电离辐射损伤相关长链非编码RNA研究进展

陈双景 周平坤 王治东

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电离辐射损伤相关长链非编码RNA研究进展

    通讯作者: 王治东, wangzhidong1977@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金面上项目 81573083

    国家自然科学基金面上项目 31770913

Research advancement on long non-coding RNAs in ionizing radiation-induced damage

    Corresponding author: Zhidong Wang, wangzhidong1977@126.com
  • Fund Project: General Program of National Natural Science Foundation of China 81573083General Program of National Natural Science Foundation of China 31770913

  • 摘要: 长链非编码RNA(lncRNAs)是一类新的功能分子,可通过影响基因转录、蛋白质翻译以及蛋白质稳定性等方式调节下游靶基因,在生长发育、免疫应答、代谢调控以及肿瘤形成等生物学事件中发挥重要作用。已有研究表明lncRNAs可以通过电离辐射诱导表达,并参与细胞对电离辐射的应答反应以及细胞损伤修复过程。通过对电离辐射相关lncRNAs的研究有助于加深对电离辐射损伤应答机制的认识和了解。笔者对lncRNAs的结构功能、调控靶基因方式以及对电离辐射相关lncRNAs的功能和作用方式进行综述。
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-25
  • 刊出日期:  2018-03-25

电离辐射损伤相关长链非编码RNA研究进展

    通讯作者: 王治东, wangzhidong1977@126.com
  • 100850 北京, 军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所放射生物学研究室
基金项目:  国家自然科学基金面上项目 81573083国家自然科学基金面上项目 31770913

摘要: 长链非编码RNA(lncRNAs)是一类新的功能分子,可通过影响基因转录、蛋白质翻译以及蛋白质稳定性等方式调节下游靶基因,在生长发育、免疫应答、代谢调控以及肿瘤形成等生物学事件中发挥重要作用。已有研究表明lncRNAs可以通过电离辐射诱导表达,并参与细胞对电离辐射的应答反应以及细胞损伤修复过程。通过对电离辐射相关lncRNAs的研究有助于加深对电离辐射损伤应答机制的认识和了解。笔者对lncRNAs的结构功能、调控靶基因方式以及对电离辐射相关lncRNAs的功能和作用方式进行综述。

English Abstract

  • 长链非编码RNA(long non-coding RNAs,lncRNAs)是指长度超过200个核苷酸的非编码RNA,多数lncRNAs由RNA聚合酶II参与合成,可具有5’甲基帽和3’PolyA尾,缺乏开放阅读框,不具有蛋白编码能力,在极少数情况下,具有功能的寡肽可转录于某些特定的lncRNAs基因[1-3]。研究发现,lncRNAs参与多种生物学事件,包括生长发育、免疫应答、代谢调控、肿瘤形成等。已有研究表明,lncRNAs可以通过电离辐射诱导表达,并参与细胞对电离辐射的应答反应以及细胞损伤修复过程。对电离辐射相关lncRNAs的研究有助于加深对电离辐射损伤应答机制的认识和了解。本文对lncRNAs的结构功能、调控靶基因方式以及对电离辐射相关lncRNAs的功能和作用方式进行综述。

    • 根据GENCODE V25数据库注释保守估计,在人类基因组中,约51.8%的DNA可被转录为RNA,其中蛋白编码基因只有1.2%左右,其他均为非编码基因[4-5]。lncRNAs具有复杂的空间结构,与蛋白质不同的是,lncRNAs的一级结构保守度不高,但其二、三级结构高度保守,推测与其复杂的功能有关[6]。目前lncRNAs的来源尚不完全清楚,而且也没有具体的分类标准。就基因组结构而言,lncRNAs基因可定位在基因组不同区域,根据与邻近编码基因的相对位置及转录方向,通常可被分为5类[7-8],分别为①正义lncRNA:与相同链上另一个编码基因的一个或多个外显子相重叠;②反义lncRNA:与反义链的另一个编码基因的一个或多个外显子相重叠;③双向lncRNA:转录起始位点与反义链上编码基因的转录起始位点非常靠近,但转录方向相反;④内含子lncRNA:来源于另一个转录物的内含子区域;⑤基因间lncRNA:转录于两个基因之间的区域。

    • lncRNAs在细胞内的分布影响着其功能及作用方式。细胞核中的lncRNAs主要参与表观遗传修饰、顺式或反式调控基因的表达、亚细胞结构的组装,mRNA前体的加工与转运等。细胞质中的lncRNAs主要通过高级结构与蛋白质互相作用,参与调控蛋白质的稳定性、活性、细胞内定位以及通过碱基互补配对与核酸相互作用参与调控mRNA的翻译能力及稳定性[9]

    • lncRNAs对表观遗传学的调控主要是指在不改变细胞核DNA序列的情况下基因功能发生可逆或可遗传的改变,主要包括染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰等。1991年Nature期刊连续刊登了4篇关于X染色体失活特异因子(X inactive specific transcript,Xist)沉默X染色体发现的文章,研究表明Xist转录于两个X染色体中沉默的那条染色体,通过发挥染色体沉默作用参与剂量补偿效应,维持雌雄个体发育的均衡性。最新研究发现Xist与spen家族转录抑制子、核不均一性核糖核蛋白U、lamin B受体3种蛋白直接作用,对于发挥X染色体的沉默至关重要。其中核不均一性核糖核蛋白U有助于Xist在染色体上定位,Xist与spen家族转录抑制子互相作用并募集阻遏蛋白视黄酸和甲状腺激素受体沉默中介蛋白,通过激活组蛋白去乙酰化酶3使组蛋白去乙酰化导致Pol II不能有效结合从而引起转录沉默,此外核不均一性核糖核蛋白U和组蛋白去乙酰化酶3对于Xist募集多梳蛋白抑制复合体2具有重要作用[10]。与Xist几乎同一时间发现的H19是第一个在啮齿动物和人类中被发现的带有遗传印记的lncRNAs。最新研究发现H19可调控细胞的增殖[11],此外还有研究表明H19可参与调控DNA甲基化水平以及通过miR-675/HDAC轴调控骨髓间充质细胞分化[12]

    • lncRNAs在转录水平的调控方式比较复杂,可概括为以下4点:①调控转录因子的活性、分布及表达水平;②干扰或作用于顺式作用元件;③调控RNA聚合酶的活性、分布及表达水平;④调控转录起始复合体的组装。例如,lncRNA同源盒转录因子6反义RNA1可作为同源盒基因2的共激活因子,通过增强同源盒基因5/6的增强子活性上调同源盒基因5/6基因转录[13]。Martens等[14]在酿酒酵母中发现在丝氨酸丰富的情况下,丝氨酸可与转录因子Cha4结合作用于lncRNA突触结合蛋白相关基因1启动子并募集转录辅助复合体SAGA(Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase)参与酵母交配型转变以及促进突触结合蛋白相关基因1转录,突触结合蛋白相关基因1在转录延伸过程中可以横跨至邻近基因磷酸甘油酸脱氢酶的启动子,使RNA聚合酶II不能有效地与磷酸甘油酸脱氢酶的启动子结合,从而造成转录干扰。

    • lncRNAs对转录后水平的调控主要涉及前体mRNA的加工、运输、定位以及稳定性等。在翻译水平主要影响翻译起始复合体的组装、mRNA与核糖体的相互作用以及miRNA对mRNA的干扰等。例如,lncRNA肺腺癌转移相关转录子1(metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)与富含丝氨酸/精氨酸家族蛋白相结合,将其募集至转录活跃区参与mRNA前体的剪接[15];lncRNA NEAT1(nuclear-enriched autosomal transcript 1,NEAT1)具有核定位特性,通过与某些mRNA的3’非翻译区相结合使其滞留在细胞核内亚结构中,从而阻断mRNA出核[16];lncRNAs还可通过直接与mRNA结合或与mRNA结合蛋白相结合调控mRNA的稳定性,或作为内源竞争RNA通过结合miRNAs进而释放后者的靶mRNA促进其翻译。例如,反义转录于β淀粉样裂解酶1(β-site APP-cleaving enzyme 1,BACE1)的lncRNA既可与BACE1 mRNA结合增强其稳定性,又可结合miR-485-5p,阻止RNA诱导沉默复合体对BACE1 mRNA的降解[17]

    • 电离辐射所致损伤效应错综复杂,包括DNA损伤、膜系统的破坏、亚细胞结构的功能丧失以及继发的基因组不稳定等。生物体在进化过程中已经形成一系列保护机制,当电离辐射引起细胞损伤时,细胞会产生损伤应答以防止损伤的传播,同时促进修复。例如,诱发细胞周期阻滞、DNA复制和转录发生改变、DNA损伤修复。损伤超过自身修复能力或损伤未完全修复则会诱导细胞死亡或癌变。近年来,在非编码基因领域,已有许多电离辐射损伤相关的miRNAs相继被报道,lncRNAs作为一个新兴的分子,有文献报道lncRNAs也可参与电离辐射损伤的各阶段。

    • 当细胞在周期进程中出现DNA损伤、DNA复制中断、纺锤体组装缺陷等异常事件时,若继续完成细胞分裂则会引起子代细胞的基因组不稳定,因此细胞中存在多个周期检查点时刻监视着细胞周期进程以保障细胞分裂顺利完成,防止损伤的传递,主要包括G1期检查点、G2期检查点和M期检查点。细胞周期进程由各时期相关周期蛋白(cyclin)、周期素依赖性激酶(cyclin-dependent kinases,CDKs)以及周期素依赖性激酶抑制剂共同参与调控。电离辐射诱导的周期阻滞主要包括G1期阻滞、G2期阻滞、S期延迟以及S/M解偶联。周期阻滞的发生为损伤修复赢得时间,可分为两个阶段,即快速反应阶段和慢反应阶段,快速反应阶段通过蛋白之间的相互作用以及转录后修饰改变相关蛋白或复合体的活性,该阶段通常在损伤后数分钟内即可完成,慢反应阶段中各信号通路进行转录,调控某些基因的表达进而引起周期阻滞,通常在损伤后数小时完成[18-19]

      Liu等[20]在中国仓鼠卵巢细胞中发现DNA损伤诱导的lncRNA gadd7经紫外线照射后表达也可上调,敲除gadd7可促进细胞增殖,解除紫外线照射诱导的G1期阻滞。进一步的研究发现,gadd7通过UG/GU重复区与周期素依赖激酶6(cyclin-dependent kinases,CDK6)mRNA的3’非翻译区竞争结合TAR DNA结合蛋白43,导致CDK6 mRNA因缺乏TAR DNA结合蛋白43的保护而失去稳定性,引起CDK6 mRNA降解增加,进而诱发细胞周期阻滞。Wang等[21]在人宫颈癌细胞以及小鼠巨噬细胞中发现电离辐射诱导的lncRNA细胞周期蛋白D1转录于细胞周期蛋白D1启动子及5’调控区,具有多个转录本,它们可通过募集并激活脂肪瘤内异位蛋白至cyclin D1启动子cAMP反应结构域,抑制环磷腺苷效应元件结合蛋白、E1A结合蛋白p300等组蛋白乙酰转移酶活性,使得该区域H3K9/K14的乙酰化受抑而导致cyclin D1的转录沉默,进而引起细胞周期阻滞。Zhang等[22]在肺腺癌细胞中发现高水平的lncRNA结直肠肿瘤差别表达基因可通过募集多梳蛋白抑制复合体2使p21启动子甲基化,抑制p21的转录,进而诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡,从而提高肺腺癌细胞的辐射抗性。众所周知,cyclin D1/CDK4/6作为G1期检查点的重要分子,参与调控G1/S期的转变。p21蛋白作为一种周期素依赖性激酶抑制剂,通过抑制cyclin D1/CDK4/6的活性使pRb蛋白处于去磷酸化状态并一直与转录因子E2F结合,E2F不能游离释放导致依赖于E2F转录调控的基因得不到转录,从而导致细胞不能进入S期而发生G1期阻滞。大量研究表明,lncRNA MALAT1与多种肿瘤的形成密切相关,在宫颈癌细胞中下调MALAT1可抑制G2/M期细胞中的核不均一性核糖核蛋白C向胞质内转运,引起G2/M期阻滞。也有文献报道在宫颈癌细胞中下调MALAT1可抑制cyclin D1、cyclin E和CDK6的表达[23]。在胃癌细胞中MALAT1通过募集SF2/ASF促进细胞周期进程[24]。Lu等[25]在HR-HPV+宫颈癌细胞中发现MALAT1可作为miR-145的分子海绵,调控细胞周期,提高细胞的辐射抗性。

    • 电离辐射可造成DNA损伤,其损伤形式包括双链断裂(double strand breaks,DSBs)、单链断裂等多种形式。其中DSBs是电离辐射造成DNA损伤及引起细胞死亡的主要损伤形式。DSBs的修复主要包括同源重组修复(homologous recombination repair,HR)和非同源末端连接修复两种形式。对于参与电离辐射诱导DSBs损伤修复的lncRNAs也有文献报道。

      Prensner等[26]发现聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶1抑制剂或电离辐射诱导的lncRNA前列腺癌相关转录子1能够与乳腺癌易感基因2(breast cancer susceptibility gene2,BRCA2)的mRNA 3’非翻译区结合抑制BRCA2的翻译。BRCA2是继BRCA1之后发现的家族性乳腺癌和(或)卵巢癌易感基因,编码肿瘤抑制蛋白,通过与Rad51重组酶结合,在DSBs的HR修复途径中发挥重要作用。而前列腺癌相关转录子1作为BRCA2 mRNA的抑制分子,通过抑制HR修复增加细胞对聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶-1抑制剂或电离辐射的敏感性。Zhang等[27]发现非同源末端链接lncRNA在人三阴乳腺癌细胞中高表达并且可作为分子脚手架连接Ku80和DNA依赖蛋白激酶催化亚基进而通过非同源末端连接修复途径增强DSBs修复能力。阻断非同源末端链接lncRNA分子表达后可显著降低非同源末端连接修复活性,提高三阴乳腺癌细胞对放疗的敏感性。

      此外Sharma等[28]利用新制癌菌素、喜树碱以及依托泊苷3种DNA损伤药物分别处理人皮肤纤维母细胞诱导DNA损伤,发现DNA损伤敏感RNA1表达上调,进一步证实DNA损伤敏感RNA1可分别与BRCA1以及核不均一性核糖核蛋白U样分子1相互作用进而抑制BRCA1与受体相关蛋白80形成复合体被募集至DSBs位点。由于BRCA1-受体相关蛋白80复合体可限制DSBs末端剪切加工,因此DNA损伤敏感RNA1能显著增强DNA损伤修复的HR能力。Wan等[29]发现DNA损伤诱导的lncRNA-JADE可通过5’端与BRCA1结合,促进BRCA1与转录辅激活因子p300相结合形成复合体作用于Jade家族同源指状蛋白1启动子区域并激活其转录,而Jade家族同源指状蛋白1能够与组蛋白乙酰转移酶赖氨酸乙酰转移酶7形成复合体,进而使组蛋白H4乙酰化促进DNA损伤修复和细胞周期进程。敲除lncRNA-JADE可显著增加DNA损伤诱导的细胞凋亡。

    • 电离辐射诱导的细胞死亡根据死亡发生的时间及增殖能力可分为增殖死亡和间期死亡,根据细胞的形态特征变化以及分子机制又可分为细胞坏死、细胞凋亡、自噬性细胞死亡。细胞死亡对于组织细胞的更新、生物体发育和稳态的维持具有重要作用,但大量的细胞死亡可导致器官功能的丧失乃至生物体的死亡。

      Wang等[30]在结肠癌组织和细胞中发现电离辐射可诱导基因间长链非编码RNA(large intergenic non-coding RNA,linc RNA)lincRNA-p21表达上调,lincRNA-p21与β-链蛋白以及Wnt/β-链蛋白靶基因c-myc、cyclinD1和T细胞生长因子4的表达呈负相关,进一步研究发现lincRNA-p21可显著抑制Wnt/β-链蛋白信号通路,上调促凋亡基因Noxa的表达从而提高结肠癌细胞的辐射敏感性。Shen等[31]在肝癌细胞和胶质瘤细胞中发现X线或低氧诱导的lincRNA-p21通过上调低氧诱导因子1α的表达抑制Akt/mTOR/p70S6K信号通路引起细胞自噬。Wan等[32]利用拟辐射药物处理人纤维母细胞诱导DNA双链断裂,发现DNA损伤可引起INK4位点反义链非编码RNA(antisense non-coding RNA in the INK4 locus,ANRIL)表达上调,ANRIL可通过ATM-E2F1通路反向转录于INK4B-ARF-INK4A基因簇,具有抗凋亡和促进细胞增殖的功能,此外,ANRIL还可以抑制细胞周期检查点的激活,促进细胞周期进程,同时也能增强细胞HR修复途径,但具体的机制尚不清楚。最新研究表明ANRIL作为miR-125a的分子海绵,参与调控鼻咽癌细胞的增殖、凋亡以及辐射敏感性[33]。Hung等[34]研究发现,DNA损伤诱导的DNA损伤活化p21相关非编码RNA可通过与转录因子NF-YA结合抑制后者结合至促凋亡基因启动子区域,从而起到抑制细胞凋亡的作用。DNA损伤活化p21相关非编码RNA缺失可使人成纤维细胞对阿霉素诱导的细胞凋亡更加敏感,但在电离辐射中的作用尚未见报道。

    • 电离辐射损伤相关的lncRNAs不仅在损伤应答过程中起作用,还可以改变细胞内甲基化水平、通过外泌体参与细胞旁效应、调控癌细胞上皮间质转化、作为生物标志物等。O′Leary等[35]发现低剂量电离辐射可诱导多种肿瘤及非肿瘤细胞中辐射诱导的蛋氨酸腺苷转移酶启动子反义循环lcnRNA的表达上调,进一步研究发现辐射诱导的蛋氨酸腺苷转移酶启动子反义循环lcnRNA反向转录于蛋氨酸腺苷转移酶Ⅱα(methionine adenosyl transferase Ⅱ alpha,MAT2A)启动子,与MAT2A启动子CpG岛形成DNA-lncRNA三链体结构,并作为分子支架募集甲基化转移酶G9a和多梳蛋白抑制复合体2的亚基SUZ12,使MAT2A启动子区域甲基化,从而防止电离辐射后MAT2A过度表达引起的DNA异常甲基化,进而影响DNA损伤修复。Tan等[36]发现人膀胱癌组织和细胞系中高表达的lncRNA牛磺酸上调分子1可通过miR-145/ZEB2轴促进上皮间质转化,从而提高癌细胞的转移侵袭能力和辐射抗性。

    • 目前的研究表明电离辐射损伤相关lncRNAs的功能广泛涉及损伤应答各阶段,包括表观遗传修饰、转录及转录后水平、参与调控电离辐射诱导的细胞周期阻滞、DNA损伤修复及细胞衰老死亡等。lncRNAs作为一个新兴的分子,对于阐明疾病的发生与发展,发现新的生物标志物,寻找新的靶向药物具有重大意义。开展电离辐射相关的lncRNAs研究,是从一个新的角度探索辐射损伤的发生过程及修复机制,加深对现有基于蛋白分子的相关机制研究的认识,重点研究方向可包括:①电离辐射后lncRNAs的响应机制;② lncRNAs与电离辐射致DSBs修复、凋亡、周期阻滞等重要生物学事件中关键蛋白之间相互作用的研究;③外泌体中lncRNAs在电离辐射旁效应中的作用机制研究;④ lncRNAs在低剂量辐射效应中的相关机制研究;⑤ lncRNAs作为电离辐射损伤生物标志物的研究。相关研究对于深入了解电离辐射损伤的分子机制和开展防护措施研究具有重要的意义和价值。

参考文献 (36)

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