2020, Vol. 47文章信息
- LncRNA在结直肠癌中的调控机制
- Regulatory Mechanism of LncRNA in Colorectal Cancer
- 肿瘤防治研究, 2020, 47(10): 798-801
- Cancer Research on Prevention and Treatment, 2020, 47(10): 798-801
- http://www.zlfzyj.com/CN/10.3971/j.issn.1000-8578.2020.20.0055
- 收稿日期: 2020-01-30
- 修回日期: 2020-07-21
引用本文 |
结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是消化道常见的恶性肿瘤。美国癌症协会(American Cancer Society, ACS)预计，2020年美国将出现147 950例新的结直肠癌病例，死于结直肠癌的人数将达到53 200人[1]，这使得结直肠癌成为美国除皮肤癌外第三大癌症相关死亡原因。构成人类基因组的30亿个碱基对中，98%的RNA是非编码RNA(non-coding RNA, ncRNA)。ncRNA是位于细胞核或细胞质部分大于200 nt的RNA转录本，包括microRNA、LncRNA、piwi-interaction RNA和transfer RNA(tRNA)，均无编码蛋白质的能力。ncRNA参与结直肠癌的多种调控机制，其中LncRNA近年来被研究的较多。据文献报道，LncRNA在肝癌[2]等多种癌症中高表达，并参与肿瘤的发生、增殖、迁移等生物学过程。本文将对LncRNA在结直肠癌中相关的调控机制，包括LncRNA参与的表观遗传修饰、LncRNA-miRNA-mRNA、LncRNA-mRNA、LncRNA-蛋白相互作用以及作为伪基因的作用进行综述。
1 LncRNA概述长链非编码RNA(long non-coding RNAs, LncRNA)是指长度超过200个核苷酸，但没有蛋白编码潜能，且在人类基因组中缺乏完整的功能开放阅读框(functional open reading frame, ORF)的非编码RNA的总称[3]。LncRNA位于细胞核、染色质或细胞质部分，位于不同部位的LncRNA作用机制也不同。细胞核LncRNA参与表观遗传、远端基因座的反转录调控或邻近基因座的顺转录调控。细胞质LncRNA调控mRNA的翻译、稳定和降解过程，可作为竞争性的内源性RNA，靶向调控miRNA和蛋白因子，抑制其活性，促进mRNA的翻译。此外，LncRNA还可以与RNA、DNA分子和蛋白复合物相互作用，发挥其功能，调节各种生理和病理过程。
2 LncRNA在结直肠癌中的调控机制 2.1 结直肠癌中LncRNA参与的表观遗传及其机制LncRNA在基因的表观遗传修饰中起着重要的作用。首先，LncRNA与多种染色质修饰酶相互作用、诱导染色质修饰和DNA甲基化，从而助力于目标基因的表观遗传沉默或激活。结直肠癌的主要表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体修饰[4]。
X-失活中心(X-inactivation center, Xic)是目前LncRNA研究表观遗传转录调控的典型模型，如哺乳动物中的X-失活特异性转录本(X-inactive-specific transcript, Xist)[5]。LncRNA Xist直接与多梳抑制复合物2(polycomb repressive complex 2, PRC2)结合，后者是负责组蛋白H3在第27位点的三甲基化的表观遗传复合体(H3K27me3)，并以PRC2为靶点攻击失活的X染色体，使整个染色体沉默。与LncRNA Xist一样，长链非编码RNA同源基因转录反义RNA(long non-coding RNA homeobox protein transcript antisense RNA, LncRNA HOTAIR)也可以与PRC2结合，与染色质重构复合物相互作用，诱导特异性基因组位点异染色质形成，导致靶基因表达降低[6]。这些LncRNA通过与组蛋白修饰或染色质重构蛋白复合物结合来实现其抑制功能。
长链非编码RNA H19(LncRNA H19)不直接与PRC2蛋白结合，它是一种印迹的、母系表达的LncRNA，经过剪接、聚腺苷酸化后，输出到细胞质中，积累到非常高的水平[7]。此外，原癌基因转录因子c-Myc直接激活CRC中的LncRNA H19，说明LncRNA H19直接参与了c-Myc下游基因表达的激活。然而，研究也表明LncRNA H19在体内是一种肿瘤抑制因子，当LncRNA H19基因被敲除后，肿瘤细胞的生长、侵袭和转移的能力增强[8]。因此，LncRNA H19基因的异常表达与结直肠癌的发生有关，它通过多种机制发挥癌基因和抑癌基因的双重功能。
母系表达基因3(maternally expressed gene 3, MEG3)是一种长链非编码RNA，它协调一系列不同的细胞过程，这些过程需要基因的表观遗传调控以及与关键长链信号蛋白的相互作用，并充当竞争性内源性(ce)RNA[9-10]。在结直肠癌中发现LncRNA MEG3的启动子异常高甲基化，LncRNA MEG3表达量降低，从而导致癌细胞和血管的增殖，加速肿瘤的转移和恶化[11]。
染色体不稳定性(chromosomal instability, CIN)是另一种表观遗传修饰模式，可能是长链非编码RNA结肠癌相关转录物2(long non-coding RNA colon cancer associated transcript 2, LncRNA CCAT2)促进CRC生长和转移的潜在机制。LncRNA CCAT2在微卫星稳定的结直肠癌(microsatellite stable colorectal cancer, MSS CRCs)中高度过表达，促进肿瘤生长和转移[12]。研究表明，LncRNA CCAT2具有支持CIN的能力，表现为大量或全部染色体的丢失或获得，最终导致非整倍体，是MSS CRCs的一个特征，这可能是通过LncRNA CCAT2对下游介质(如MYC和(或)其他WNT靶基因)的影响而发生的[13]。LncRNA可能是表观遗传机制的调节因子，同时也积极参与基因调控。
2.2 LncRNA-miRNA-mRNA轴调控CRC细胞增殖、转移与耐药LncRNA可以作为miRNA的海绵发挥拮抗作用，导致其内源性靶点的过表达，从而增加转录后调控水平，即竞争性内源RNA(competitive endogenous RNA, ceRNA)机制。
最近的证据表明，一些结直肠癌相关的LncRNA也可能通过与miRNA结合来调控基因表达，从而阻止特定的miRNA与其靶mRNA结合。cRNA模型更广泛地表明，LncRNA以及其他蛋白编码mRNA可能发挥分子海绵的作用，与miRNA结合，从而间接控制基因表达[14]。
2.2.1 LncRNA-miRNA-mRNA轴导致CRC细胞增殖LncRNA-miRNA-mRNA轴影响结直肠癌细胞增殖的过程中，LncRNA通过与共享的microRNA结合位点(microRNA response elements, MREs)结合或抑制miRNA成熟过程从而下调miRNA表达，导致下游靶基因过度表达，促进结直肠癌细胞的增殖[15]。
长链非编码RNA结直肠肿瘤差异表达(long non-coding RNA colorectal neoplasia differentially expressed, LncRNA CRNDE)是一种癌基因，与miR-181a-5p结合，抑制miR-181a-5p表达，导致miR-181a-5p靶基因β-catenin的转录因子4(transcription factor 4, TCF4)表达升高，这一复杂过程可能通过抑制Wnt/β-catenin信号通路促进结直肠癌细胞增殖和耐药[16]。长链非编码RNA尿路上皮癌相关蛋白1(long non-coding RNA urothelial carcinoma associated 1, LncRNA UCA1)也通过类似上调cAMP应答元件结合蛋白1(CAMP responsive element binding protein 1, CREB1)表达抑制miR-204-5p表达，促进结直肠癌细胞增殖和5-氟尿嘧啶耐药[17]。LncRNA CCAT2作为负调控因子抑制miRNA-145的生物学功能，影响结直肠癌细胞的增殖和分化。此外，长链非编码RNA HIF1A反义RNA 2(hypoxia-inducible factor-1 antisense RNA 2, LncRNA HIF1A- AS2)[18]、长链非编码RNA浆细胞瘤变异体易位1(plasmacytoma variant translocation 1, LncRNA PVT1)[19]、ZNFX1反义RNA 1 (zinc finger NFX1-type containing 1 antisense RNA1, ZFAS1)[20]等LncRNA可能通过上调mRNA水平调控靶miRNA的表达，影响结直肠癌细胞的侵袭和迁移。LncRNA也可以直接与靶mRNA结合，参与结直肠癌的增殖和进展。
2.2.2 LncRNA-miRNA-mRNA轴导致CRC细胞侵袭转移在癌症中，上皮细胞向间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)，是以E-cadherin的丢失为标志，使原发肿瘤的上皮细胞失去细胞极性，打破细胞黏附约束，使癌细胞获得迁移和侵袭性，向侵袭性恶性肿瘤过渡。EMT作为一种病理机制，一直被认为是结直肠癌转移的主要原因，通过不同的机制在转录或转录后水平调控[21]，可引起CRC从原发肿瘤向远处转移，尤其是向肝脏和淋巴结转移。大量研究表明，LncRNA、miRNA和mRNA之间的相互作用可能在转录或转录后水平调控EMT的形成。MiR-489是结直肠癌中的一种抗转移因子，受长链非编码RNA心肌肥厚相关因子(cardiac hypertrophy-related factor, LncRNA CHRF)负调控，促进转移和EMT过程[22]。另一项研究报道[23]，LncRNA UICLM可通过结合mir-215上调锌指E盒结合同源框2(zinc finger E-box binding homeobox 2, ZEB2)蛋白，促进细胞增殖和入侵以及结直肠癌肝转移。LncRNA、miRNA与mRNA的相互作用是非特异性的，LncRNA可同时调控多个miRNA的表达，或者一个miRNA可能被多个LncRNA调控，这增加了LncRNA-miRNA-mRNA轴的复杂性。如LncRNA H19作为miRNA海绵，负调控miR-138[18]、miR-200a[24]等多种miRNA表达。所有这些都增强了下游mRNA的表达，从而影响结直肠癌的EMT过程。
2.2.3 LncRNA-miRNA-mRNA轴导致结直肠癌耐药放化疗和靶向治疗是治疗结直肠癌的主要措施，在很大程度上延长了结直肠癌的无病生存期。然而，随着对多种治疗方法产生耐受，结直肠癌的治疗面临着巨大的挑战。大量研究报道了非编码RNA的异常表达以及LncRNA和miRNA相互作用，通过结直肠癌中不同的机制导致化疗耐药。此外，由非编码RNA和mRNA相互作用组成的ceRNA网络也在CRC的放化疗耐药中发挥着重要作用。过表达的LncRNA UCA1竞争性地与miR-204-5p结合，抑制miR-204-5p表达，导致下游基因CREB1上调，促进结直肠癌细胞增殖和5-氟尿嘧啶耐药[17]。LncRNA MEG3也竞争性地与miR-141结合，导致程序性细胞死亡蛋白4(programmed cell death protein, PDCD4)过表达，诱导奥沙利铂耐药。LncRNA、miRNA和mRNA之间的复杂反馈回路可能为结直肠癌治疗提供一个新的视角。
2.3 LncRNA-蛋白质轴参与结直肠癌的发生发展LncRNA可以通过与含有核转录因子的特定蛋白结合，参与细胞的部分活动。通过LncRNA-蛋白相互作用，LncRNA可作为结构组分，调节蛋白活性或改变蛋白定位。Guttman等通过RNA免疫沉淀(RNA immunoprecipitation, RIP)法分析28种染色质复合物，研究了226种LncRNA，发现有12种染色质复合物可以与所研究的LncRNA结合，且至少30%的LncRNA可以与一个复合物结合，然而LncRNA与多个复合物结合是一种广泛存在的现象[25]。在结直肠癌中，也有许多LncRNA直接与靶蛋白结合或间接调控靶基因的表达。以Lnc CCAT2为例，Ling等通过RIP分析，通过下调与转录因子7类似物2(transcription factor 7-like 2, TCF7L2)蛋白共域的RNA，检测Lnc CCAT2与TCF7L2之间的物理相互作用，发现内源性Lnc CCAT2可与TCF7L2蛋白结合，进而上调MYC在结肠癌细胞中的表达[26]。因此，一个LncRNA可能与不同的蛋白结合，但其功能可能取决于其靶蛋白。
2.4 LncRNA作为伪基因参与结直肠癌的发生发展伪基因一直被认为是功能基因的“弃儿”。近年来，它们越来越受到人们的关注。它来源的LncRNA是癌症发生和发展的关键调控因子。如伪基因通过产生一个缩短的非编码片段，由同源基因转录，增加了mRNA的稳定性。伪基因还可以通过转录反义序列影响同源基因的表达。在结直肠癌相关的LncRNA中，磷酸酶和张力蛋白同源物伪基因1(phosphatase and tensin homologue pseudogene1, PTENP1)是一个抑癌伪基因，它的3’UTR可以与miRNA的调控区域结合，也可以与抑癌基因磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homologue protein, PTEN)结合[27]。因此，PTENP1的3’UTR导致PTEN的mRNA表达下降，也可以被翻译成肿瘤抑制蛋白PTEN。这些结果表明，伪基因通过长链非编码RNA参与同源基因的调控[28]。然而，潜在的机制仍然存在争议，需要进一步的研究。
3 总结与展望LncRNA与小RNA和蛋白质一样，在调控结直肠癌的发生发展、诊断和治疗中有着广泛的应用。LncRNA在结直肠癌中的独特表达或过表达可用于开发新的肿瘤标志物。然而，由于LncRNA的研究仍处于起步阶段，对LncRNA在结直肠癌中的调控机制研究不够全面以及LncRNA作为结直肠癌诊断和治疗的临床生物标志物仍存在一些未解决的问题。因此，需要对LncRNA进行系统的鉴定，更好地了解其作用机制。
作者贡献
吴紫微：文献检索、文章构思和撰写
谢圣高：文章构思、写作指导、审核及修改
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