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對(duì)于學(xué)術(shù)明星ncRNA的深度綜述
世紀(jì)之初，隨著人類基因組計(jì)劃的完成，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，在蘊(yùn)藏生命奧秘的30億個(gè)堿基中，僅有2%編碼蛋白質(zhì)，其余98%都是非編碼的。起初，研究者們認(rèn)為這98%的基因都是“垃圾基因”，但隨著lin-4和let-7這兩個(gè)microRNA的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸揭開(kāi)了非編碼RNA的神秘面紗。時(shí)至今日，非編碼RNA仍然是目前生物學(xué)領(lǐng)域最熱門(mén)的研究方向之一。在去年的11月份發(fā)表于Cell上的一篇題為“The Role of Non-coding RNAs in Oncology”的綜述中，作者概述了目前研究的幾種主要的非編碼RNA，并列舉了一些基于非編碼RNA的正在進(jìn)行或剛剛完成的臨床試驗(yàn)，最后作者對(duì)非編碼RNA領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。第一部分概述目前主要研究的非編碼RNA及其與腫瘤發(fā)展的關(guān)系；第二部分列舉了將非編碼RNA應(yīng)用于腫瘤診斷和治療的臨床試驗(yàn)；第三部分展望了非編碼RNA領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展：Micro RNAs（miRNA）是一類長(zhǎng)度大約為22nt的小ncRNA，主要通過(guò)miRNA的5’端（被稱為種子序列）與靶RNA互補(bǔ)配對(duì)結(jié)合調(diào)控RNAs的表達(dá)，尤其是mRNA。編碼miRNA的基因由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄，并通過(guò)保守的途徑進(jìn)一步加工。在經(jīng)典的加工途徑中，這個(gè)較長(zhǎng)的初級(jí)轉(zhuǎn)錄本，被稱為pri-miRNA，形成一個(gè)被微處理器復(fù)合體（microprocessor complex，包括Drosha和DGCR8）識(shí)別的特征性發(fā)夾結(jié)構(gòu)，隨后被切成pre-miRNA，大約60 nt，接著在Exportin5和Ran-GTP協(xié)助下輸出至細(xì)胞質(zhì)中。pre-miRNA的末端被Dicer酶切割形成miRNA雙鏈，每條單鏈的5’端為磷酸，3’端為2nt的粘性末端。miRNA雙鏈中的引導(dǎo)鏈裝載到Argonaute蛋白上，形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體（RISC），RISC包含著成熟的22nt的miRNA。成熟的miRNA通過(guò)與mRNA的3’UTR結(jié)合，發(fā)揮降解或者轉(zhuǎn)錄抑制作用，此過(guò)程如圖1所示（He & Hannon, 2004）。在所有的小ncRNAs中，miRNA是目前研究最廣泛的。從現(xiàn)有研究的成果來(lái)看，miRNAs在癌癥中的作用是多樣的，包括促癌、抑癌以及混合作用。所謂混合作用，是指由細(xì)胞背景決定的miRNAs的促癌或抑癌作用，即在某些細(xì)胞類型中miRNAs發(fā)揮促癌作用，而在另一些細(xì)胞類型中發(fā)揮抑癌作用。例如，miR-155可以促進(jìn)異常的B細(xì)胞增殖，在此過(guò)程中發(fā)生一系列變化，最終導(dǎo)致白血病和淋巴瘤的發(fā)生。let-7則能夠抑制癌基因RAS，RAS基因是一類致癌基因，約占所有人類癌癥的三分之一。let-7過(guò)表達(dá)可降低RAS水平，提示其具有抑癌作用，可作為一種新的有前途的治療藥物。典型的具有細(xì)胞背景決定的miRNAs作用的是miR-29，miR-29能夠抑制慢性B淋巴細(xì)胞白血病進(jìn)展，但在急性髓系白血病和高侵襲性B淋巴細(xì)胞白血病中表達(dá)升高，這意味著miR-29也可以作為癌基因發(fā)揮作用。近年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)了一類由tRNAs衍生出來(lái)的ncRNAs，稱之為tsRNAs（tRNA-derived small RNAs, tsRNAs）。這類ncRNAs的生物起源和下游的作用機(jī)制等很多方面還在探索中。在癌癥研究中，TCGA來(lái)源的數(shù)據(jù)分析鑒定發(fā)現(xiàn)了26531種特異的tsRNAs。盡管如此，從現(xiàn)有研究來(lái)看，tsRNAs在某些方面與miRNAs的作用是相同的。與miRNAs一樣，tsRNAs已被發(fā)現(xiàn)與Argonaute蛋白相關(guān)，可以通過(guò)與靶3’UTR結(jié)合介導(dǎo)mRNAs的翻譯抑制，這種作用可以是致癌的，也可以是抑癌的。PIWI-interacting RNAs（piRNAs）是一類長(zhǎng)度約21-35nt的小RNA，一般和Argonaute蛋白的PIWI亞家族結(jié)合，與生殖細(xì)胞發(fā)育中的轉(zhuǎn)錄本沉默相關(guān)。piRNA前體的產(chǎn)生是物種特異性的，并且piRNAs的序列也不是很保守。由于PIWI蛋白通常只出現(xiàn)在性腺細(xì)胞中，因此piRNAs也被認(rèn)為主要在性腺細(xì)胞中發(fā)揮功能。但最近的研究表明，很多piRNAs也在體細(xì)胞組織中表達(dá)，并在癌癥中異常表達(dá)，這表明這些piRNAs可能也參與癌癥進(jìn)展。piRNAs的經(jīng)典功能是沉默轉(zhuǎn)座子，這一過(guò)程存在兩種機(jī)制。在第一種機(jī)制中，piRNAs引導(dǎo)PIWI蛋白到達(dá)新生的轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本，并在目標(biāo)轉(zhuǎn)座子啟動(dòng)子上產(chǎn)生異染色質(zhì)狀態(tài)，使其轉(zhuǎn)錄沉默。在第二種機(jī)制中，piRNAs將PIWI復(fù)合物導(dǎo)向轉(zhuǎn)座子mRNA，直接裂解轉(zhuǎn)錄本。Long non-coding RNAs（lncRNAs）長(zhǎng)度大于200 bp，由RNA Pol II從獨(dú)立啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄。與蛋白編碼基因相似，它們的基因組位置以轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的H3K4me3和整個(gè)基因編碼區(qū)的H3K36me3富集為標(biāo)志。lncRNAs轉(zhuǎn)錄本由多個(gè)外顯子組成，通過(guò)經(jīng)典機(jī)制剪接成成熟的轉(zhuǎn)錄本，通常包括5'帽子和3'poly(A)尾巴。然而，與蛋白編碼轉(zhuǎn)錄本相比，lncRNAs的外顯子更少，總體表達(dá)水平更低。lncRNAs也不是高度進(jìn)化保守的，只有5%-6%的lncRNA具有保守序列。因此，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為高度保守的lncRNAs可能更具有功能性。然而，有些靈長(zhǎng)類特異性lncRNAs可能也參與了疾病過(guò)程。與small ncRNAs相比，lncRNAs表現(xiàn)出更加多樣的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的功能，因此這一領(lǐng)域也需要更多的研究。lncRNAs可以通過(guò)cis或trans的方式發(fā)揮功能，這意味著它們既可以調(diào)控自己轉(zhuǎn)錄的鄰近區(qū)域（cis），也可以控制遠(yuǎn)端基因組或細(xì)胞定位區(qū)域的基因表達(dá)（trans）。lncRNAs也被證明能夠在不同水平上影響基因表達(dá)，包括表觀遺傳水平、轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平。多種lncRNAs能夠介導(dǎo)其他調(diào)控作用的核酸分子（如mRNAs、miRNAs、DNA）或蛋白質(zhì)（如染色質(zhì)修飾復(fù)合物，轉(zhuǎn)錄因子，E3連接酶，RNAs結(jié)合蛋白）相互接近，發(fā)揮靈活的分子支架作用（scaffold），維持細(xì)胞活動(dòng)所需的化學(xué)相互作用。就lncRNAs直接與蛋白復(fù)合物結(jié)合的功能而言，最具特征的機(jī)制之一是引導(dǎo)染色質(zhì)修飾復(fù)合物靶向基因啟動(dòng)子，從而影響轉(zhuǎn)錄抑制/激活（Guide）。lncRNAs也常與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，對(duì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄程序具有廣泛的下游影響。除了蛋白質(zhì)外，lncRNAs還可以直接與核酸結(jié)合，介導(dǎo)其分子作用機(jī)制（signal）。另一種常見(jiàn)的機(jī)制為lncRNAs作為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源性RNA (ceRNA)或miRNA的“海綿”（decoy）。這幾種作用機(jī)制的圖示如圖2所示（Chen, Wang, Zhang & Chen, 2014）：在癌癥研究中，lncRNAs的功能與miRNAs類似，也包括促癌、抑癌和由細(xì)胞背景決定的作用三種。例如，HOTAIR是研究最深入的致癌lncRNAs之一，通過(guò)靶向PRC2和LSD1/CoREST/REST控制基因抑制，其過(guò)表達(dá)與乳腺癌和其他幾種癌癥的不良預(yù)后有關(guān)。MEG3則是典型的腫瘤抑制lncRNAs之一，除了調(diào)節(jié)TGF-β通路外，MEG3還下調(diào)MDM2的表達(dá)，增加p53蛋白水平。NKILA是一種細(xì)胞背景決定的lncRNAs，在過(guò)表達(dá)NKILA人乳腺癌細(xì)胞系的小鼠異種移植模型中，NKILA發(fā)揮抑癌作用。然而，最近也有研究表明，高表達(dá)NKILA可通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞和Th1細(xì)胞死亡，促進(jìn)腫瘤免疫逃避，促進(jìn)癌癥發(fā)展。此外，還有兩種lncRNAs的特例也受到廣泛關(guān)注——假基因（pseudogenes）和環(huán)狀RNAs（circular RNAs, circRNAs）。假基因是lncRNAs轉(zhuǎn)錄本的一個(gè)亞類，其序列與編碼基因相似，但已失活，不再產(chǎn)生功能蛋白。RNA-seq研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)基因組中有數(shù)千個(gè)假基因轉(zhuǎn)錄本，其中許多假基因在特定癌癥類型中表達(dá)。假基因的一種功能是充當(dāng)誘餌，例如，在大小和結(jié)構(gòu)上與編碼基因PTEN基本相同的假基因PTENP1可以作為一種誘餌誘騙靶向PTEN的miRNAs，防止PTEN的表達(dá)被抑制。CircRNAs可以通過(guò)與lncRNAs相似的機(jī)制發(fā)揮促癌或抑癌功能，且顯然circRNAs更加穩(wěn)定，因而具有更好的臨床應(yīng)用前景。ncRNAs在腫瘤診斷方面的臨床試驗(yàn)
表1：ncRNAs在腫瘤診斷方面的臨床試驗(yàn)ncRNAs在腫瘤治療方面的臨床試驗(yàn)
表 2：ncRNAs在腫瘤治療方面的臨床試驗(yàn)對(duì)ncRNAs研究領(lǐng)域的展望
目前對(duì)于腫瘤的檢測(cè)指標(biāo)依然以組織活檢為金標(biāo)準(zhǔn)。而如果ncRNAs的診斷能夠有效應(yīng)用于臨床，那么基于ncRNAs的血液或尿液檢查能夠使腫瘤患者免遭侵入性探查的痛苦。此外，這種方便快捷的檢測(cè)方法能夠進(jìn)一步在體檢中普及，有利于盡早發(fā)現(xiàn)腫瘤并進(jìn)行針對(duì)性治療。近期，在深圳舉辦的“第六屆羅氏診斷全國(guó)腫瘤高峰論壇”上，沈陽(yáng)市肺癌診治中心、沈陽(yáng)市胸科醫(yī)院腫瘤內(nèi)科主任李茵茵就基于檢測(cè)循環(huán)腫瘤DNA（ctDNA）、循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）和外泌體（Exosome）的液態(tài)活檢在肺癌中的臨床應(yīng)用進(jìn)行了分享。她指出：“液態(tài)活檢已成為組織活檢的有力補(bǔ)充。在部分應(yīng)用場(chǎng)景中，液態(tài)活檢相比組織活檢具有更大的優(yōu)勢(shì)，有助于進(jìn)一步提高肺癌的精準(zhǔn)診斷和個(gè)體化治療水平?！?/span>
雖然ncRNAs在腫瘤診斷和治療方面的應(yīng)用仍然處于早期階段，但隨著越來(lái)越多的機(jī)制被探明，我們有理由相信ncRNAs診斷和治療有望應(yīng)用于臨床。參考文獻(xiàn)：
[1] He, L. , & Hannon, G. J. . (2004). Micrornas: small rnas with a big role in gene regulation. Nature Reviews Genetics, 5(7), 522-531.
[2] Chen, J. , Wang, R. , Zhang, K. , & Chen, L. B. . (2014). Long non-coding rnas in non-small cell lung cancer as biomarkers and therapeutic targets. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 18(12), 2425-2436.
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