張迪 劉靜 劉蘭英 黃馳歡 郭志杰 韋理鈺 許華寧 季發(fā)權(quán) 徐道明

南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院,江蘇 南京 210029

肌肉和骨骼均起源于間充質(zhì)干細胞,在位置上相毗鄰,并通過力學(xué)作用和化學(xué)作用等途徑及相似的分子信號通路在功能上交互串?dāng)_,協(xié)同完成站立、行走及運動[1]。機體在25歲時肌肉和骨骼的質(zhì)量達到峰值,而30歲以后肌骨系統(tǒng)的機能慢慢下降[2]。其中肌肉代謝異常所致的肌少癥(sarcopenia,SP)[3]和骨骼代謝異常所致的骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)[4]是老年人中群最常見的兩類慢性肌骨疾病,肌骨共病形成肌少-骨質(zhì)疏松癥(osteosarcopenia,OS)[5]。長鏈非編碼RNA(long non-codingRNA,lncRNA)是一類長度超過200個核苷酸的RNA分子[6],可以在表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后等多個水平參與基因表達,從而調(diào)節(jié)包括肌少癥和骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的多種疾病[7-8]。因此,本文就lncRNAs在肌少-骨質(zhì)疏松癥中的最新發(fā)現(xiàn)及調(diào)控作用作一綜述,并探討未來通過lncRNAs診治肌少-骨質(zhì)疏松癥的巨大潛力。

1 肌少-骨質(zhì)疏松癥與長鏈非編碼RNA

最近一份全球疾病負擔(dān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明,世界范圍內(nèi)患有肌肉骨骼疾病的人數(shù)高達17.1億人[9],且隨著人口增長和老齡化的快速發(fā)展,此人數(shù)仍在迅速增加。肌骨系統(tǒng)疾病成為全球殘疾的主要原因之一,也是全球康復(fù)服務(wù)需求最大的健康問題,肌骨共病逐漸成為老年醫(yī)學(xué)的研究熱點。其中,老年人肌肉質(zhì)量減少、肌肉力量下降和(或)軀體功能減退形成肌少癥;老年人骨量降低,骨組織微結(jié)構(gòu)被破壞形成骨質(zhì)疏松癥。肌少癥與骨質(zhì)疏松癥并存則被診斷為肌少-骨質(zhì)疏松癥。近年來,越來越多的研究表明肌肉含量與骨密度成正相關(guān)[10],肌少癥和骨質(zhì)疏松癥往往同時發(fā)生且互相影響[11]。樊潔等[12]分析了甘肅省東鄉(xiāng)族成人骨量-肌量變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)骨量異常組肌少癥前期檢出率(男性75.0 %,女性57.1 %)遠高于骨量正常組(男性25.0 %,女性42.9 %),提示低骨量可能是肌少癥發(fā)生的潛在風(fēng)險因子。另有研究指出,四肢骨骼肌肉量每增加一個單位,機體患有骨量減少或骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險便下降37 %[13]。這些結(jié)果共同提示肌少-骨質(zhì)疏松癥是肌肉和骨骼相互影響的結(jié)果——肌量下降將引起并加速骨礦的丟失,而骨骼強度降低也將促使肌肉形態(tài)的萎縮和功能的衰退。

長鏈非編碼RNA又稱lncRNA,是一類長度超過200個核苷酸的非蛋白質(zhì)編碼RNA[14]。在研究之初,因其大部分缺乏編碼蛋白質(zhì)的能力,故很少被作為研究的主要焦點[15]。然而,隨著遺傳學(xué)的深入研究,lncRNAs在生物體基因?qū)用娴恼{(diào)控作用引起了人們的廣泛關(guān)注。其大多表達于細胞核和細胞質(zhì)中,能夠折疊成復(fù)雜的二級結(jié)構(gòu),參與轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等多種生物學(xué)過程[16]。最近,多項研究分析表明,lncRNAs在成骨、破骨、肌生成及肌萎縮中均發(fā)揮重要調(diào)控作用[17-19],增加了對肌少-骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機制的理解,為肌骨系統(tǒng)的研究提供了新思路。下面對lncRNAs在肌少-骨質(zhì)疏松癥中的調(diào)控作用進行詳細闡述。

2 長鏈非編碼RNA在骨質(zhì)疏松癥中的調(diào)控作用

骨骼的完整性依賴于骨形成和骨吸收之間的動態(tài)平衡,這一過程也被稱為骨重建。成年期骨重建平衡,使正常的骨量得以維持;此后隨年齡增加,骨吸收/骨形成比值升高,骨重建失衡,導(dǎo)致骨量逐漸流失[20]。因此,對骨形成和骨吸收的調(diào)控已成為對抗骨質(zhì)疏松癥的有效策略。

2.1 lncRNAs能調(diào)控骨形成

成骨細胞是骨重塑單位內(nèi)參與骨形成的重要細胞,其分化能力及活性與OP的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[21]。有研究顯示,lncRNAs能直接調(diào)控成骨細胞分化以參與骨形成。在新生小鼠前成骨細胞樣細胞測得的18 d RNA-Seq數(shù)據(jù)集顯示,有3 948個lncRNAs在成骨細胞分化過程中發(fā)生了動態(tài)變化,同時鑒定出72個成骨細胞分化相關(guān)標(biāo)志物基因,證明lncRNAs可能參與成骨細胞的分化過程[22]。lncRNA-MALAT1是一種編碼于人類染色體11q13.1上的高度保守RNA,其在OP患者中的表達顯著低于健康人。Song等[23]研究發(fā)現(xiàn)lncRNA-MALAT1海綿miR-217使其沉默,并激活下游靶點AKT3促進成骨分化,miR-217沉默效應(yīng)打破則逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。mTOR是對骨骼功能維持至關(guān)重要的一種保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,激活mTOR信號可促進骨形成[24]。Wang等[25]通過卵巢切除術(shù)(OVX)構(gòu)建絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥模型(PMOP),發(fā)現(xiàn)lncRNA -KCNQ1OT1過表達上調(diào)了OVX小鼠股骨中的mTOR表達,同時增強了成骨相關(guān)基因膠原蛋白-1(Col-1)、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)和骨鈣素(OCN)的表達以促進成骨細胞分化,上調(diào)lncRNA -KCNQ1OT1可緩解OVX小鼠模型中的PMOP。骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)是一種能分化為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞等的多能性基質(zhì)細胞,其成骨分化能力的高低在骨重塑中至關(guān)重要[26]。lncRNA-TUG1是位于染色體22q12.2上的?；撬嵘险{(diào)基因1,可通過AMPK-mTOR自噬信號通路促進BMSCs分化為成骨細胞,阻斷上述通路可阻斷l(xiāng)ncRNA-TUG1在BMSCs中的成骨作用[27]。另外,lncRNAs也能發(fā)揮對骨形成的負調(diào)控作用。脂多糖(LPS)是促使OP發(fā)生的因素之一,有研究顯示lncRNA-TMC3-AS1在OP患者中高表達,并通過下調(diào)miR-708表達增加LPS誘導(dǎo)的成骨細胞凋亡,加速了OP的進展[28]。Song等[29]首次發(fā)現(xiàn)lncRNA-GAS5在BMSCs中下調(diào),并通過降解miR-382-3p以負調(diào)節(jié)BMSCs的成骨分化。綜上,lncRNAs可通過相關(guān)基因和通路以直接或間接作用方式調(diào)控骨形成。因此,深入研究lncRNAs在成骨方面的作用將有助于開發(fā)靶向治療OP的方法。

2.2 lncRNAs能調(diào)控骨吸收

破骨細胞是人體內(nèi)唯一的骨吸收細胞,破骨細胞的過度激活將導(dǎo)致并加重骨質(zhì)疏松癥[30]。通過比較小鼠骨髓源性前體細胞與分化破骨細胞的總RNA轉(zhuǎn)錄組,Toor等[31]在破骨細胞的早期分化過程中鑒定出35個潛在的新lncRNAs表達上調(diào),37個lncRNAs表達下調(diào),表明lncRNAs在破骨細胞分化過程中發(fā)揮重要作用。lncRNA-HOTAIRM 1在人和小鼠OP的血清和骨組織中下調(diào),Ren等[32]通過進一步研究發(fā)現(xiàn)過表達lncRNA-HOTAIRM 1能夠降低破骨標(biāo)志物相關(guān)基因Nfatc1和Mmp9的表達,并減弱由RANKL誘導(dǎo)的破骨細胞形成?；罨疶細胞核因子5(NFAT5)是一種滲透保護性轉(zhuǎn)錄因子,可以結(jié)合骨保護蛋白(OPG)的啟動子區(qū)域,抑制RANKL誘導(dǎo)的破骨分化[33]。Zhang等[34]發(fā)現(xiàn)lncRNA-KCNQ1OT1通過海綿miR-128-3p可以顯著上調(diào)NFAT5,同時抑制破骨相關(guān)標(biāo)志物c-Fos、NFATc1和Ctsk等表達,進而抑制骨吸收過程。此外,lncRNAs也可通過促進體內(nèi)破骨細胞形成過程以減少骨量。Zhang等[35]首次發(fā)現(xiàn)了lncRNA-NEAT1位點與OP風(fēng)險關(guān)聯(lián)的遺傳機制,lncRNA-NEAT1過表達加速破骨細胞形成增加OP發(fā)生風(fēng)險,敲低該因子則減弱骨吸收過程。NEK2是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶,近年來被發(fā)現(xiàn)在骨破壞中起關(guān)鍵作用[36]。lncRNA-SNHG15在RANKL誘導(dǎo)的破骨細胞中表達增加,在機制上通過海綿miR-2-381p上調(diào)NEK2表達以促進破骨細胞的增殖、遷移和分化[37]?？傊?這些對破骨細胞有調(diào)控作用的lncRNAs可能代表了OP治療的突破,但目前這方面的研究還比較少,仍需作進一步的研究以闡明其在骨吸收中的具體機制。

3 長鏈非編碼RNA在肌少癥中的調(diào)控作用

骨骼肌是人體維持運動、姿勢以及體內(nèi)平衡的關(guān)鍵器官。隨著年齡的增長,進行性生理變化使骨骼肌穩(wěn)態(tài)被打破,肌肉成分的降解與合成失衡,肌肉萎縮導(dǎo)致老年人肌肉質(zhì)量和力量降低[38]。一些研究報告了在骨骼肌中與年齡相關(guān)lncRNAs的差異表達,發(fā)現(xiàn)lncRNAs可通過控制肌肉肥大或萎縮參與肌少癥的調(diào)節(jié)[39]。

3.1 lncRNAs能調(diào)控肌生成

骨骼肌的形成過程是由多種功能性因子協(xié)同作用的復(fù)雜過程,其中衛(wèi)星細胞增殖,隨后分化的成肌細胞融合為成熟的肌管,最終形成肌纖維成為骨骼肌組織[40]。Chang等[41]發(fā)現(xiàn)了一種新型肌肉特異性lncRNA——FAM,它在早期人類肌生成過程中強勁增加。lncRNA-FAM過表達可增強肌源蛋白MYBPC2的產(chǎn)生,從而促進人成肌細胞向肌管分化,沉默lncRNA-FAM則顯著延遲肌生成。Wnt5a是調(diào)控肌肉發(fā)生的關(guān)鍵分子,Zhang等[42]發(fā)現(xiàn)lncRNA-MAR1可通過海綿miR-487b調(diào)節(jié)Wnt5a蛋白以促進肌肉分化和再生,過表達lncRNA-MAR1增強了衰老小鼠的肌肉質(zhì)量/力量,提示lncRNA-MAR1未來可能成為肌少癥新的治療靶點。MAPK信號通路在成肌細胞的增殖中發(fā)揮了重要作用,lncRNA-Has2可通過此通路促進骨骼肌再生與分化,敲低Has2os顯著阻斷肌生成,這一高度保守的lncRNA被認為是調(diào)節(jié)骨骼肌穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵基因[43]。此外,lncRNAs還能負調(diào)節(jié)肌肉的生成,例如過表達lncRNA-Chronos可通過滅活BMP 7信號傳導(dǎo)抑制肌生成,從而加劇肌肉萎縮和肌少癥[44]。因此,深入探索lncRNAs在肌生成過程中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)機制有助于確定治療肌少癥的分子靶點。

3.2 lncRNAs能調(diào)控肌萎縮

lncRNAs在肌肉分化過程中發(fā)揮雙向調(diào)控作用,既可調(diào)控肌肉的生成與分化,也可參與肌萎縮的發(fā)生發(fā)展[45]。Jin等[46]將lncRNA-SYISL確定為可以調(diào)節(jié)肌少癥的一種保守lncRNA,其可與miRNA結(jié)合,進而增強肌肉萎縮相關(guān)基因MuRF1、Atrogin-1和FoxO3a的表達來加速肌肉萎縮,敲低或敲除lncRNA-SYISL可減輕衰老小鼠引發(fā)的肌少癥。Cai等[47]鑒定出一種名為SMUL的新型肌肉萎縮相關(guān)lncRNA,lncRNA-SMUL通過激活蛋白酶體降解和自噬途徑來上調(diào)肌肉萎縮標(biāo)志基因ATROGIN1和MURF1,以促進肌萎縮。與之相反,lncRNAs還能通過不同的途徑抑制肌萎縮。Li等[48]將lncRNA-MAAT作為一種肌肉萎縮的調(diào)節(jié)因子,從機制上,lncRNA-MAAT通過順式與跨式作用調(diào)控下游及鄰近基因表達,從而緩解衰老引起的肌萎縮,有望成為治療肌少癥的新途徑。IGF1-PI3K/AKT通路是控制肌肉肥大的關(guān)鍵細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)機制,有研究發(fā)現(xiàn)lncRNA-IRS1通過激活此通路下調(diào)關(guān)鍵萎縮誘導(dǎo)基因Atrogin-1和MuRF3,可作為肌肉萎縮的治療靶點[49]。目前,越來越多的lncRNAs被鑒定出與肌肉萎縮密切相關(guān),為進一步理解骨骼肌生物學(xué)和肌少癥的發(fā)病機制提供了新的見解。

4 長鏈非編碼RNA在肌少-骨質(zhì)疏松癥中的調(diào)控作用

隨著對肌骨系統(tǒng)疾病交互的關(guān)注,不斷有研究整合SP和OP的發(fā)病機制,lncRNAs有望成為二者統(tǒng)一的治療靶點。Chai等[50]成功建立老年肌少癥聯(lián)合骨質(zhì)疏松癥模型,通過分析OVX大鼠股骨和股四頭肌的RNA序列,發(fā)現(xiàn)分別有13個lncRNAs(8個上調(diào),5個下調(diào))、17個lncRNAs(9個上調(diào),8個下調(diào))發(fā)生差異性表達,并且lncRNA-LNC_004549和lncRNA-ENSRNOT00000090777被預(yù)測同時參與骨骼肌和骨骼的分化,為肌少-骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制提供新見解。另有研究顯示,成骨細胞來源的外泌體中l(wèi)ncRNA-TUG1水平升高,同時增強了成肌細胞的分化,而lncRNA-DANCR水平降低,并同時抑制了這一成肌過程[51]。這與先前的研究表明lncRNA-TUG1促進成骨分化,而lncRNA-DANCR通過Wnt/β-連環(huán)蛋白途徑抑制成骨分化結(jié)果相一致[52-53],同樣提示了lncRNAs可能在骨骼和肌肉之間的相互作用中發(fā)揮潛在作用。lnc-MIR22HG在BMSCs的成骨分化過程中上調(diào),Li等[54]最新研究表明成肌細胞來源的外泌體相關(guān)同源盒2(Prrx2)可結(jié)合lnc-MIR22HG的啟動子區(qū)域,從而促進其轉(zhuǎn)錄激活以抑制OVX誘導(dǎo)的小鼠體內(nèi)骨質(zhì)疏松癥,為治療肌少-骨質(zhì)疏松癥提供了新途徑。Ruan等[55]在年輕(4～6個月)和老年(22～24個月)小鼠的骨骼肌中發(fā)現(xiàn),lncRNA-MALAT1的表達隨著年齡增長顯著降低,lncRNA-MALAT1沉默可增加miR-34a表達進一步驅(qū)動骨骼肌衰老,并由此引發(fā)肌少癥。lncRNA-MALAT1在OP中的關(guān)鍵作用先前已得到證實,因此,該因子有望成為未來對抗肌少-骨質(zhì)疏松癥的關(guān)鍵因子。lncRNA-DLEU2在OP患者中高表達,隨著研究的深入,Wang等[56]成功建立肌少癥風(fēng)險預(yù)測模型,發(fā)現(xiàn)lncRNA-DLEU2可海綿miR-181抑制骨骼肌的再生和分化,lncRNA-DLEU2高表達同樣被認為是老年人肌少癥的危險因素之一。盡管目前構(gòu)建肌少-骨質(zhì)疏松癥模型分析lncRNAs的研究還處于探索階段,但在肌少-骨質(zhì)疏松癥中具有共同治療作用的lncRNAs已經(jīng)展現(xiàn)了其診治肌少-骨質(zhì)疏松癥的巨大潛力,從而進一步揭示肌骨之間交互串?dāng)_的潛在機制。因此,深入研究lncRNAs與肌少-骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系仍將是未來的主題。

5 總結(jié)與展望

肌肉和骨骼共同組成肌骨系統(tǒng),在生理上互相協(xié)助,病理上互相影響。本科研團隊經(jīng)過長期臨床觀察發(fā)現(xiàn),大部分骨質(zhì)疏松癥患者都伴有肌肉質(zhì)量的下降[57],肌少-骨質(zhì)疏松癥概念的提出有利于人們進一步思考肌骨交互作用的本質(zhì)。自lncRNAs首次被證明在哺乳動物中存在以來,其越來越被認為是具有許多生物學(xué)功能的關(guān)鍵調(diào)控分子。在骨質(zhì)疏松癥中l(wèi)ncRNAs能通過相關(guān)基因及通路調(diào)控骨形成和骨吸收,從而調(diào)節(jié)OP患者中失衡的骨穩(wěn)態(tài);在肌少癥中l(wèi)ncRNAs能通過競爭性結(jié)合miRNAs等多種途徑參與肌生成和肌萎縮,以調(diào)節(jié)骨骼肌的生長發(fā)育。

將肌肉和骨骼單元視為一個整體,lncRNAs展現(xiàn)了未來診治肌少-骨質(zhì)疏松癥的巨大潛力。同一種lncRNA可以同時參與肌肉和骨骼的分化,以揮發(fā)對肌少-骨質(zhì)疏松癥的調(diào)控作用,而不同的lncRNAs也可以通過肌骨間共同的信號通路發(fā)揮調(diào)控作用。例如上述提到的AMPK信號通路、BMP信號通路、MAPK信號通路、IGF1/PI3K/AKT信號通路等,在改善骨量和肌肉質(zhì)量等方面的作用已被證實,因此,可以假設(shè)靶向lncRNAs以通過其中的一條通路發(fā)揮對肌少-骨質(zhì)疏松癥的調(diào)控作用。此外,黃宏興團隊[58]應(yīng)用去勢聯(lián)合腹腔注射DXM法已能夠建立穩(wěn)定的肌少-骨質(zhì)疏松癥大鼠模型,這也提示了未來進一步探索lncRNAs在肌少-骨質(zhì)疏松癥中作用機制的可能性。

綜上,lncRNAs對未來肌少-骨質(zhì)疏松癥的研究具有深刻意義,有望成為進一步探索肌肉和骨骼間相互作用的潛在標(biāo)志物。但現(xiàn)有的研究也存在一定的不足,比如目前大多研究聚焦在動物實驗,使用老年人骨骼及肌肉樣本進行l(wèi)ncRNAs分析的比較少,故如何在臨床上應(yīng)用lncRNAs診治肌少-骨質(zhì)疏松癥仍需要作進一步的突破。