嚴　靜(綜述)，劉學波，李紀明(審校)

(同濟大學附屬東方醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200120)

長鏈非編碼RNA在心臟疾病中的研究進展

嚴靜△(綜述)，劉學波，李紀明※(審校)

(同濟大學附屬東方醫(yī)院心內(nèi)科，上海 200120)

人類基因組的測序表明，在人類基因中只有不到2%的RNA編碼蛋白質(zhì)，其余均為非編碼RNA[1]。非編碼RNA又根據(jù)核苷酸長度分為短鏈/非編碼微RNA(microRNA,miRNA)和長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)；核苷酸長度<200 nt的為miRNA，核苷酸長度>200 nt的為lncRNA[2]。在過去的幾年中，對非編碼RNA的研究主要集中在miRNA上，揭示了其在癌癥、代謝、神經(jīng)元、心血管疾病等方面的重要作用。研究表明，lncRNA參與了X染色體沉默、基因組印跡以及染色質(zhì)修飾、轉(zhuǎn)錄激活、轉(zhuǎn)錄干擾、核內(nèi)運輸?shù)榷喾N重要的調(diào)控過程[3]。非編碼RNA的表達和功能與心血管疾病(如心肌梗死、心臟肥大及冠狀動脈疾病)關(guān)系密切[4-6]。目前研究最多的是miRNA，miRNA表達的失調(diào)在心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮了顯著作用[7]。最近的研究揭示，lncRNA在心臟發(fā)育和疾病中具有潛在的作用?，F(xiàn)就lncRNA在心臟疾病中的研究進展予以綜述。

1lncRNA的特性和功能

目前，lncRNA被定義為核苷酸長度>200 nt并且無蛋白編碼功能的RNA[8]。lncRNA根據(jù)相對于相鄰基因方向及位置的不同可進一步分為正義、反義、雙向、基因內(nèi)、基因間5類[9]。雖然目前大多數(shù)lncRNA的功能尚不清楚，但已經(jīng)明確其參與了許多生物代謝過程。首先，lncRNA能通過多種機制調(diào)節(jié)基因表達，如DNA的表觀遺傳修飾、選擇性剪接、轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控和調(diào)控信使RNA的穩(wěn)定性和翻譯[10-12]。鑒于lncRNA 在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的作用，其在細胞增殖、凋亡等多種活動中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[13-14]。lncRNA現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)能調(diào)節(jié)蛋白編碼基因的表達，且能正面或負面控制靶基因的表達；一部分lncRNA通過表觀遺傳機制參與了基因組區(qū)域的順式失活；potassium voltage-gated channel,subfamily Q,member 1 overlapping transcript 1(Kcnq1ot1)是一個調(diào)節(jié)性的非編碼反義RNA，其能在順式印記基因簇中調(diào)節(jié)表觀基因沉默[15]。胚胎組織中的這種lncRNA與鄰近基因相互作用可導致轉(zhuǎn)錄后的基因沉默，近來研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA能在心肌細胞的分化過程中通過順式作用調(diào)節(jié)鄰近基因的表達[16]。研究還發(fā)現(xiàn)，lncRNA不僅有順式調(diào)控作用，也有部分lncRNA能通過反式作用機制調(diào)節(jié)基因的表達，比如AK143260，被稱為“勇敢的心”，它能專門促進核心心血管基因網(wǎng)絡激活[17]。另外，lncRNA還可以作為支架匯集多種蛋白質(zhì)形成核糖核蛋白復合物。Tsai等[18]發(fā)現(xiàn)了一個稱為HOTAIR的lncRNA，它能作為多梳蛋白抑制復合物2和lysine-specific demethylase 1/repressor element-1 silencing transcription factor corepressor/repressor element-1 silencing transcription factor(LSD1/COREST/REST)復合物的支架。lncRNA除了在染色質(zhì)調(diào)控中起作用，還能作為轉(zhuǎn)錄基因和其他調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的分子“誘餌”。例如lncRNA-PANDA，能與轉(zhuǎn)錄基因nuclear transcription factor Y,alpha(NF-YA)相互作用來限制促凋亡基因的表達[19]。另外，lncRNA 也能通過作為miRNA的內(nèi)源性誘餌而發(fā)揮其生物學活性。有研究者指出，在小鼠和成人的成肌細胞中，一個肌肉特異性的lncRNA，稱為linc-MD1，能與2個特異性的miRNAs(miR-133和miR-135)相互作用，通過一個競爭性內(nèi)源性RNA而促進肌肉分化[20]。這些研究表明，lncRNA能在一些分子調(diào)控機制中產(chǎn)生較大的影響。盡管近年來對lncRNA的研究有了很大的進展，但lncRNA的功能還有待進一步研究。

2lncRNA在心臟發(fā)育中的作用

近年來，新一代測序技術(shù)的使用使不同細胞類型在同發(fā)育階段的轉(zhuǎn)錄得以研究。研究發(fā)現(xiàn)，很多l(xiāng)ncRNA是胚胎發(fā)育中必不可少的調(diào)節(jié)子，從控制多能性到譜系專項分化中均發(fā)揮作用[21-23]。例如，X-chromosome inactivation(XCI)與早期胚胎發(fā)育、胚胎干細胞的多能性以及誘導干細胞之間緊密相關(guān)[24]。剔除lncRNA，導致的結(jié)果不是出現(xiàn)胚胎干細胞多能性的喪失，就是上調(diào)譜系定型，表明了lncRNA在調(diào)控胚胎干細胞中起關(guān)鍵性的作用[14]。麻省理工學院、哈佛醫(yī)學院等的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型lncRNA，稱為“勇敢的心”，這是一種在小鼠中發(fā)現(xiàn)的與心臟有關(guān)的lncRNA；研究人員利用多胚胎干細胞差異研究方法發(fā)現(xiàn)，這種RNA對新生中胚層發(fā)育成為心臟至關(guān)重要，并且其也是核心心血管基因網(wǎng)絡激活以及中胚層后蛋白上游功能所必需的元件，而中胚層后蛋白是常見的多能心血管祖細胞的主要調(diào)控因子；此外，這項研究還表明，在心肌細胞分化過程中，“勇敢的心”能與SUZ12相互作用，后者是多梳抑制復合物2的組成部分，這表明“勇敢的心”參與了心臟決定的表觀遺傳調(diào)控；研究人員還證明了“勇敢的心”在維持新生小鼠心肌細胞發(fā)育方面的重要作用[17]。研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA是胚胎發(fā)育中必不可少的調(diào)節(jié)子，研究人員將特異性的出現(xiàn)在心臟和腹側(cè)體壁祖細胞中的一種lncRNA 稱為Fendrr；小鼠下調(diào)Fendrr后，心臟和腹側(cè)體壁會發(fā)生畸形，而這對于胚胎來說是致命的，且這種畸形出現(xiàn)的時間在祖細胞Fendrr下調(diào)的幾天后，而一般轉(zhuǎn)錄因子所導致的畸形會在相應基因失活后迅速出現(xiàn)；研究人員指出，F(xiàn)endrr表達改變與相應畸形出現(xiàn)之間存在時間上的延遲，這可能是lncRNA 的特殊調(diào)控機制造成的，這種lncRNA通過修飾組蛋白的蛋白復合體，對目的基因進行表觀遺傳學調(diào)控[25]。Li等[26]發(fā)現(xiàn)了一個新的反義lncRNA，稱為tie-1AS lncRNA，它是含有免疫球蛋白和表皮生長因子結(jié)構(gòu)域1基因的酪氨酸激酶(tie-1)轉(zhuǎn)錄調(diào)控所需要的；分析了tie-1和tie-1AS lncRNA 在正常胎盤組織和異常血管組織中的比率，發(fā)現(xiàn)它們的比率相反；tie-1AS lncRNA選擇性地與tie-1 mRNA結(jié)合，引起tie-1蛋白的下調(diào)，造成了內(nèi)皮細胞連接處獨有的缺陷；另外，tie-1AS lncRNA的過度表達也會導致內(nèi)皮細胞連接處的缺陷和管腔形成的缺陷。這些結(jié)果表明，lncRNA在血管發(fā)育中起到了潛在的功能調(diào)節(jié)的作用。

3lncRNA在心臟疾病中的作用

3.1lncRNA與冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)的關(guān)系全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死相關(guān)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物lncRNA (lncRNA-myocardial infarction associated transcript，lncRNA-MIAT)中6個單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphisms，SNPs)與心肌梗死有關(guān)，一個SNP(A11741G)可造成1.3倍的MIAT體外轉(zhuǎn)錄；該研究指出，SNP引起的MIAT的表達水平的改變，能影響冠心病的發(fā)生[27]。染色體9p21的變異與冠狀動脈疾病的風險相關(guān)，這個基因組區(qū)域包括了一個lncRNA，是INK4基因座上的反義非編碼RNA，稱為antisense noncoding RNA in the INK4 locus(ANRIL)；ANRIL是一個轉(zhuǎn)錄自INK4b-ARF-INK4a基因簇的長鏈反義非編碼基因，INK4b-ARF-INK4a編碼了3種腫瘤抑制蛋白，即p15INK4b、p14ARF和p16INK4a；ANRIL被發(fā)現(xiàn)在動脈粥樣硬化的組織和細胞中表達，例如冠狀動脈平滑肌細胞、血管內(nèi)皮細胞、人單核源性巨噬細胞及頸動脈和動脈切除段中[28]。ANRIL轉(zhuǎn)錄表達的增加直接與冠狀動脈疾病的嚴重程度相關(guān)[29]。盡管目前ANRIL與冠狀動脈疾病之間病理生理的聯(lián)系尚不清楚，但是，ANRIL與染色體9p21.3上的INK4B-ARF-INK4A基因座的表觀遺傳沉默相關(guān)[30]。ANRIL與p15轉(zhuǎn)錄物及polycomb repressive complex(PRC)綁定，抑制了基因的轉(zhuǎn)錄位點，因此，ANRIL的過度表達與P15表達的改變有可能導致了冠狀動脈疾??；另一個與血管疾病相關(guān)的非編碼RNA為天然反義轉(zhuǎn)錄物，被稱為sONE，其關(guān)鍵的功能是在常氧和缺氧條件對內(nèi)皮一氧化氮合酶的表達進行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控[31-32]。在內(nèi)皮細胞中，sONE的過度表達導致了血管內(nèi)皮功能的障礙，這是動脈粥樣硬化的前奏。因此，探討反義lncRNA sONE在內(nèi)皮一氧化氮合酶轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中的作用有可能為心血管疾病找到潛在的治療靶點。

3.2lncRNA與心力衰竭的關(guān)系Kcnq1是一個編碼鉀通道的基因，在心臟的轉(zhuǎn)錄中依賴lncRNA Kncq1ot1。Kncq1ot1是一個未拼接的約60 kb的lncRNA，它的轉(zhuǎn)錄開始于Kcnq1基因內(nèi)含子10，并沿著宿主基因的相反方向轉(zhuǎn)錄；在小鼠中，一個被截短的Kcnq1ot1的表達可引起Kcnq1表達的增加，因為正常的鉀通道的活性是正常心臟功能所需要的，所以研究指出，Kcnq1ot1介導的Kcnq1的任何改變均可造成心臟功能的異常[33]。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在有主動脈縮窄的小鼠心臟模型中，15個lncRNA調(diào)控心力衰竭的過程，通過建立壓力超負荷，導致代償性肥大，然后引起心力衰竭[34]。

3.3lncRNA與擴張性心肌病的關(guān)系類固醇受體RNA激活子是一種既能編碼類固醇受體RNA激活子蛋白，又具有非編碼轉(zhuǎn)錄功能的多功能基因[35]。目前作為lncRNA的類固醇受體RNA激活子有約20個非編碼轉(zhuǎn)錄本被發(fā)現(xiàn)在肝臟、心臟、骨骼肌中高表達；類固醇受體RNA激活子蛋白能與自身的RNA形成復合物而作為成肌細胞分化的效應器，促進肌肉肌原分化[36]。也有研究發(fā)現(xiàn)，剔除斑馬魚的類固醇受體RNA激活子基因，心室的心肌收縮出現(xiàn)明顯的紊亂，這表明類固醇受體RNA激活子與擴張性心肌病之間可能存在相關(guān)性[37]。

4小結(jié)

lncRNA參與了許多疾病的病理生理過程、影響疾病的發(fā)生發(fā)展。最近，lncRNA在心血管方面的作用已經(jīng)越來越被關(guān)注。盡管人類對lncRNA的研究進展迅速，但由于lncRNA的結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，對于lncRNA在心血管病理生理學中的作用依舊了解甚少。lncRNA參與了細胞等的代謝功能，因此，進一步研究lncRNA在心臟發(fā)育和心臟疾病中的作用，有助于探索心血管疾病治療的新靶點。鑒于lncRNA在心臟疾病領(lǐng)域的巨大潛力，未來研究lncRNA在心血管組織中的表達以及分子機制是很有必要的。

參考文獻

[1]Carninci P,Kasukawa T,Katayama S,etal.The transcriptional landscape of the mammalian genome[J].Science,2005,309(5740):1559-1563.

[2]Rinn JL,Chang HY.Genome regulation by long noncoding RNAs[J].Annu Rev Biochem，2012,81:145-166.

[3]Wutz A,Gribnau J.X inactivation Xplained[J].Curr Opin Genet Dev,2007,17(5):387-393.

[4]Small EM,Olson EN.Pervasive roles of microRNAs in cardiovascular biology[J].Nature,2011,469(7330):336-342.

[5]Fiedler J,Thum T.MicroRNAs in myocardial infarction[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2013,33(2):201-205.

[6]Holdt LM,Teupser D.Recent studies of the human chromosome 9p21 locus,which is associated with atherosclerosis in human populations[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2012,32(2):196-206.

[7]Small EM,Frost RJ,Olson EN.MicroRNAs add a new dimension to cardiovascular disease[J].Circulation,2010,121(8):1022-1032.

[8]Batista PJ,Chang HY.Long noncoding RNAs:cellular address codes in development and disease[J].Cell,2013,152(6):1298-1307.

[9]Ponting CP,Oliver PL,Reik W.Evolution and functions of long noncoding RNAs[J].Cell,2009,136(4):629-641.

[10]Mercer TR,Mattick JS.Structure and function of long noncoding RNAs in epigenetic regulation[J].Nat Struct Mol Biol,2013,20(3):300-307.

[11]Tripathi V,Ellis JD,Shen Z,etal.The nuclear-retained noncoding RNA MALAT1 regulates alternative splicing by modulating SR splicing factor phosphorylation[J].Mol Cell,2010,39(6):925-938.

[12]Yoon JH,Abdelmohsen K,Srikantan S,etal.LincRNA-p21 suppresses target mRNA translation[J].Mol Cell,2012,47(2):648-655.

[13]Hu W,Yuan B,Flygare J,etal.Long noncoding RNA-mediated anti-apoptotic activity in murine erythroid terminal differentiation[J].Genes Dev,2011,25(24):2573-2578.

[14]Guttman M,Donaghey J,Carey BW,etal.LincRNAs act in the circuitry controlling pluripotency and differentiation[J].Nature,2011,477(7364):295-300.

[15]Pandey RR,Mondal T,Mohammad F,etal.Kcnq1ot1 antisense noncoding RNA mediates lineage-specific transcriptional silencing through chromatin-level regulation[J].Mol Cell,2008,32(2):232-246.

[16]Wamstad JA,Alexander JM,Truty RM,etal.Dynamic and coordinated epigenetic regulation of developmental transitions in the cardiac lineage[J].Cell,2012,151(1):206-220.

[17]Klattenhoff CA,Scheuermann JC,Surface LE,etal.Braveheart,a long noncoding RNA required for cardiovascular lineage commitment[J].Cell,2013,152(3):570-583.

[18]Tsai MC,Manor O,Wan Y,etal.Long noncoding RNA as modular scaffold of histone modification complexes[J].Science,2010,329(5992):689-693.

[19]Hung T,Wang Y,Lin MF,etal.Extensive and coordinated transcription of noncoding RNAs within cell-cycle promoters[J].Nat Genet,2011,43(7):621-629.

[20]Cesana M,Cacchiarelli D,Legnini I,etal.A long noncoding RNA controls muscle differentiation by functioning as a competing endogenous RNA[J].Cell,2011,147(2):358-369.

[21]Collins K.Physiological assembly and activity of human telomerase complexes[J].Mech Ageing Dev,2008,129(1/2):91-98.

[22]Lin M,Pedrosa E,Shah A,etal.RNA-Seq of human neurons derived from iPS cells reveals candidate long non-coding RNAs involved in neurogenesis and neuropsychiatric disorders[J].PLoS One,2011,6(9):e23356.

[23]Kung JT,Colognori D,Lee JT.Long noncoding RNAs:past,present,and future[J].Genetics,2013,193(3):651-669.

[24]Deuve JL,Avner P.The coupling of X-chromosome inactivation to pluripotency[J].Annu Rev Cell Dev Biol,2011,27:611-629.

[25]Grote P,Wittler L,Hendrix D,etal.The tissue-specific lncRNA Fendrr is an essential regulator of heart and body wall development in the mouse[J].Dev Cell,2013,24(2):206-214.

[26]Li K,Blum Y,Verma A,etal.A noncoding antisense RNA in tie-1 locus regulates tie-1 function in vivo[J].Blood,2010,115(1):133-139.

[27]Ishii N,Ozaki K,Sato H,etal.Identification of a novel non-coding RNA,MIAT,that confers risk of myocardial infarction[J].J Hum Genet,2006,51(12):1087-1099.

[28]Broadbent HM,Peden JF,Lorkowski S,etal.Susceptibility to coronary artery disease and diabetes is encoded by distinct,tightly linked SNPs in the ANRIL locus on chromosome 9p[J].Hum Mol Genet,2008,17(6):806-814.

[29]Holdt LM,Beutner F,Scholz M,etal.ANRIL expression is associated with atherosclerosis risk at chromosome 9p21[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2010,30(3):620-627.

[30]Yap KL,Li S,Muoz-Cabello AM,etal.Molecular interplay of the noncoding RNA ANRIL and methylated histone H3 lysine 27 by polycomb CBX7 in transcriptional silencing of INK4a[J].Mol Cell,2010,38(5):662-674.

[31]Fish JE,Matouk CC,Yeboah E,etal.Hypoxia-inducible expression of a natural cis-antisense transcript inhibits endothelial nitric-oxide synthase[J].J Biol Chem,2007,282(21):15652-15666.

[32]Robb GB,Carson AR,Tai SC,etal.Post-transcriptional regulation of endothelial nitric-oxide synthase by an overlapping antisense mRNA transcript[J].J Biol Chem,2004,279(36):37982-37996.

[33]Korostowski L,Sedlak N,Engel N.The Kcnq1ot1 long non-coding RNA affects chromatin conformation and expression of Kcnq1,but does not regulate its imprinting in the developing heart[J].PLoS Genet,2012,8(9)：e1002956.

[34]Lee J H,Gao C,Peng G,etal.Analysis of transcriptome complexity through RNA sequencing in normal and failing murine hearts[J].Circ Res,2011,109(12):1332-1341.

[35]Colley SM,Leedman PJ.Steroid Receptor RNA Activator-A nuclear receptor coregulator with multiple partners:insights and challenges[J].Biochimie,2011,93(11):1966-1972.

[36]Caretti G,Schiltz RL,Dilworth FJ,etal.The RNA helicases p68/p72 and the noncoding RNA SRA are coregulators of MyoD and skeletal muscle differentiation[J].Dev Cell,2006,11(4):547-560.

[37]Friedrichs F,Zugck C,Rauch GJ,etal.HBEGF,SRA1,and IK:Three cosegregating genes as determinants of cardiomyopathy[J].Genome Res,2009,19(3):395-403.

摘要：大規(guī)模的哺乳動物轉(zhuǎn)錄分析確定了一類相當數(shù)量的不編碼蛋白質(zhì)的RNA分子，稱為非編碼RNA。長鏈非編碼RNA(lncRNA)是一種核苷酸長度>200 nt的功能性RNA分子，沒有蛋白質(zhì)編碼能力。lncRNA參與調(diào)控機體的生長發(fā)育、細胞凋亡、增殖、分化等，廣泛地參與機體的生理與病理過程，與多種疾病密切相關(guān)。目前l(fā)ncRNA的數(shù)量、功能和作用機制尚不清楚。最近的研究揭示，lncRNA 在心臟發(fā)育和心臟疾病中起著潛在作用。

關(guān)鍵詞：心臟疾病；心臟發(fā)育；長鏈非編碼RNA

Long Non-coding RNA：Research Progress in Cardiac DiseaseYANJing，LIUXue-bo，LIJi-ming.(DepartmentofCardiovascularMedicine，EastHospital，TongjiUniversitySchoolofMedicine，Shanghai200120，China)

Abstract：Large-scale analyses of mammalian transcriptomes have identified a significant number of different RNA molecules that are not translated into protein，called non-coding RNA.Long non-coding RNA (lncRNA) is a functional RNA molecule longer than 200 nt,with little or no protein-coding capacity.They are involved in development,apoptosis,proliferation and differentiation,widely participation in physiological and pathological processes of the body，and closely associated with many diseases.The numbers,functions and mechanisms of lncRNA remain unclear.A recent study reveals lncRNA plays a potential role in cardiac development and diseases.

Key words：Cardiac diseases; Cardiac development； Long non-coding RNA

收稿日期：2014-09-24修回日期：2015-01-12編輯：鄭雪

基金項目：國家自然科學基金青年基金(81100166)；浦東新區(qū)衛(wèi)生系統(tǒng)優(yōu)秀青年醫(yī)學人才培養(yǎng)計劃項目(PWRq2011-01)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.15.002

中圖分類號：R541

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)15-2691-04