2. 中南大学湘雅医院临床药理研究所,湖南 长沙 410008
2. Dept of Clinical Pharmacology, Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410008, China
长链非编码RNAs(long non-coding RNAs, lncRNAs)和环状RNAs(circular RNAs, circRNAs)是内源性非编码RNAs(non-coding RNAs, ncRNAs)的重要组成。虽然它们都不能编码蛋白,但却均具有生物学功能和在哺乳动物细胞分布广泛的特性,使得它们越来越受到研究者的关注。lncRNAs和circRNAs被发现之初,受限于当时的研究条件,长期被认为是DNA基因组转录的“噪音”,是RNA聚合酶Ⅱ转录的副产物,且被认为没有生物学功能。随着测序技术的发展,lncRNAs和circRNAs的研究不断深入,不仅在数量上取得巨大突破,还针对它们的功能角色进行了广泛研究。这些成果为我们进一步了解肿瘤的发生、发展开拓了新的视野。本课题组一直致力于lncRNAs和circRNAs的研究。本文对lncRNAs和circRNAs的分类、特征、生物学功能等进行比较,深入了解与区分,以期更好识别肿瘤生物标志物。
1 lncRNAs和circRNAs的命名与分类lncRNAs是一类长度大于200个核苷酸的非编码RNA,属线性RNA[1]。一般来说,lncRNAs通常较长,具有mRNA样结构,经过剪接,具有polyA尾巴与启动子结构。目前研究发现,它的亚型包括:反义链lncRNAs、内含子lncRNAs、基因间lncRNAs、启动子相关lncRNAs、非翻译区(untranslated region,UTR)相关lncRNAs[1]。
circRNAs则是一类不具5′末端帽子和3′末端polyA尾巴,并以共价键形成环形结构的特殊RNA分子。具体来说,circRNAs是借助套索结构或内含子的互补配对,以反向剪切的方式来形成的[2]。可分为3类:外显子circRNAs(exonic circRNA,ecRNA)、内含子circRNAs(intronic circRNA,ciRNA),以及由外显子和内含子共同组成的circRNAs(exon-intron circular RNAs,EIciRNA)[2-3]。
2 lncRNAs和circRNAs特征比较lncRNAs和circRNAs在下面4个特征上的区别为,①丰度:虽然lncRNAs在组织中分布广泛,但lncRNAs的表达丰度相对较低。在实际检测中,甚至有些lncRNAs用qPCR检测不到其表达;circRNAs在组织中分布也较为广泛,其表达丰度较lncRNAs要高,研究表明,circRNAs较对应线性lncRNAs的表达甚至超过10倍之多[4]。②稳定性:lncRNAs具有polyA尾巴与启动子结构,类似于mRNA,相对不稳定;circRNAs具有共价闭合环结构,缺乏5′端的帽子结构和3′末端polyA尾巴,不易被RNA核酸外切酶降解,这使其比lncRNAs分子更稳定[5]。③保守性:lncRNAs保守性较低;circRNAs以磷酸二酯键使得首尾相连,成环的特点揭示了它具有高度的保守性,同时在进化上也是高度保守的[4]。④时空特异性:大多数的lncRNAs在组织分化发育过程中,都具有明显的时空特异性;circRNAs同样具有时空特异性,如circRNA S-7(circular RNA sponge for miR-7)主要存在于细胞质[6]。
3 lncRNAs和circRNAs生物学功能的区别随着对lncRNAs和circRNAs研究的深入,已挖掘出数目庞大的lncRNAs和circRNAs,且对它们生物学功能的解读日益完善。研究表明,lncRNAs和circRNAs在肿瘤发生、发展中扮演关键的角色。下面从表观遗传调控、基因转录水平调控、蛋白水平调控、miRNA竞争调控方面,来总结它们生物学功能的差异。
3.1 表观遗传调控表观遗传调控是lncRNAs的重要机制之一。研究表明,lncRNAs能通过DNA甲基化影响肿瘤发生、发展。例如lncRNA ZEB1-AS1就具有启动子区低甲基化的现象[7]。此外,lncRNAs还可影响染色质修饰或其在染色体上的定位。lncRNA Xist能促进染色质修饰复合物的表达,从而调控DNA、RNA和组蛋白的数量[8]。干预lncRNA HOTAIR能调整其在HOXD基因簇的空间位置,最终间接沉默HOXD [9];而circRNA关于表观遗传调控的报道尚不多见。
3.2 基因转录水平调控lncRNAs可作为配基,与相应转录因子结合,形成复合体,调控基因转录的活性。例如,lncRNA TSLC1-AS1与TSLC1 mRNA形成一定结构的复合体,使得TSLC1 mRNA不被RNA酶降解,从而影响TSLC1蛋白的表达[10]。circRNAs也能够通过RNA-RNA模式来调控基因的表达,如EIciRNA通过U1 snRNA介导其亲本基因的表达明显增加[11]。
3.3 蛋白水平调控一般来说,lncRNAs和circRNAs不具有编码蛋白能力,但却可以调控蛋白活性。如lincRNA-UFC1能结合到HuR蛋白特定结构域,影响其活性,从而增加细胞中β-catenin蛋白表达[12]。CircIMP3也能绑定到IMP3蛋白特定结构域[3]。最新的研究显示,大约两万条lncRNAs具有编码蛋白质的能力[13],Legnini等[14]也发现,circ-ZNF609能通过特殊剪切及蛋白翻译帽依赖方式来编码蛋白。故lncRNAs和circRNAs究竟是编码蛋白,抑或是调控蛋白活性尚需要进一步研究。
3.4 miRNA竞争调控一些lncRNA会携带某些miRNA的“种子序列”,像海绵一样结合miRNA,从而阻止miRNA同其靶mRNA结合(ceRNA机制)。例如,lncRNA GAPLINC通过与miR311-3p竞争性结合,削弱miR311-3p对CD44的表达水平,进而调控细胞的迁移和增殖[15]。
circRNAs在ceRNA机制中与lncRNAs类似,如Deng等[16]研究表明circ_0009910能调控miR449a,并进一步调控miR449a的功能靶基因IL-6R,从而促进骨肉瘤发生、发展。类似这样的circRNAs还有circWDR77、circGFRA1、circRNA_0008219等。
4 来源与于同一条基因的lncRNAs和circRNAs虽然lncRNAs和circRNAs的生物学功能还未能阐明,越来越多的研究表明,它们与人类疾病进展密切相关,尤其是肿瘤。本课题组已经认识到某些基因存在既可转录成线性RNA,也可以转录成环状RNA,不同的剪接模式使得它们在不同的肿瘤中扮演不同的角色。在这里我们首次总结在肿瘤中,从同一亲本基因(母体基因)转录出来的lncRNAs和circRNAs。
4.1 锌指E盒结合因子1(zinc finger E-box binding homeobox 1 gene, ZEB1)ZEB1基因位于染色体10p11.2,具有多种剪接变异体。其中,lncRNA ZEB1-AS1被证明在多种肿瘤中异常上调,包括肝癌、骨肉瘤、胶质瘤。研究表明,lncRNA ZEB1-AS1能调控母体基因ZEB1 mRNA的表达,从而促进肿瘤转移[7],其还能与miR200s产生竞争调控[17]。我们在CircNet(http://circnet.mbc.nctu.edu.tw/)数据库中,发现了其环状的转录本circZEB1,其在肺癌组织中高表达,并可能受miR1413p、miR200a的调控[18]。
4.2 INK4基因座中反义非编码RNA (antisense non-coding RNA in the INK4 locus gene, ANRIL)ANRIL基因位于染色体9p21,其可以转录成线性及环状的RNA。其中,lncRNA ANRIL在多种癌症中高表达,包括肝癌、乳腺癌、鼻咽癌、黑色素瘤、宫颈瘤、骨肉瘤、甲状腺癌、结直肠癌、胆囊癌、前列腺癌。研究发现,lncRNA ANRIL发挥效应与竞争性调控miR122有关[19]。此外,过表达的lncRNA ANRIL能调节let-7a/TGF-β1/Smad信号通路,进而促进细胞的增殖和迁移[20]。circANRIL在不同组织和细胞系中的表达比线性lncRNA ANRI的表达要高[4]。circANRIL能结合到60s亚基重要组成蛋白PES1,从而介导p53活化,最终诱导肿瘤细胞凋亡和抑制增殖[4]。
4.3 浆细胞瘤多样异位基因1 (plasmacytoma variant translocation 1 gene, PVT1)PVT1基因位于染色体8p24,其也具有上述特征。有数据表明,lncRNA PVT1促进宫颈癌发生发展与负调控miR424有关[21],其还能使miR195启动子区域H3K27me3水平升高[22]。此外,lncRNA PVT1参与的肿瘤还包括胃癌、黑色素瘤、乳腺癌、肺癌、骨肉瘤、前列腺癌。circPVT1是一个新的与胃癌发生、发展及预后相关的生物标记物,它在胃癌组织中异常高表达,且能通过调控miR125家族成员,促进细胞增殖[23]。
4.4 锌指和BTB结构域基因46 (zinc finger and BTB domain containing 46 gene, ZBTB46)ZBTB46基因位于染色体20q13。lncZBTB46是在乳腺癌lncRNA芯片中被首次发现的,它在乳腺癌组织中异常上调[24]。circZBTB46也已经被鉴定,后续的功能还有待进一步研究[25]。
5 展望总之,lncRNAs和circRNAs既有区别又有联系,对它们在肿瘤中的角色和机制的研究拓宽了我们对肿瘤发生、发展的理解。整体来说,circRNAs的起步相较lncRNAs要晚,许多机制研究都是沿用了lncRNAs的套路,且当前对lncRNAs和circRNAs大都从ceRNA(与miRNA竞争调控)的角度来阐述,不利于它们的深入研究。另外,lncRNAs和circRNAs在肿瘤中有独特的表达和功能,它们被认为是下一个肿瘤诊疗的新靶标。然而,许多关键问题仍需要深入探讨:①影响肿瘤发生、发展的基因大体上可分为两类:促癌基因和抑癌基因。其中,常见的促癌基因包括EGFR、bFGF、PDGF、VEGF、IGF-1等;抑癌基因包括p53、p16、PTEN、Rb、E2F-1等。尽管上述多个功能基因早已明确,但是它们与lncRNAs和circRNAs之间相互作用的研究报道略少。另外,我们不得不思考的一个问题是mRNA、lncRNAs和circRNAs,哪个更适合作为生物标记物?② lncRNAs和circRNAs究竟能不能编码蛋白?怎么编码蛋白?哪些能编码蛋白?③ lncRNAs和circRNAs与肿瘤发生、发展及化疗预后的关系虽有报道,但还不太明确。④ lncRNAs和circRNAs及microRNA之间关系模糊,一般认为是符合ceRNA理论,但有没有不是ceRNA的现象?另外,细胞内是如何平衡它们与miRNA的关系?lncRNAs和circRNAs的研究仍处于起步阶段,仍需要更多深入的探讨,以便进一步确认它们在肿瘤发生、发展中的功能角色。尽管lncRNAs和circRNAs在各肿瘤中的分子机制尚未完全阐明,但是lncRNAs和circRNAs可能在不久的将来能彻底改变肿瘤的诊断和治疗。
[1] | Gao Y F, Wang Z B, Zhu T, et al. A critical overview of long non-coding RNA in glioma etiology 2016: an update[J]. Tumour Biol, 2016, 37(11): 14403-13. doi:10.1007/s13277-016-5307-4 |
[2] | Wang P L, Bao Y, Yee M C, et al. Circular RNA is expressed across the eukaryotic tree of life[J]. PLoS One, 2014, 9(6): e90859. |
[3] | Schneider T, Hung L H, Schreiner S, et al. CircRNA-protein complexes: IMP3 protein component defines subfamily of circRNPs[J]. Sci Rep, 2016, 6: 31313. doi:10.1038/srep31313 |
[4] | Holdt L M, Stahringer A, Sass K, et al. Circular non-coding RNA ANRIL modulates ribosomal RNA maturation and atherosclerosis in humans[J]. Nat Commun, 2016, 7: 12429. doi:10.1038/ncomms12429 |
[5] | Suzuki H, Tsukahara T. A view of pre-mRNA splicing from RNase R resistant RNAs[J]. Int J Mol Sci, 2014, 15(6): 9331-42. doi:10.3390/ijms15069331 |
[6] | Memczak S, Jens M, Elefsinioti A, et al. Circular RNAs are a large class of animal RNAs with regulatory potency[J]. Nature, 2013, 495(7441): 333-8. doi:10.1038/nature11928 |
[7] | Li T, Xie J, Shen C, et al. Upregulation of long noncoding RNA ZEB1-AS1 promotes tumor metastasis and predicts poor prognosis in hepatocellular carcinoma[J]. Oncogene, 2016, 35(12): 1575-84. doi:10.1038/onc.2015.223 |
[8] | Yao Y, Ma J, Xue Y, et al. Knockdown of long non-coding RNA XIST exerts tumor-suppressive functions in human glioblastoma stem cells by up-regulating miR-152[J]. Cancer Lett, 2015, 359(1): 75-86. doi:10.1016/j.canlet.2014.12.051 |
[9] | Pastori C, Kapranov P, Penas C, et al. The Bromodomain protein BRD4 controls HOTAIR, a long noncoding RNA essential for glioblastoma proliferation[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112(27): 8326-31. doi:10.1073/pnas.1424220112 |
[10] | Qin X, Yao J, Geng P, et al. LncRNA TSLC1-AS1 is a novel tumor suppressor in glioma[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2014, 7(6): 3065-72. |
[11] | Li Z, Huang C, Bao C, et al. Exon-intron circular RNAs regulate transcription in the nucleus[J]. Nat Struct Mol Biol, 2015, 22(3): 256-64. doi:10.1038/nsmb.2959 |
[12] | Cao C, Sun J, Zhang D, et al. The long intergenic noncoding RNA UFC1, a target of microRNA34a, interacts with the mRNA stabilizing protein HuR to increase levels of β-catenin in HCC cells[J]. Gastroenterology, 2015, 148(2): 415-26. doi:10.1053/j.gastro.2014.10.012 |
[13] | Hon C C, Ramilowski J A, Harshbarger J, et al. An atlas of human long non-coding RNAs with accurate 5′ ends[J]. Nature, 2017, 543(7644): 199-204. doi:10.1038/nature21374 |
[14] | Legnini I, Di Timoteo G, Rossi F, et al. Circ-ZNF609 is a circular RNA that can be translated and functions in myogenesis[J]. Mol Cell, 2017, 66(1): 22-37. doi:10.1016/j.molcel.2017.02.017 |
[15] | 董宪喆, 胡园, 刘屏, 等. lncRNA作为竞争性内源RNA调控胃癌进程的研究进展[J]. 中国药理学通报, 2016, 32(9): 1185-9. Dong X Z, Hu Y, Liu P, et al. The research progress of lncRNA as CeRNA in gastric cancer[J]. Chin Pharmacol Bull, 2016, 32(9): 1185-9. doi:10.3969/j.issn.1001-1978.2016.09.001 |
[16] | Deng N, Li L, Gao J, et al. Hsa_circ_0009910 promotes carcinogenesis by promoting the expression of miR-449a target IL6R in osteosarcoma[J]. Biochem Biophys Res Commun, 2018, 495(1): 189-96. doi:10.1016/j.bbrc.2017.11.028 |
[17] | Liu C, Pan C, Cai Y, et al. Interplay between long noncoding RNA ZEB1-AS1 and miR-200s regulates osteosarcoma cell proliferation and migration[J]. J Cell Biochem, 2017, 118(8): 2250-60. doi:10.1002/jcb.25879 |
[18] | Lv Q L, Hu L, Chen S H, et al. A long noncoding RNA ZEB1-AS1 promotes tumorigenesis and predicts poor prognosis in glioma[J]. Int J Mol Sci, 2016, 17(9): E1431. doi:10.3390/ijms17091431 |
[19] | Ma J, Li T, Han X, et al. Knockdown of LncRNA ANRIL suppresses cell proliferation, metastasis, and invasion via regulating miR-122-5p expression in hepatocellular carcinoma[J]. J Cancer Res Clin Oncol, 2018, 144(2): 205-14. doi:10.1007/s00432-017-2543-y |
[20] | Zhao B, Yang Y, Hu L B, et al. Overexpression of lncRNA ANRIL promoted the proliferation and migration of prostate cancer cells via regulating let-7a/TGF-β1/ Smad signaling pathway[J]. Cancer Biomark, 2017, 15: 1-8. |
[21] | Gao Y L, Zhao Z S, Zhang M Y, et al. Long noncoding RNA PVT1 facilitates cervical cancer progression via negative regulating of miR-424[J]. Oncol Res, 2017, 25(8): 1391-8. doi:10.3727/096504017X14881559833562 |
[22] | Shen C J, Cheng Y M, Wang C L. LncRNA PVT1 epigenetically silences miR-195 and modulates EMT and chemoresistance in cervical cancer cells[J]. J Drug Target, 2017, 25(7): 637-44. doi:10.1080/1061186X.2017.1307379 |
[23] | Chen J, Li Y, Zheng Q, et al. Circular RNA profile identifies circPVT1 as a proliferative factor and prognostic marker in gastric cancer[J]. Cancer Lett, 2017, 388: 208-19. doi:10.1016/j.canlet.2016.12.006 |
[24] | Xu N, Wang F, Lv M, et al. Microarray expression profile analysis of long non-coding RNAs in human breast cancer: a study of Chinese women[J]. Biomed Pharmacother, 2015, 69: 221-7. doi:10.1016/j.biopha.2014.12.002 |
[25] | Song X, Zhang N, Han P, et al. Circular RNA profile in gliomas revealed by identification tool UROBORUS[J]. Nucleic Acids Res, 2016, 44(9): e87. doi:10.1093/nar/gkw075 |