表达患者的存活时间较短,其可以成为疾病的预后因素^[33]。此外,研究发现的SCAL1是与烟草介导的肺癌相关的lncRNA^[34]。 1.6 lncRNAs与膀胱癌(Urothelial carcinoma,UC)

Peter等^[35]通过芯片技术分别检测83个正常组和UC患病组样本发现,17 112个lncRNAs和22 074个mRNAs。根据肿瘤的表型鉴定发现,UC中的lncRNAs表达上调,其中32种lncRNAs在UC病情恶化时扮演重要角色。研究表明,lncRNAs可以作为UC的预后标志物。 1.7 lncRNAs与食管癌

食管鳞状细胞癌(Esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)是东亚地区最常见且致命率很高的肿瘤之一。近来研究表明,HOTAIR和POU3F3是与ESCC发病率密切相关的lncRNAs,高表达的HOTAIR与食管癌的TNM分期有关。同时,lncRNA ESCCAL-1参与食管癌的病理进程,在食管癌组织中表达上调^[36]。最新发现的牛磺酸上调基因1(Taurine-upregulated gene 1,TUG1)能招募结合至PRC2,与癌旁组织相比,ESCC中的TUG1过表达,可能与上段食管癌或家族史有关,通过体外siRNA沉默TUG1可以抑制ESCC细胞的增殖和迁移,并且能够阻断细胞周期的进程,TUG1在ESCC中具有潜在的致癌作用^[37]。很多lncRNAs与相邻的编码基因具有协同作用,可以形成lncRNA-mRNA基因对,研究报道的FOXCUT (FOXC1上游启动子转录)及其邻近的基因FOXC1在ESCC的形成及发展中有望成为潜在的预后生物标志物和治疗靶标^[38]。但ESCC的预后仍然较差,因此仍需进一步探索作用机制和治疗靶标。 2 lncRNAs与干细胞

近年来,通过对干细胞中lncRNAs的诸多研究发现,lncRNAs能够维持干细胞全能性,参与调控干细胞基因表达,并有助于调节一些干细胞的自我更新和分化。 2.1 lncRNAs与胚胎干细胞(Embryonic stem cell,ESCs)

人们最先在小鼠ESCs中发现了与全能性相关的lncRNAs,其作为ESCs调节回路中的重要组成成员^[39],受多种多能性相关转录因子的调控(如Oct4、Sox2、cMyc、nMyc、TCF3、Smad、Nanog、KLF4和ZFX等)^[40]。Sheik Mohamed等^[41]研究小鼠ESCs中全基因组的转录调控网络揭示了许多内源性lincRNAs。通过对其中两种lincRNAs (Ak028326和Ak141205)的研究发现,lincRNAs在维持ESCs全能性方面发挥了重要作用。此外,ESCs中的lincRNAs可以直接作为多能性转录因子的靶基因。Guttman等^[42]研究发现了226种ESCs中表达的lincRNAs,其中93%以上的lincRNAs能够影响ESCs中基因表达模式。有26种lincRNAs能够显著影响干细胞多能性重要因子Nanog的表达水平,表明lincRNAs参与维持ESCs多能性。同时,他们通过对ESCs分化过程的研究发现,多种与之相关的lincRNAs,验证了lincRNAs是ESCs特异性分化的关键调节器。最后,他们还发现了74种lincRNAs与ESCs中染色质修饰蛋白密切相关。Huarte等^[43]提出lincRNAs可通过采取顺式调控或者反式调控的方式实现对基因表达的调控。而lincRNAs与染色质重构蛋白复合物结合形成的物质也是维持ESCs全能性所必需的,能起到基因支架的作用。Loewer等^[44]发现的linc-RoR被认为是一种重要的重新编码调控器,在核心多能性转录因子TFs的调控下,其表达水平与全能性密切相关。Wang等^[45]通过检测linc-RoR不同时间点的的表达水平,发现人类胚胎干细胞(hESCs)分化过程中linc-RoR的表达急剧下调,可以作为衡量hESCs自我更新和多能性方面潜在的标志物。

总之,受多能性转录因子调控的lncRNAs的过表达或者低表达都可能影响ESCs全能性的维持,并且lncRNAs能够调控ESCs细胞系的特殊分化^[42]。 2.2 lncRNAs与成体干细胞

研究表明,许多lncRNAs能够调节成体干细胞的自我更新和分化能力。Zuo等^[46]研究早期C3H10T1/2骨髓间充质干细胞(BMSCs)向成骨细胞诱导分化,在诱导因子BMP-2处理组和未处理组中发现了116个差异表达的lncRNAs。Ramos等^[47]发现,神经胶质细胞向成体神经干细胞分化的过程中,lncRNAs Six3os和Dixlas调节其分化。此外,他们全面分析了成体小鼠的脑室下区神经干细胞系中lncRNAs的表达水平发现,特定的lncRNAs与神经细胞类型相关。Yildirimet等^[48]发现lncRNAs Xist是造血干细胞长期生存所必需的。Kretz等^[49]在上皮细胞中发现了名为反变异非编码RNA (ANCR)的lncRNA在维持细胞未分化态方面起重要作用。 2.3 lncRNAs与多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,iPSCs)

Loewer等^[44]通过研究人类iPSCs中lincRNAs的转录重组可以推断许多lincRNAs与iPSCs的全能性相关。此外,在iPSCs中发现了10种高表达的lincRNAs,可以作为关键多能性转录因子的直接目标。linc-RoR在iPSCs中表达上调,能够促使iPSCs形成集落。 2.4 lncRNAs与间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)

Li等^[50]通过多种技术手段测定多发性骨髓瘤MSCs中lncRNA MALAT1的表达水平发现,MALAT1转录子通过促进LTBP3启动子的关键转录因子Sp1的转录激活,招募Sp1到LTBP3基因进而调控TGF-β的生物利用度。LTBP3启动子的转录激活机制取决于MALAT1启动LTBP3邻近基因和参与Sp1和LTBP3启动子特异性激活的直接作用。结果显示,MALAT1直接作用于Sp1和LTBP3,进而促进LTBP3基因的过表达。因此,lncRNA MALAT1在细胞转化中能够作为潜在的生物标志物,为肿瘤治疗提供新思路。 3 小结

首先,lncRNAs作为一种优于传统肿瘤标志物的新型分子,具有时间、空间特异性及良好的稳定性,能够反应重要的生物学和病理学信息。其次,lncRNAs作为肿瘤和干细胞生物学中关键的基因表达调控分子,通过与DNA、RNA、蛋白质分子等相互作用,参与癌症发展的一系列过程,如表观遗传调控、染色质重组、转录、转录后调控等。研究显示^[51],lncRNAs在癌前病变组织中异常表达,为肿瘤早期诊断、预防肿瘤发生等方面奠定了坚实的基础。此外,肿瘤患者体液中可检测到具有较高敏感性和特异性的肿瘤相关的lncRNAs,为肿瘤的无创性诊断提供了新方法。但目前对基因转录调控网络的研究还不完善,lncRNAs的种类、数量、功能尚不明确,对其具体作用机制也知之甚少,同时,很多lncRNAs的组织、器官特异性比较低。因此,对lncRNAs在肿瘤和干细胞中分子机制的研究应成为当前研究的重点,这样便于深入了解疾病发生的机理,使得lncRNAs在肿瘤诊断、临床分期和预后判断等方面显示出广阔的应用前景,同时作为潜在的治疗靶点为新型靶向药物的研发提供了重要依据。此外,使人们进一步明确lncRNAs调控干细胞中复杂信号通路的机制及调控肿瘤干细胞的机理,进而为肿瘤治疗提供新的突破口。