胡毅 成仕明 譚云
近些年來,骨關節(jié)疾病的發(fā)病率有明顯升高趨勢,且發(fā)病人群呈現(xiàn)年輕化的趨勢,骨關節(jié)疾病的主要表現(xiàn)為關節(jié)疼痛,隨著時間延長關節(jié)損傷逐漸加重,關節(jié)的反復疼痛讓患者受到極大的折磨[1]。骨關節(jié)疾病的致殘率較高,許多患者因關節(jié)疾病而失去行動自由,傳統(tǒng)的治療骨關節(jié)疾病診療手段不能在根本上解除患者疼痛,許多患者最終選擇采用關節(jié)置換術來提高生活質(zhì)量[2]。隨著分子生物學技術的不斷發(fā)展,研究者在對骨關節(jié)疾病的診療方面也有重大突變,這給骨關節(jié)疾病患者帶來了福音。以往對基因功能研究更多的在編碼基因方面,對非編碼的基因關注度很低,隨著生物技術發(fā)展,已經(jīng)完成可了多個基因組計劃,并且使用深度測序技術,多個研究者發(fā)現(xiàn),有超過80%的基因組可被轉(zhuǎn)錄為RNA,有62%的基因組也發(fā)生轉(zhuǎn)錄,但轉(zhuǎn)錄為非編碼RNA(ncRNA),這些ncRNA并不是大家所公認的“副產(chǎn)品”或者是“暗物質(zhì)”,它的作用廣泛,可介導、調(diào)控或參與多種疾病的發(fā)生及發(fā)展進程[3]。依照非編碼RNA長度可分為>200核苷酸的lncRNAs及≤200核苷酸的短鏈非編碼RNA,≤200的RNA多為microRNA,近些年來,microRNA在多種疾病中的研究較多,大量研究表明,microRNA參與OA、RA、系統(tǒng)性硬化癥、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等[4,5]。目前對lncRNAs的研究有限。lncRNAs的發(fā)現(xiàn)是多組學領域的一個重要的研究進展。研究顯示,lncRNAs可從轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平及染色質(zhì)重塑等多個層面上調(diào)控基因表達[6]。大量研究也證實,lncRNAs表達紊亂及調(diào)節(jié)失調(diào)可引起免疫功能失調(diào)、腫瘤及神經(jīng)功能失調(diào)等多種疾病的發(fā)生[7]。近年來的研究證實,表觀遺傳學在OA、RA、骨腫瘤等骨和關節(jié)疾病發(fā)生發(fā)展中有重要作用[8]。多項研究表明lncRNA在骨關節(jié)疾病中的表達水平發(fā)生改變,但僅有少量的lncRNA功能被驗證[9]。這部分前人的研究成果解釋了lncRNA在骨關節(jié)疾病中的一些分子機制及重要功能,為今后lncRNA的研究提供了重要的線索。本文就lncRNA的生物學功能及在一些骨關節(jié)疾病中的相關研究作一綜述。
lncRNA是一類缺少可讀性及蛋白功能的RNA,存在帶多聚腺苷酸(polyA)尾及不帶多聚腺苷酸尾兩種形式,常常顯現(xiàn)出二級莖環(huán)樣結構或三級結構,是一類具有保守性的ncRNA[10]。由于lncRNA數(shù)量龐大、種類繁多,遠超過編碼疾病,因而目前對lncRNA尚沒有規(guī)范的分類方法,依據(jù)編碼基因和lncRNA在基因組中所處的位置,可將lncRNA分為正義lncRNA、反義lncRNA、雙向lncRNA、基因間lncRNA及內(nèi)含子lncRNA。依據(jù)lncRNA的作用形式可將lncRNA分為順式lncRNA和反式lncRNA[11]。
隨著對lncRNA研究的深入,研究者發(fā)現(xiàn),lncRNA比mRNA的表達譜有更加特異性,在不同的發(fā)病階段及所用的細胞和組織不同,所檢測的lncRNA表達可能會有所不同。同時lncRNA和mRNA間的表達譜也有相關性,以上的研究提示,在基因的表達網(wǎng)絡中,lncRNA可能是一類共調(diào)控基因[12,13]。許多l(xiāng)ncRNA的亞細胞定位有特異性,如XIST位于失活的X染色體上、GAS5位于細胞質(zhì)[14]。
lncRNAs可從多個水平調(diào)控基因表達,具有作用機制有以下幾個方面:直接與轉(zhuǎn)錄因子結合或協(xié)同作用,在轉(zhuǎn)錄水平影響靶基因表達,還可誘導基因活化加速,促發(fā)細胞轉(zhuǎn)錄程序,從而使轉(zhuǎn)錄進程加快[15];可在翻譯水平參與多聚核糖體形成的調(diào)節(jié),還可與真核生物翻譯其實因子相結合[16];可參與染色質(zhì)表觀修飾,通過對組蛋白乙?;揎椉叭旧|(zhì)甲基化水平改變,從而調(diào)控靶基因表達[17];可參與包括蛋白質(zhì)泛素化修飾等翻譯后水平的調(diào)控[18];可參與降解mRNA及mRNA選擇性剪接等轉(zhuǎn)錄后修飾[19]。
趨化因子、氧化應激和代謝、生長因子等在OA發(fā)展進程中已經(jīng)有大量的研究,但到目前為止,仍沒有一種能降低OA發(fā)生的有效方法。近年來,多項研究表明,lncRNA的表觀遺傳修飾在OA發(fā)展過程中有關鍵的作用。如Zhang等[20]研究顯示,lncRNA-UFC1在 OA患者中表達明顯降低,功能分析表明,UFC1對軟骨細胞有促增殖和抑凋亡作用,此外,UFC1通過調(diào)節(jié)mir-34a的影響OA軟骨細胞的存活,提示UFC1可能是OA診療的一個的潛在靶基因。Wang等[21]研究顯示,OA軟骨中l(wèi)ncRNA-UCA1上調(diào)表達,UCA1過表達可抑制軟骨細胞中mir-204-5p表達,mir-204-5p在OA軟骨中表達下調(diào),mir-204-5p的表達與UCA1表達呈現(xiàn)負相關,過表達UCA1可促進軟骨細胞增殖,抑制Ⅱ型膠原和Ⅳ型膠原表達,而過表達mir-204-5p則抑制軟骨細胞的增殖,促進Ⅱ型膠原和Ⅳ型膠原表達,提示過表達UCA1可通過抑制mir-204-5p表達來調(diào)節(jié)軟骨細胞的增殖和膠原的表達。以上前人的研究提示lncRNA的表觀遺傳干預能力,可有望研制出有效的骨關節(jié)疾病靶向治療藥物。
lncRNA在多種疾病發(fā)生發(fā)展過程中有重要作用,但目前在OA中的發(fā)病機制尚未完全明確。在OA軟骨組織中l(wèi)ncRNA表達不一,有些lncRNA呈現(xiàn)高表達,有些lncRNA呈現(xiàn)低表達,均可通過不同的調(diào)節(jié)途徑影響OA進程。Fu等[22]采用高通量基因芯片技術研究膝關節(jié)OA軟骨組織中l(wèi)ncRNA表達譜的變化,發(fā)現(xiàn)上調(diào)的lncRNA有3 007種,下調(diào)的lncRNA有1 707種。Xing等[23]研究者也得出了同樣的結論。
2.1 H19印記基因 H19是一個位于染色體11p15.5上的2300bp長的呈現(xiàn)出父系印跡的lncRNA,在早期胚胎期中被發(fā)現(xiàn),并呈現(xiàn)出高水平的表達,出生后表達量逐漸降低[24]。在多種腫瘤研究中發(fā)現(xiàn),H19異常表達可影響腫瘤細胞生長,如王玨等[25]研究顯示,H19在胰腺癌細胞高表達,通過RNA干擾技術抑制其表達,發(fā)現(xiàn)抑制H19表達的胰腺癌細胞克隆形成數(shù)、細胞侵襲及轉(zhuǎn)移能力明顯提高;吳海權等[26]研究顯示,H19在人多形性膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)中呈現(xiàn)高表達,過表達H19可增強GBM增殖、侵襲和遷移能力,加速細胞周期S期進程,并抑制細胞凋亡,從而促進GBM的致癌性。一些研究也表明H19在OA軟骨組織中上調(diào)表達,在TNF-α及IL-1β刺激下H19在軟骨中的表達被抑制[23]。以上研究提示H19與OA軟骨細胞代謝間存在密切相關,可作為一個反映軟骨細胞代謝水平的標志物。
2.2 MEG3母系表達基因3(MEG3) MEG3是一個印記基因,在人類染色體上定位于14q32.3,是一個常見的lncRNA,具有腫瘤抑制作用,可編碼一段大小約為1.6kb的lncRNA,廣泛表達在正常組織中,而在腫瘤中出現(xiàn)明顯的表達缺失,可通過抑制多種腫瘤血管形成,從而達到抑癌的效應[27]。有研究表明,MEG3骨關節(jié)疾病發(fā)生發(fā)展有關。劉振峰等[28]研究顯示,lncRNA MEG3在OA軟骨組織中的表達明顯低于在正常軟骨組織表達,且隨著軟骨退化程度加大,lncRNA MEG3表達量降低,OA軟骨組織中VEGF的mRNA及蛋白表達均顯著高于在正常軟骨組織表達,VEGF的表達可隨著軟骨退化程度加大而有明顯增加,lncRNA MEG3和VEGF間的表達有負相關,提示lncRNA MEG可能通過對血管生成的調(diào)控,進而影響原發(fā)性OA發(fā)展進程。
2.3 lncRNA-CIR Liu等[29]通過高通量芯片分析OA軟骨細胞中差異表達的lncRNA,發(fā)現(xiàn)有152中l(wèi)ncRNA表達水平改變,發(fā)現(xiàn)lncRNA-CIR有異常表達,而lncRNA-CIR表達的變化與軟骨損傷有關,使用TNF-α及IL-1β處理后的軟骨細胞中l(wèi)ncRNA-CIR 表達升高,而抑制lncRNA-CIR的表達后,可促進蛋白聚糖及膠原形成,并能抑制MMP13和ADAMT55等細胞外基質(zhì)降解酶表達,過表達lncRNA-CIR與之相反。Lu等[30]研究顯示,在OA患者中,lncRNA-CIR顯著上調(diào)表達,mir-130a下調(diào)表達和bim上調(diào)表達。生物信息學分析預測mir-130a是lncRNA-CIR和bim的靶基因,敲除lncRNA-CIR可明顯增加bim的表達,mir-130a顯著抑制了bim表達,同時細胞活性氧水平、炎性介質(zhì)釋放、細胞凋亡和相對熒光素酶活性均明顯增加。Li等[31]研究顯示,lncRNA-CIR在OA患者中顯著上調(diào)表達,同時下調(diào)mir-27和上調(diào)MMP13表達。生物信息學分析預測,mir-27是lncRNA-CIR和MMP13的靶點,lncRNA-CIR過表達可明顯增加MMP13表達,而mir-27則顯著抑制了mmp13的表達,同時mRNA水平、蛋白質(zhì)水平和相對熒光素酶活性的增加。提示lncRNA-CIR可能是OA診療的一個重要靶點。
2.4 生長停滯特異性轉(zhuǎn)錄本4(growth arrest-specific 5,GAS5) GAS5是一種可負性調(diào)節(jié)細胞生長的lncRNA分子,與糖皮質(zhì)激素受體反應元素(GRE)有相似的結構,可與其競爭結合糖皮質(zhì)激素受體,或抑制GRE下游基因,如凋亡相關的cIAP2表達,從而誘導細胞的凋亡[32]。在細胞缺乏生長因子及營養(yǎng)時,GAS5上調(diào)表達,當細胞處于饑餓狀態(tài)時,GAS5可調(diào)節(jié)GRE的活性,進而影響細胞生長及代謝[33]。Song等[34]研究顯示,GAS5在OA軟骨細胞中有明顯的上調(diào)表達,其高表達可促進金屬蛋白酶及蛋白聚糖酶ADAMTS-4表達,還可促進軟骨細胞凋亡及抑制自噬途徑,從而引起關節(jié)損傷。
RA是一種慢性系統(tǒng)性自身免疫性疾病,以關節(jié)病變?yōu)橹饕卣?,病理表現(xiàn)為間質(zhì)有大量炎細胞浸潤、軟骨和骨組織的破壞、滑膜細胞持續(xù)增生等,其中慢性炎癥及滑膜關節(jié)的破壞是RA的主要主要的病理改變[35]。有研究表明,lncRNA參與自身免疫性疾病的調(diào)節(jié)[36]。有研究者通過對人血清及血單核細胞外泌體實驗分析,發(fā)現(xiàn)TUG1、LUST、SNHG4、MEG9等lncRNA在RA患者中的表達高于正常者,PRINS、PR反轉(zhuǎn)錄體、HOXA3as等lncRNA明顯下調(diào)表達[37]。多項研究也表明,lncRNA異常表達與RA發(fā)生發(fā)展密切相關。洪宏海等[38]研究顯示,RA患者滑膜組織中MT1JP的表達水平相對于正常組織降低,其表達水平的變化與血清中IL-6和IL-8等炎性因子水平呈現(xiàn)出負相關,MT1JP表達被抑制后,細胞中的這這些因子的分泌量增加,且p53表達受到抑制,提示MT1JP可能通過對p53表達的調(diào)控,進而促進炎性反應。Yang等[39]研究顯示,紫草素可降低RA小鼠軟組織和骨骼損傷,可顯著增強NR024118和SOCS3的表達,抑制IL-6、IL-8和MMPS的分泌和表達,且可減弱IL-1β對RA滑膜成纖維細胞的增殖影響,此外,紫草素可增加NR024118啟動子處的乙?;?,過表達NR024118或干擾NR024118表達均可改變SOCS3的表達,干擾NR024118表達后,可逆轉(zhuǎn)紫草素對MH7A細胞促炎因子、SOCS3和MMPS水平影響。對于RA的治療,一直以來都是醫(yī)學界的一個很大的難題,且對RA的治療也無明顯的的進展。以上研究提示在RA中l(wèi)ncRNA存在異常表達,這些研究可為免疫相關疾病的研究奠定了一定的基礎,提示這些lncRNA可能是RA診療的標志基因。
OP是由于骨的形成與吸收不平衡,引起單位結構內(nèi)骨量下降及骨的微結構被破壞,在參與OP代謝失衡動態(tài)平衡過程中,主要涉及到成骨細胞和破骨細胞等的分化調(diào)節(jié),同時與骨代謝相關的信號途徑也發(fā)揮了重要的作用[40]。隨著中國OP患者年齡的逐漸增長,在該病的診斷及治療上要有突破和創(chuàng)新,近些年來,基因在OP中的作用受到廣泛關注。lncRNA在OP中的作用也有相關的報道。高艷等[41]研究顯示,BMP-2誘導C2C12成骨分化過程中,LncRNA AK051397在BMP-2誘導C2C12成骨分化中的表達升高,AK051397表達被抑制后,ALP、SP7表達降低,MYOG表達升高,提示在C2C12細胞中,LncRNAAK051397對成骨的分化有促進作用,對細胞成肌分化有抑制作用。BMPs是TGF-β家族成員之一,有多種亞型,BMPs/TGF-β信號途徑可通過Smad信號通路和p38信號通路調(diào)控BMMSc內(nèi)Runx2基因表達,可調(diào)控BMMSc向成骨細胞分化,也可對成骨細胞分化和功能進行調(diào)節(jié),進而在OP平衡中發(fā)揮重要作用[42,43]。Wei等[44]研究顯示,lncRNA HOTAIR可通過BMPs/TGF-β信號通路,調(diào)節(jié)miR-17-5p及靶基因Smad7表達,從而調(diào)節(jié)成骨細胞的增殖和分化。Zhang等[45]研究分析在BMMSc分化為成骨及破骨細胞過程中,lncRNA 表達譜及功能的變化,發(fā)現(xiàn)lncRNA xr-111050可通過調(diào)控MAPK信號途徑,調(diào)節(jié)BMMSc向成骨細胞或破骨細胞分化,可能成為骨再生及骨修復的一個靶點。以上的研究提示lncRNA在OP發(fā)病調(diào)控及治療中有重要作用,作為OP骨代謝的標志物,lncRNA對OP病理變化影響及對骨代謝相關信號通路的調(diào)控的方式,可為OP診療及預后判斷新的靶標。
OA的主要病理表現(xiàn)為滑膜炎癥及軟骨的降解,近些年來,越來越多的lncRNA被確定為與調(diào)節(jié)炎癥信號通路有關,且在關節(jié)組織中呈現(xiàn)表達。目前l(fā)ncRNA與OA相關的炎癥型號通路間關系并且完全明確,因此,確定lncRNA對OA中信號通路的調(diào)控作用,可能成為一個重要的治療方向。p38/MAPK信號通路、NF-κB信號通路、TLR信號通路和花生四烯酸途徑等是常見的炎癥信號途徑,且lncRNA與以上信號途徑間存在調(diào)控關系。現(xiàn)就lncRNA與以上信號通路間的關系進行描述。
5.1 p38 MAPK信號通路 絲裂原活性蛋白激酶(MAPK)是一類重要的信號轉(zhuǎn)導通路,大多數(shù)細胞均有該信號途徑的存在,MAPK信號主要分布在細胞質(zhì),p38MAPK是一個MAPK家族的關鍵成員,在多種因素刺激作用下,如氧化應激、損傷等,p38可發(fā)生磷酸化,進而參與細胞生長、細胞凋亡、炎癥等過程[46,47]。目前為止,已有多項研究表明,OA進展與MAPK信號通路間存在密切關系。在OA患者研究中發(fā)現(xiàn),MAPK信號在軟骨內(nèi)被激活,與正常組織比較,c-Jun氨基端激酶及磷酸化的p38表達均有顯著的升高[48]。也有研究指出,MAPK信號在對軟骨細胞MMP分泌的調(diào)控過程中也發(fā)揮關鍵作用,在OA進程中,所產(chǎn)生的骨基質(zhì)碎片,如纖連蛋白和膠原蛋白等,均可增強MMP在細胞中的分泌,此過程有MAPK信號的參與[49]。此外,多項研究表明,軟骨細胞凋亡與p38MAPK信號通路的調(diào)控有關,潘建科等[50]研究顯示,龍鱉膠囊可對p38及磷酸化的p38過量表達進行抑制,從而使p38MAPK在OA軟骨細胞中的活化受到抑制,從而對軟骨損傷有明顯改善作用。在OA模型的臨床研究中發(fā)現(xiàn),使用p38抑制劑后,軟骨退變可明顯得到改善[51]。關于p38信號通路的lncRNA調(diào)控,目前的研究很少,有研究表明,lncRNA-MALAT1可調(diào)控p38MAPK信號,MALAT1是一個在非小細胞肺癌最早被發(fā)現(xiàn)的基因,在哺乳動物中有高度的保守性,提示MALAT1可能有重要的生物學功能,多項研究表明,MALAT1在多種腫瘤中有明顯的高表達,其過量表達對腫瘤生長有促進作用[52]。此外,也有研究表明,MALAT1與炎癥間有相關性,可通過活化內(nèi)皮細胞SAA3,增加細胞IL-6分泌,誘導ROS的產(chǎn)生,增加細胞炎性反應[53]。
5.2 NF-κB信號通路 NF-κB是TFs家族成員,廣泛存在于真核細胞,是一種具有多項轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)作用的蛋白因子,在大多數(shù)炎性反應及免疫應答過程中發(fā)揮重要作用。NF-κB的活化是一個復雜過程,當結合NF-κB的多個位點受到活化因素刺激后,NF-κB被激活,IκB被磷酸化,之后,IκB與NF-κB分離,NF-κB迅速進入核,而后發(fā)揮轉(zhuǎn)錄因子的功能,并誘導一些靶基因的表達,如cyclinD1、survivin等[54]。多項研究表明,OA損傷與NF-κB信號間存在相關性[55]。有研究顯示,有一定量的NF-κB在OA滑膜中存在,抑制NF-κB信號后,關節(jié)炎損傷程度可明顯得到改善[56]。有研究顯示,lncRNA-21低表達水平可增加RA患者中NF-κB的活性,甲氨碟呤(MTX)對RA患者有治療作用,lncRNA-21可抑制NF-κB信號,MTX可增加lncRNA-21的表達,進而抑制NF-κB信號途徑[57]。Trenkmann等[58]研究顯示,在RA滑膜成纖維細胞lncRNA HOTAIR表達明顯降低,HOTAIR的沉默與基質(zhì)降解酶和NF-κB活性的上調(diào)有關,意味著抑制HOTAIR參與RA滑膜成纖維細胞生長。
5.3 TLR信號通路人類Toll樣受體(TLR) TLR是一種Ⅰ型跨膜糖蛋白,近些年來發(fā)現(xiàn)的一類細胞表面信號轉(zhuǎn)導跨膜受體,由三部分組成,即胞外和胞內(nèi)結構域及跨跨膜區(qū)。作為一個固有免疫受體,TLR在T細胞、B細胞、自然殺傷細胞及樹突狀細胞等各種免疫細胞中有關廣泛的分布,隨著對TLR研究的深入,越來越多的研究表明,在非免疫細胞中也發(fā)現(xiàn)TLR的存在[59]。有研究顯示,在OA的滑膜成纖維細胞及軟骨細胞中均有TLR的表達[60]。Kim等[61]研究顯示,TLR2 的mRNA表達在所有的OA患者膝關節(jié)軟骨細胞樣本均可以檢測到,在OA患者樣本中的一半樣本也可檢測到TLR2的mRNA表達,同時檢測TLR在OA患者髖/膝關節(jié)軟骨水平,發(fā)現(xiàn)與正常軟骨及非損傷區(qū)TLR表達相比,TLR2和TLR4在軟骨損傷區(qū)的表達均有明顯升高,提示TLR2和TLR4在OA軟骨組織中表達增強。Toll受體可引起許多l(xiāng)ncRNA表達,lncRNA-Cox2位于PTGS2基因附近,TLR2信號通路激活后可引起lncRNA-Cox2上調(diào)表達[62]。張飛飛等[63]研究顯示,Pam3CKS4可增強lncRNA NEAT1 NEAT1的表達水平,NEAT1的表達被抑制后能明顯部分降低TLR2信號活化所引起的趨化因子、細胞因子的表達,如CXCL10、CCL8及IL-6等,受NEAT1調(diào)節(jié)的基因均為TLR2持續(xù)緩慢誘導基因。
5.4 花生四烯酸(AA) 炎癥的調(diào)節(jié)及控制由炎性介質(zhì)介導,AA是一類關鍵的可對炎癥介質(zhì)進行調(diào)控的長鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFAs)的衍生物[64]。AA代謝產(chǎn)物白三烯及前列腺素(PG)是炎性反應介質(zhì),在OA中存在差異表達[65]。在炎癥及疼痛治療方面,對AA途徑的靶向抑制是一直以來的一個極其重要的研究方面。環(huán)氧化酶(COX)是一個在AA代謝及PG和血栓素A2(TXA2)生物合成過程中的非常重要的限速酶,COX-2的選擇性抑制劑對OA癥狀有明顯改善作用[66]。有研究顯示,lncRNA PACER基因可控制COX-2基因開或者關,COX-2基因的活躍程度與癌癥、炎癥等均存在密切關系[67]。PACER基因可阻斷p50結合,增強COX-2活性。研究顯示,PACER在非OA軟骨及膝關節(jié)OA和髖關節(jié)OA中存在差異表達[68]。
隨著對lncRNA研究的深入,lncRNA在細胞內(nèi)的作用已受到廣泛的關注。越來越多的研究證實lncRNA是一個可在轉(zhuǎn)錄、翻譯及染色質(zhì)修飾等多個方面對基因表達調(diào)控的重要分子。目前研究仍發(fā)現(xiàn)一些lncRNA與骨關節(jié)疾病發(fā)生發(fā)展密切相關??偟膩碚f,目前的研究揭示了少部分的lncRNA與骨關節(jié)疾病進展存在相關性,但lncRNA在OA中的作用仍存在一些亟待解決的問題。如在OA發(fā)病過程中,有哪些差異表達的lncRNA,且這些lncRNA是否在骨的破壞中有重要作用,且具體機制是什么,尚未明確;基因芯片已證實一些lncRNA與骨關節(jié)疾病進展密切相關,但哪些lncRNA起在OA進展中起到主導作用,以及對其的作用的調(diào)控機制如何,尚無明確的定論;在OA進展及軟骨分化過程中,可以有目的性的選擇哪些lncRNA進行干預,從而達到對軟骨損傷修復改善的目的。因此,對lncRNA在骨關節(jié)疾病中的作用,還需做進一步深入的探究。