劉崗綜述,黃曉紅審校
長鏈非編碼核糖核酸在心臟發(fā)育及心血管疾病中的作用研究進展*
劉崗綜述,黃曉紅審校
長鏈非編碼核糖核酸(long noncoding RNA, lncRNA)是一類長度大于200個核苷酸的非編碼RNA。研究表明lncRNA能以RNA的形式在多種層面上(表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平)調(diào)控基因的表達,參與了細胞凋亡、增殖,發(fā)育等重要生物學過程。近年來,lncRNA在心血管疾病中的作用獲得關(guān)注?,F(xiàn)將lncRNA在心臟發(fā)育及心血管疾病中的作用作一綜述。
長鏈非編碼核糖核酸;心臟發(fā)育;心血管疾病
長鏈非編碼核糖核酸(long nocoding RNA, lncRNA)是一類轉(zhuǎn)錄本長度超過200個核苷酸的RNA分子, 并不具有編碼蛋白的能力,起初被認為是基因轉(zhuǎn)錄的“噪音”[1]。然而,近年的研究表明,lncRNA能以RNA的形式在多種層面上(表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后水平)調(diào)控基因的表達,參與了劑量補償效應、基因組印記、細胞發(fā)育分化等重要生物學過程。目前越來越多的研究揭示了lncRNA在心臟發(fā)育和心血管疾病中發(fā)揮了重要作用,本文就對lncRNA的功能以及在心臟發(fā)育和心血管疾病中的作用作一綜述。
1. 1長鏈非編碼核糖核酸與表觀遺傳調(diào)控
基因組印記以及劑量補償效應是表觀遺傳學的兩個重要內(nèi)容。哺乳動物為二倍體生物,每個基因都是雙拷貝,一些基因的表達取決于來自父本還是母本,這種現(xiàn)象稱為基因組印記,而劑量補償效應表現(xiàn)為雌性個體細胞同型配子(XX) 中1 條染色體失活,其上等位基因完全沉默。研究證明lncRNA可與染色質(zhì)修飾復合物結(jié)合引起特異性的組蛋白修飾模式,激活或抑制轉(zhuǎn)錄,在基因組印記和劑量補償效應中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。例如在胰島素樣生長因子-2受體印記區(qū),由父方印記控制區(qū)轉(zhuǎn)錄而來的lncRNA Airn可與組蛋白修飾酶G9a結(jié)合,通過順式作用關(guān)閉2個父源性印記基因—Slc22a2和Slc22a3的表達[2]。X 染色體失活特異轉(zhuǎn)錄因子(Xist)是另一種被人們所熟知的lncRNA,它在X染色體失活中具有重要作用。在雌性哺乳動物中,X失活中心是控制其中一條X染色體沉默的重要區(qū)域。Xist基因編碼一種稱為重復A的lncRNA,它可與多梳抑制復合體2(PRC2)結(jié)合形成復合體,并移動至X失活中心區(qū),然后大量激活Xist的轉(zhuǎn)錄[3]。隨著Xist與轉(zhuǎn)錄因子YY1結(jié)合并定位覆蓋在X染色體上,引起廣泛的組蛋白被甲基化,最終導致X染色體失活[4]。
1. 2長鏈非編碼核糖核酸與轉(zhuǎn)錄調(diào)控
lncRNA能夠通過多種機制在轉(zhuǎn)錄水平實現(xiàn)對基因表達的調(diào)控,表現(xiàn)如下:① lncRNA的轉(zhuǎn)錄能夠干擾臨近基因的表達。例如,酵母的SER3基因會受到其上游lncRNA SRG1的轉(zhuǎn)錄的干擾[5]; ② lncRNA能夠通過封阻啟動子區(qū)域來干擾基因的表達。例如,二氫葉酸還原酶基因上游的一個lncRNA能夠和其啟動子區(qū)域形成RNADNA3螺旋結(jié)構(gòu),阻止轉(zhuǎn)錄因子TFIID的結(jié)合,從而抑制二氫葉酸還原酶的表達[6];③lncRNA能夠與RNA結(jié)合蛋白作用,并將其定位到基因啟動子區(qū)從而調(diào)控基因的表達。例如,細胞周期蛋白D1啟動子上游一個lncRNA能夠調(diào)節(jié)RNA結(jié)合蛋白TLs的活性,進而調(diào)控細胞周期蛋白D1的表達[7];④ lncRNA還能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性,例如lncRNA Evf2能夠與轉(zhuǎn)錄因子Dlx2形成轉(zhuǎn)錄復合體從而激活Dlx6的表達[8]。
1. 3長鏈非編碼核糖核酸與轉(zhuǎn)錄后調(diào)控
lncRNA通過與mRNA形成雙鏈復合物,以掩蓋mRNA的主要順式作用元件,從而在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達。例如,轉(zhuǎn)錄因子Zeb2的表達依賴于內(nèi)部核糖體進入位點的剪切[9],后者包含有一個內(nèi)含子的5’端剪切位點,lncRNA Zeb2能夠和該內(nèi)含子剪切位點形成雙鏈,從而抑制該內(nèi)含子的剪切,提高Zeb2 蛋白產(chǎn)量。
2. 1長鏈非編碼核糖核酸與心臟發(fā)育
非編碼RNA Bvht是長度為590個核苷酸的lncRNA,其基因含3個外顯子,保守性較差。研究發(fā)現(xiàn)[10]Bvht在胚胎干細胞中就已開始表達,而在成年小鼠心臟中也觀察到Bvht的大量存在,提示Bvht可能參與了心肌細胞分化
過程。隨后證實在胚胎干細胞中敲除Bvht后, 其分化為具有搏動能力的心肌細胞數(shù)量明顯減少,并且心肌細胞標記物—肌鈣蛋白T水平亦明顯降低,而Bvht的缺失并不影響向其它組織分化的能力,表明Bvht能特異性地調(diào)控胚胎干細胞定向分化為心肌細胞。其機制是Bvht可以上調(diào)一些在心肌分化中起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子包括MesP1及其下游調(diào)控因子(Gata4, Gata6, Hand1, Hand2, Tbx2, Nkx2. 5)的表達水平,從而使胚胎干細胞具有向心肌細胞分化的能力。和多數(shù)lncRNA一樣[11],Bvht可能通過與染色質(zhì)修飾復合物結(jié)合發(fā)揮調(diào)控作用。眾多的轉(zhuǎn)錄因子如MesP1都是PRC2的作用靶點[12],而Bvht與PRC2的核心組分—SUZ12蛋白結(jié)合通過分子誘捕作用消除PRC2對這些靶基因的組蛋白修飾作用而保持激活狀態(tài)[10]。然而,我們?nèi)孕鑿慕M織水平上進一步闡明Bvht在心臟發(fā)育中的調(diào)控作用。
非編碼RNA Fendrr是小鼠側(cè)板中胚層特異表達的一種lncRNA[13],其基因含有7個外顯子。體內(nèi)研究表明敲出小鼠胚胎Fendrr后可引起心臟組織中的心肌細胞數(shù)量明顯減少,表現(xiàn)為心室壁變薄,心室收縮功能嚴重下降,最終導致胚胎死亡。值得注意的是,在Fendrr缺失時,細胞凋亡并未增加,提示心肌細胞數(shù)目的減少可能是由于側(cè)板中胚層向心肌細胞分化受阻所致。進一步研究發(fā)現(xiàn)Fendrr可直接與一些心肌細胞分化關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子(Foxf1, Irx3, Pitx2)的啟動子區(qū)結(jié)合并招募PRC2蛋白引起組蛋白H3賴氨酸27三甲基化水平增高而抑制這些基因的表達。與之相反,F(xiàn)endrr還能通過其它機制增加一些轉(zhuǎn)錄因子(Nkx2. 5, Gata6)的啟動子區(qū)組蛋白H3賴氨酸4三甲基化水平增加而激活轉(zhuǎn)錄。因此,我們相信Fendrr在心臟發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡中可能起著正負調(diào)控作用,協(xié)調(diào)(激活或抑制)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達,從而使心肌細胞分化有序進行。
2. 2長鏈非編碼核糖核酸與冠心病
染色體9p21區(qū)域是與冠心病患病風險密切相關(guān)的一個易感位點,在該區(qū)域上,其唯一的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是lncRNA ANRIL。ANRIL 是一個可變剪接的RNA分子,可產(chǎn)生多個不同的轉(zhuǎn)錄本。研究表明[14]9p21區(qū)域上的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms, SNPs)與ANRIL尤其是短的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物(EU741058, DQ485454)表達水平密切相關(guān)。在冠心病患者中[15],短轉(zhuǎn)錄本還與動脈粥樣斑塊負荷的嚴重程度密切相關(guān)。干擾血管平滑肌細胞中不同的ANRIL轉(zhuǎn)錄本后發(fā)現(xiàn)[16]與調(diào)節(jié)細胞增生、凋亡、外基質(zhì)重塑以及炎癥反應有關(guān)的基因表達水平是不同的,提示不同的轉(zhuǎn)錄本可能在血管重塑中起著不同的調(diào)控作用。此外,在9p21變異人群還檢測到一些具有非線性(環(huán)形)結(jié)構(gòu)的ANRIL轉(zhuǎn)錄本[17]。
腫瘤抑制因子P15INK4b和P15INK4a通過抑制細胞周期蛋白依賴性激酶4阻礙血管平滑肌細胞由G期進入S期,從而抑制血管重塑,延遲動脈粥樣硬化的形成。攜帶9p21易感位點的人群中,其血管平滑肌細胞中P15INK4b和P15INK4a的表達水平明顯下降,且血管重塑明顯[18],而干擾ANRIL后[19],兩者表達水平明顯增加。研究表明ANRIL可通過表觀遺傳作用抑制P15INK4b和P15INK4a基因的表達 。 ANRIL與PRC2蛋白復合體成分SUZ12蛋白結(jié)合[20],將其招募至P15INK4b基因區(qū),抑制P15INK4b的表達。此外,ANRIL還能與多梳抑制復合體1中的重要成員-CBX7蛋白結(jié)合[21],誘導P15INK4a基因沉默。因此,我們推測在9p21區(qū)域的SNPs可能通過影響ANRIL的剪接,引起不同轉(zhuǎn)錄本表達水平及結(jié)構(gòu)的變化,通過表觀遺傳作用降低具有抗動脈粥樣硬化作用的P15INK4b和P15INK4a的表達,增加對冠心病的易感性。將來ANRIL可能成為冠心病的新的基因標記物,其不同轉(zhuǎn)錄本在全血中表達水平的改變,可能有助于疾病嚴重程度的監(jiān)測以及預后評估。
此外,通過全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)[22]lncRNA MIAT轉(zhuǎn)錄區(qū)多個SNPs與心肌梗死易感性相關(guān)。MIAT主要存在于特殊的核小體中,與剪接因子 SF1有高度的親和力,可能在轉(zhuǎn)錄后水平(剪接)調(diào)節(jié)基因表達[23],但MIAT在心梗的作用機制仍不明確。
2. 3長鏈非編碼核糖核酸與心肌病
擴張型心肌病以左心室或雙心室擴張并伴收縮功能受損為特征,是致死性心力衰竭的常見病因。在三個獨立人群中,通過全基因組關(guān)聯(lián)研究證實[24]在轉(zhuǎn)錄非編碼RNA SRA1的基因區(qū)的變異是擴張型心肌病的一個易感位點;在斑馬魚中,敲除lncRNA SRA1可明顯降低心室的收縮功能,但其在心肌收縮功能的調(diào)節(jié)作用機制仍需進一步闡明。
肥厚性心肌病以室間隔不勻稱肥厚為特征,是誘發(fā)惡性心律失常引起心源性猝死的常見病因?;疾★L險與α-和β 肌球蛋白重鏈(MYH6, MYH7)基因變異密切相關(guān)[25]。許多l(xiāng)ncRNA能以天然反義RNA 的形式通過順式作用調(diào)控基因的表達,MYH7的表達即受其反義RNA的調(diào)控[26]。MYH7反義RNA與MYH7基因部分重合并延伸至MYH7啟動子區(qū),通過轉(zhuǎn)錄干擾這一機制阻止轉(zhuǎn)錄起始復合物(RNA聚合酶Ⅱ)的延伸,抑制轉(zhuǎn)錄,而MYH6的表達不受影響。因此,在病理因素或基因突變下,反義RNA的異常表達可能導致MYH6和MYH7兩者的表達水平比例失衡,從而影響心肌的收縮性能,最終導致病理性心肌肥厚。
2. 4長鏈非編碼核糖核酸與肥胖
肥胖是心血管疾病的一個重要危險因素,了解脂肪細胞的形成機制是我們控制肥胖發(fā)生的關(guān)鍵,而lncRNA可能在脂肪細胞的形成過程中發(fā)揮了重要作用。運用高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)[27]在前脂肪細胞與成熟的脂肪細胞中相比有將近上百個lncRNA的差異表達,并且在前脂肪細胞中高度表達的一些lncRNA基因啟動子區(qū)具有脂肪細胞形成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PPARγ的結(jié)合位點。在對這些lncRNA進行干擾后,發(fā)現(xiàn)前脂肪細胞向成熟脂肪細胞分化過程明顯受阻,表現(xiàn)為脂肪的聚集明顯降低以及成熟標記物表達水平下降。此外,成熟脂肪細胞與前脂肪細胞的蛋白表達譜差異也消失了。以上研究有力地證明了lncRNA可能是脂肪細胞形成及成熟的關(guān)鍵調(diào)控因子。
目前已越來越清楚的知道lncRNA的許多分子功能,如調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄模式、調(diào)控蛋白活性,作為小RNA的前
體和改變RNA的穩(wěn)定性、維持細胞結(jié)構(gòu)和保持其有序性等。但目前面臨的主要問題是,lncRNA的分子功能是如何影響有機體即影響疾病發(fā)生與發(fā)展的,這就涉及到對lncRNA立體的、多層次的調(diào)控模式的研究,為研究者提出了一個從未涉足的調(diào)控領(lǐng)域。lncRNA在心血管領(lǐng)域的研究也剛剛開始,但其意義的挖掘潛力巨大,隨著其在心臟發(fā)育及心血管疾病中作用機制的闡明,相信不久將來會成為新的靶標和治療策略。
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2014-01-07)
(助理編輯:曹洪紅)
國家自然科學基金(基金編號:81241007)
100037 北京市,北京協(xié)和醫(yī)學院 中國醫(yī)學科學院 心血管病研究所 阜外心血管病醫(yī)院 特需醫(yī)療診治中心
劉崗 博士研究生 主要從事心血管病研究 Email:liugang327@126. com 通訊作者:黃曉紅 Email:huangxhong12@gmail. com
R541
A
1000-3614(2014)04-0312-03
10. 3969/j. issn. 1000-3614. 2014. 04. 020