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Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床

世纪之初 ， 随着人类基因组计划的完成 ， 人们惊奇地发现 ，
在蕴藏生命奥秘的30亿个碱基中 ， 仅有2%编码蛋白质 ， 其余98%都是非编码的 。
起初 ， 研究者们认为这98%的基因都是“垃圾基因” ， 但随着lin-4和let-7这两个microRNA的发现 ， 人们逐渐揭开了非编码RNA的神秘面纱 。
时至今日 ， 非编码RNA仍然是目前生物学领域最热门的研究方向之一 。
在去年的11月份发表于Cell上的一篇题为
“TheRoleofNon-codingRNAsinOncology”
的综述中 ， 作者概述了目前研究的几种主要的非编码RNA ，
并列举了一些基于非编码RNA的正在进行或刚刚完成的临床试验 ，
最后作者对非编码RNA领域的未来发展进行了展望 。
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全文可以分为3个部分 ，
第一部分概述目前主要研究的非编码RNA及其与肿瘤发展的关系；
第二部分列举了将非编码RNA应用于肿瘤诊断和治疗的临床试验；
第三部分展望了非编码RNA领域的未来发展：
1miRNAs
MicroRNAs（miRNA）是一类长度大约为22nt的小ncRNA ，
主要通过miRNA的5’端（被称为种子序列）与靶RNA互补配对结合调控RNAs的表达 ， 尤其是mRNA 。
编码miRNA的基因由RNA聚合酶II转录 ， 并通过保守的途径进一步加工 。
在经典的加工途径中 ， 这个较长的初级转录本 ， 被称为pri-miRNA ， 形成一个被微处理器复合体（microprocessorcomplex ， 包括Drosha和DGCR8）识别的特征性发夹结构 ， 随后被切成pre-miRNA ， 大约60nt ， 接着在Exportin5和Ran-GTP协助下输出至细胞质中 。
pre-miRNA的末端被Dicer酶切割形成miRNA双链 ， 每条单链的5’端为磷酸 ， 3’端为2nt的粘性末端 。
miRNA双链中的引导链装载到Argonaute蛋白上 ， 形成RNA诱导的沉默复合体（RISC） ， RISC包含着成熟的22nt的miRNA 。
成熟的miRNA通过与mRNA的3’UTR结合 ， 发挥降解或者转录抑制作用 ， 此过程如图1所示（He&Hannon,2004） 。
Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床
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图1：miRNAs生物合成过程
在所有的小ncRNAs中 ， miRNA是目前研究最广泛的 。
从现有研究的成果来看 ， miRNAs在癌症中的作用是多样的 ， 包括促癌、抑癌以及混合作用 。
所谓混合作用 ， 是指由细胞背景决定的miRNAs的促癌或抑癌作用 ， 即在某些细胞类型中miRNAs发挥促癌作用 ， 而在另一些细胞类型中发挥抑癌作用 。
例如 ， miR-155可以促进异常的B细胞增殖 ， 在此过程中发生一系列变化 ， 最终导致白血病和淋巴瘤的发生 。
let-7则能够抑制癌基因RAS ， RAS基因是一类致癌基因 ， 约占所有人类癌症的三分之一 。
let-7过表达可降低RAS水平 ， 提示其具有抑癌作用 ， 可作为一种新的有前途的治疗药物 。
典型的具有细胞背景决定的miRNAs作用的是miR-29 ， miR-29能够抑制慢性B淋巴细胞白血病进展 ， 但在急性髓系白血病和高侵袭性B淋巴细胞白血病中表达升高 ， 这意味着miR-29也可以作为癌基因发挥作用 。
2tsRNAs
近年来 ， 研究者们发现了一类由tRNAs衍生出来的ncRNAs ， 称之为tsRNAs（tRNA-derivedsmallRNAs,tsRNAs） 。
这类ncRNAs的生物起源和下游的作用机制等很多方面还在探索中 。
在癌症研究中 ， TCGA来源的数据分析鉴定发现了26531种特异的tsRNAs 。
尽管如此 ， 从现有研究来看 ， tsRNAs在某些方面与miRNAs的作用是相同的 。
与miRNAs一样 ， tsRNAs已被发现与Argonaute蛋白相关 ， 可以通过与靶3’UTR结合介导mRNAs的翻译抑制 ， 这种作用可以是致癌的 ， 也可以是抑癌的 。
3piRNAs
PIWI-interactingRNAs（piRNAs）是一类长度约21-35nt的小RNA ， 一般和Argonaute蛋白的PIWI亚家族结合 ， 与生殖细胞发育中的转录本沉默相关 。
piRNA前体的产生是物种特异性的 ， 并且piRNAs的序列也不是很保守 。
【Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床】由于PIWI蛋白通常只出现在性腺细胞中 ， 因此piRNAs也被认为主要在性腺细胞中发挥功能 。
但最近的研究表明 ， 很多piRNAs也在体细胞组织中表达 ， 并在癌症中异常表达 ， 这表明这些piRNAs可能也参与癌症进展 。
piRNAs的经典功能是沉默转座子 ， 这一过程存在两种机制 。
在第一种机制中 ， piRNAs引导PIWI蛋白到达新生的转座子转录本 ， 并在目标转座子启动子上产生异染色质状态 ， 使其转录沉默 。
在第二种机制中 ， piRNAs将PIWI复合物导向转座子mRNA ， 直接裂解转录本 。
4lncRNAs
Longnon-codingRNAs（lncRNAs）长度大于200bp ， 由RNAPolII从独立启动子转录 。
与蛋白编码基因相似 ， 它们的基因组位置以转录起始位点的H3K4me3和整个基因编码区的H3K36me3富集为标志 。
lncRNAs转录本由多个外显子组成 ， 通过经典机制剪接成成熟的转录本 ， 通常包括5'帽子和3'poly(A)尾巴 。
然而 ， 与蛋白编码转录本相比 ， lncRNAs的外显子更少 ， 总体表达水平更低 。
lncRNAs也不是高度进化保守的 ， 只有5%-6%的lncRNA具有保守序列 。
因此 ， 有一种观点认为高度保守的lncRNAs可能更具有功能性 。
然而 ， 有些灵长类特异性lncRNAs可能也参与了疾病过程 。
与smallncRNAs相比 ， lncRNAs表现出更加多样的机制来实现它们的功能 ， 因此这一领域也需要更多的研究 。
lncRNAs可以通过cis或trans的方式发挥功能 ， 这意味着它们既可以调控自己转录的邻近区域（cis） ， 也可以控制远端基因组或细胞定位区域的基因表达（trans） 。
lncRNAs也被证明能够在不同水平上影响基因表达 ， 包括表观遗传水平、转录水平和转录后水平 。
多种lncRNAs能够介导其他调控作用的核酸分子（如mRNAs、miRNAs、DNA）或蛋白质（如染色质修饰复合物 ， 转录因子 ， E3连接酶 ， RNAs结合蛋白）相互接近 ， 发挥灵活的分子支架作用（scaffold） ， 维持细胞活动所需的化学相互作用 。
就lncRNAs直接与蛋白复合物结合的功能而言 ， 最具特征的机制之一是引导染色质修饰复合物靶向基因启动子 ， 从而影响转录抑制/激活（Guide） 。
lncRNAs也常与转录因子结合 ， 对细胞转录程序具有广泛的下游影响 。
除了蛋白质外 ， lncRNAs还可以直接与核酸结合 ， 介导其分子作用机制（signal） 。
另一种常见的机制为lncRNAs作为竞争性内源性RNA(ceRNA)或miRNA的“海绵”（decoy） 。
这几种作用机制的图示如图2所示（Chen,Wang,Zhang&Chen,2014）：
Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床
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图2：lncRNAs的作用机制
在癌症研究中 ， lncRNAs的功能与miRNAs类似 ， 也包括促癌、抑癌和由细胞背景决定的作用三种 。
例如 ， HOTAIR是研究最深入的致癌lncRNAs之一 ， 通过靶向PRC2和LSD1/CoREST/REST控制基因抑制 ， 其过表达与乳腺癌和其他几种癌症的不良预后有关 。
MEG3则是典型的肿瘤抑制lncRNAs之一 ， 除了调节TGF-β通路外 ， MEG3还下调MDM2的表达 ， 增加p53蛋白水平 。
NKILA是一种细胞背景决定的lncRNAs ， 在过表达NKILA人乳腺癌细胞系的小鼠异种移植模型中 ， NKILA发挥抑癌作用 。
然而 ， 最近也有研究表明 ， 高表达NKILA可通过诱导细胞毒性T淋巴细胞和Th1细胞死亡 ， 促进肿瘤免疫逃避 ， 促进癌症发展 。
此外 ， 还有两种lncRNAs的特例也受到广泛关注——假基因（pseudogenes）和环状RNAs（circularRNAs,circRNAs） 。
假基因是lncRNAs转录本的一个亚类 ， 其序列与编码基因相似 ， 但已失活 ， 不再产生功能蛋白 。
RNA-seq研究发现 ， 在整个基因组中有数千个假基因转录本 ， 其中许多假基因在特定癌症类型中表达 。
假基因的一种功能是充当诱饵 ， 例如 ， 在大小和结构上与编码基因PTEN基本相同的假基因PTENP1可以作为一种诱饵诱骗靶向PTEN的miRNAs ， 防止PTEN的表达被抑制 。
CircRNAs可以通过与lncRNAs相似的机制发挥促癌或抑癌功能 ， 且显然circRNAs更加稳定 ， 因而具有更好的临床应用前景 。
5ncRNAs在肿瘤诊断方面的临床试验
Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床
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表1：ncRNAs在肿瘤诊断方面的临床试验
6ncRNAs在肿瘤治疗方面的临床试验
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表2：ncRNAs在肿瘤治疗方面的临床试验
7对ncRNAs研究领域的展望
目前对于肿瘤的检测指标依然以组织活检为金标准 。
而如果ncRNAs的诊断能够有效应用于临床 ， 那么基于ncRNAs的血液或尿液检查能够使肿瘤患者免遭侵入性探查的痛苦 。
此外 ， 这种方便快捷的检测方法能够进一步在体检中普及 ， 有利于尽早发现肿瘤并进行针对性治疗 。
近期 ， 在深圳举办的“第六届罗氏诊断全国肿瘤高峰论坛”上 ， 沈阳市肺癌诊治中心、沈阳市胸科医院肿瘤内科主任李茵茵就基于检测循环肿瘤DNA（ctDNA）、循环肿瘤细胞（CTC）和外泌体（Exosome）的液态活检在肺癌中的临床应用进行了分享 。
她指出：“液态活检已成为组织活检的有力补充 。 在部分应用场景中 ， 液态活检相比组织活检具有更大的优势 ， 有助于进一步提高肺癌的精准诊断和个体化治疗水平 。 ”
虽然ncRNAs在肿瘤诊断和治疗方面的应用仍然处于早期阶段 ， 但随着越来越多的机制被探明 ， 我们有理由相信ncRNAs诊断和治疗有望应用于临床 。
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参考文献：
[1]He,L.,&Hannon,G.J..(2004).Micrornas:smallrnaswithabigroleingeneregulation.NatureReviewsGenetics,5(7),522-531.
[2]Chen,J.,Wang,R.,Zhang,K.,&Chen,L.B..(2014).Longnon-codingrnasinnon-smallcelllungcancerasbiomarkersandtherapeutictargets.JournalofCellularandMolecularMedicine,18(12),2425-2436.
—END—


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