LncRNA參與阿爾茲海默癥發病機制的研究進展

蔡蒙蒙,法煥超,李思琦,朱 磊

(曲阜師范大學體育科學學院,山東 曲阜 273165)

AD作為中樞神經系統性疾病,是最為常見的癡呆類型。據估計全世界有5 000萬人患有癡呆癥,AD占病例的60%～80%,預計到2050年患病人數將增加到1.52億,護理治療金額則高達1.1萬億美元,給社會經濟帶來巨大壓力[1]。但AD的致病因素尚不明確,遺傳因素、淀粉樣蛋白假說、神經炎癥和免疫失調、能量代謝障礙、神經血管功能障礙、線粒體功能障礙、突觸功能障礙等均可能參加AD神經元變性凋亡的過程[2]。目前有大量研究發現,LncRNA通過對特定基因的表達調控,進而干預了與AD相關的多種發病機制[3]。因此,LncRNA作為AD的潛在生物標志物和治療靶點具有廣闊的前景,本文綜述LncRNA的功能和作用方式以及其在AD的研究進展,為AD的早期診斷、治療和預防提供新思路。

1 LncRNA的生物學功能

LncRNA是長度超過200 nt、不能翻譯、擁有特定二級結構的RNA,能與mRNA、DNA以及蛋白質相互作用,在正常發育和疾病的發生發展中起著重要作用[4]。研究發現,LncRNA是由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ轉錄,并參與了基因重組,選擇性剪接,mRNA衰變,免疫反應和發育等生理現象。根據LncRNA相對于蛋白質編碼基因的位置,可分為正義LncRNA、反義LncRNA、雙向LncRNA、基因間LncRNA和增強子LncRNA。其能通過多種作用機制(如信號分子、誘導分子、支架分子、引導分子、和短肽)在表觀遺傳、順式或反式轉錄及轉錄后調控基因表達,參與各種生理或病理活動[5]。

LncRNA在不同類型細胞中的表達和定位具有特異性。在細胞內,LncRNA主要通過三種模式參與基因的表達調控,包括:(1)直接與DNA結合或與轉錄因子結合,從而在轉錄水平上實現對基因表達調控;(2)靶向mRNAs、miRNAs調節它們的活性和穩定性或與蛋白質結合形成蛋白復合體,從而發揮作用;(3)通過某些特定的LncRNA干擾染色質復合物,抑制或促進基因的表達。LncRNA的作用機制使其可以參與活細胞的所有生理活動[5-6]。許多研究人員通過小鼠實驗以及構建細胞模型,發現LncRNA表達失調會影響與AD相關信號通路。而且在AD患者腦脊髓液和血液中也發現LncRNA異常表達,這些研究結果證明LncRNA對AD的發生發展起著重要作用。

2 LncRNA在AD發展的作用

AD的發病過程極其復雜,隨著RNA測序技術的發展,LncRNA的功能和作用機制逐漸明晰,部分LncRNA過表達或失活會參與Aβ沉積、突觸功能障礙、神經炎癥、神經元凋亡、線粒體功能障礙、氧化應激等AD相關發病機制,從而干預AD的發生及發展。

2.1 LncRNA對Aβ沉積的影響Aβ作為AD發病機制的關鍵因素,Aβ斑塊的產生是由Aβ異常聚集形成,有大量臨床試驗通過針對與Aβ相互作用并介導Aβ產生、清除和新陳代謝的潛在受體,研制治療AD的有效藥物。而近年研究發現,部分LncRNA可作為介導Aβ產生和清除的潛在受體或生物標志物。

BACE1作為β-分泌酶,能與γ-分泌酶一起產生Aβ,參與AD發病過程。而BACE1切割淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)是產生Aβ的限速步驟。BACE1-AS是從11號染色體上的BACE1基因的反義鏈轉錄而來的LncRNA,它們具有相同的互補序列和雙鏈RNA結構。BACE1-AS作為具有“分子海綿”機制LncRNA(ceRNA)能與BACE1 mRNA結合,引起BACE1 mRNA二級或三級結構的劇烈變化,導致BACE1 mRNA穩定性的增加,Aβ42在細胞內積累,引起AD的發生[7]。Wei[8]等發現,AD患者的血漿中BACE1-AS濃度明顯升高,BACE1-AS與miR-485-5p在BACE1 mRNA的同一區域競爭結合的平衡被打破,miR-485-5p表達下降,從而抑制樹突的形成,使突觸穩態喪失,并促使BACE1基因表達上調,APP加工產生更多的Aβ42,導致AD病情加重。除此之外,BACE1-AS作為ceRNA,能靶向競爭miR-29b-3p/miR-107/miR-124-3p/miR-485-5p等在BACE1 mRNA結合位點,增加BACE1蛋白表達,促進Aβ異常累積,加重AD的發展[9]。

51A是Sortilin受體1(Sortilin-related receptor1,SORL1)基因的反義鏈轉錄而成的LncRNA,常見于AD患者的大腦皮層,SORL1是一種神經元載脂蛋白E受體,在中樞和外周神經系統均有表達,能控制APP的轉運和加工,并限制Aβ的合成。研究發現,51A在AD患者的大腦皮層顯著上調,并選擇性剪切SORL1 mRNA,使SORL1異常表達,導致APP由高爾基體轉運到溶酶體減少,加劇Aβ的生成和積累,且51A的水平含量與MMSE認知評分呈負相關性,因此51A有作為AD生物標志物的可能價值[10]。

2.2 LncRNA對突觸可塑性的影響突觸的數量、結構和功能會隨著時間的推移而改變,這被稱為“突觸可塑性”。突觸作為神經元基本單位,它可以維持神經元和神經環路穩定,在學習記憶中起非常重要的作用,同時也是神經系統疾病信號轉導的分子機制。神經突觸的損傷一般發生于AD的早期,與AD患者認知功能下降密切相關。

BC200是一種在人類神經細胞中特異性表達的LncRNA。BC200能在神經元中選擇性表達,并靶向真核起始因子4A(eIF4A),進而調節突觸相關蛋白質的合成,維持突觸可塑性。在AD患者大腦皮層中發現BC200的表達水平顯著提高,并隨著AD的發展逐漸增加[11]。其異常定位和過表達會導致樹突狀細胞凋亡,并使正常依賴微管的運輸功能受到影響,使突觸中營養物質運輸受阻,進而加劇神經退行性的改變[12]。

腦源性神經生長因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是在腦內合成的一種小分子的堿性蛋白,在大腦皮層、海馬等部位含量較多,對神經元存活和突觸可塑性生長中起著至關重要的作用,并促進突觸生長,從而調節學習和記憶功能[13]。BDNF-AS作為BDNF反義鏈轉錄的LncRNA,通過與BDNF mRNA結合調節突觸結構和功能。在AD患者的外周血液中發現,BDNF-AS通過與miR-9-5p競爭性結合,促進BACE1的表達從而加重Aβ沉積,影響認知功能障礙[9]。Modarresi[14]等發現,BDNF-AS可以作為誘導分子,將 PRC2募集到 BDNF 啟動子區域抑制BDNF mRNA轉錄,降低BDNF表達,加劇AD。因此,抑制BDNF-AS水平,促進BDNF mRNA轉錄合成BDNF蛋白,可以作為治療AD的分子靶點。

小核糖體管家基因RNA1(Small nucleolar RNA host gene1,SNHG1)是由UHG轉錄而來的LncRNA。SNHG1通過兩種不同的ceRNA調控軸SNHG1/miR-137/kremen1和SNHG1/miR-361-3p/znf217參與Aβ誘導的AD神經元損傷。敲除SNHG1基因,使miR-137和miR-361-3p過表達,從而抑制下游靶點kremen1和znf217表達,減少海馬腦區突觸丟失,并減輕Aβ誘導的神經元損傷的作用,達到改善AD的效果[15]。

2.3 LncRNA對神經炎癥的影響在AD中,Tau過度磷酸化和Aβ聚集可觸發炎癥反應,促使小膠質細胞釋放神經毒性細胞因子,并會激活反應性星形膠質細胞持續產生促炎因子,從而延長神經炎癥反應,對中樞神經系統產生損害,并導致神經元功能障礙,加重AD的發展。

17A能與γ-氨基丁酸B型受體(γ-aminobutyric acid B type receptor,GABABR)基因內含子區域互補,誘導GABABR2選擇性剪接異構體的合成。GABABR2受體的剪接異構體可以通過抑制細胞內cAMP的積累和鉀離子通道的激活而影響受體的功能,進而促進Aβ積累,并加速細胞自噬和凋亡,使GABABR信號失活,產生神經炎癥,加重AD[16]。

MALAT1作為ceRNA能靶向多種miRNAs,參與免疫、炎癥和神經損傷的調控。在AD細胞模型中,MALAT1能負調節下游靶點miR-125b表達。MALAT1過表達,會抑制miR-125b誘導的神經炎癥,并降低促炎細胞因子1L-6和TNF-α水平,促使PTGS2和CDK5表達增加,FOXQ1表達降低,刺激神經突觸生長[17]。

2.4 LncRNA對神經元凋亡的影響神經元凋亡是神經退行性疾病的主要病理原因之一,是按照特定的基因程序自行結束生命的過程,這一過程可以由內部或外部信號在細胞的整個生命周期中觸發,屬于正常的保護機制[18]。但在AD患者腦內檢測到多區域的神經元丟失增多,出現神經元細胞非正常凋亡現象,因此增強神經元細胞活性抑制其凋亡可作為干預AD的重要途徑。

EBF3-AS是從10號染色體蛋白質編碼基因EBF3的反義鏈轉錄的的LncRNA。研究表明,EBF3的功能障礙與神經系統發育缺陷相關,Aβ25-35可誘導SHSY5Y細胞活性降低,使EBF3-AS的表達上調,從而增強下游EBF3基因的表達,促進神經元凋亡。而敲除EBF3-AS基因,可逆轉Aβ25-35誘導的SHSY5Y細胞凋亡以及Caspase-3活性升高,進而增強細胞活性抑制神經元凋亡。這表明EBF3-AS可作為AD治療的新靶點[19]。

WT1-AS是位于11號染色體上的一個LncRNA,在調控轉錄、凋亡方面發揮重要作用。Wan[20]等發現,WT1-AS在AD中表達下調,促進了AD中神經元的凋亡,當WT1-AS表達上調,可降低WT1/miR-375信號軸表達抑制細胞凋亡,進而促進SIX4表達,抑制Tau蛋白磷酸化,還能參與線粒體結構和功能的調節,促進ATP產生。

2.5 LncRNA對線粒體功能的影響線粒體作為真核細胞獨有的細胞器,在真核生物的能量產生和代謝中起重要作用,通過提供ATP維持正常的神經元穩態與功能。此外,線粒體還與細胞凋亡、免疫反應、氧自由基的產生和鈣離子穩態有關。當線粒體基因組受到損害時,會影響線粒體編碼LncRNA對基因的表達調控,從而誘導線粒體功能障礙。線粒體功能障礙作為AD發病早期的顯著性特征之一,在AD發病機制中起關鍵作用[21]。

核富集轉錄體1 (nuclear enriched abundant transcript 1,NEAT1)是從多發性內分泌腫瘤1型(MEN1)基因轉錄而來的LncRNA。研究證明,NEAT1在AD患者的額葉皮層和海馬中顯著表達,并發現NEAT1能與E3泛素連接酶NEDD4L結合,促進Pink1的泛素化和降解,損害Pink1的線粒體自噬功能,導致自噬信號傳導功能障礙,誘導Aβ沉積和線粒體損傷。而NEAT1表達下調,會抑制Pink1的泛素化,維持正常的線粒體自噬和能量代謝功能,逆轉Aβ造成的神經元損傷,防止AD的發展[22]。

2.6 LncRNA對氧化應激的影響氧化應激反應會產生過多的活性氧(active oxygen,ROS),并改變神經元分子組成、膜流動性及滲透性,破壞細胞的正常功能,最終誘導神經元凋亡。同時,氧化應激會促進Aβ沉積及Tau的磷酸化,加重AD。而一些氧化還原轉錄因子的表達可以增強機體內的抗氧化防御機制,抑制過氧化物酶、清除自由基和金屬離子,對AD的發病有保護和延緩進程的作用[23]。

研究顯示,SOX21-AS1表達水平升高會導致海馬神經細胞凋亡增加,而抑制SOX21-AS1表達,可以上調FZD3/5蛋白表達和激活Wnt信號通路,減輕AD小鼠神經元氧化應激反應,抑制神經元凋亡[24]。RPPH1靶向miR-326,能消除對丙酮酸激酶M2(PKM2)的抑制作用,減輕Aβ25-35誘導的細胞凋亡和內質網應激[25]。

表1 LncRNA干預AD的機制

3 小結

隨著對LncRNA的深入研究,通過細胞模型、動物實驗以及生物樣本如大腦,腦脊液和血液等研究,發現LncRNA參與Aβ的產生,Tau蛋白過度磷酸化,神經炎癥,突觸功能失調,線粒體功能障礙等,干預AD的發病機制。通過測定血漿和腦脊液中的LncRNA有望用于AD患者的早期診斷、預測預防,對治療AD患者具有重要幫助作用。而尋找新的靶點和信號軸是AD早期治療和創新治療的重要途經。但目前研究人員對LncRNA在不同細胞的生物學功能了解較少,研制關于LncRNA的藥物十分困難。因此,揭示LncRNA在AD中的調控網絡和分子機制有助于開發以LncRNA為靶點的創新藥物治療方法。根據LncRNA在不同類型細胞定位的特異性,未來將致力于研究LncRNA在亞細胞的定位模式,以此選擇適合高效的方法調控LncRNA的功能,用于臨床藥物研究,達到治療AD的目的。以后研究將著眼于AD發病機制的基因水平,所以研究以LncRNA為例的小分子在AD基因表達中扮演的角色可能會成為治愈AD的突破點。