Cell阶段总结：非编码RNA从实验走向临床

对于学术明星ncRNA的深度综述

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“The Role of Non-coding RNAs in Oncology”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。

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：

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miRNAs

Micro RNAs（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（microprocessor complex，包括Drosha和DGCR8）识别的特征性发夹结构，随后被切成pre-miRNA，大约60 nt，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）。
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。

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tsRNAs

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-derived small RNAs, 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。

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piRNAs

PIWI-interacting RNAs（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。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。

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lncRNAs

Long non-coding RNAs（lncRNAs）长度大于200 bp，由RNA Pol II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small ncRNAs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）：
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（circular RNAs, 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。

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ncRNAs在肿瘤诊断方面的临床试验

表1：ncRNAs在肿瘤诊断方面的临床试验

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ncRNAs在肿瘤治疗方面的临床试验

表 2：ncRNAs在肿瘤治疗方面的临床试验

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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。

参考文献：

[1] He, L. , & Hannon, G. J. . (2004). Micrornas: small rnas with a big role in gene regulation. Nature Reviews Genetics, 5(7), 522-531.

[2] Chen, J. , Wang, R. , Zhang, K. , & Chen, L. B. . (2014). Long non-coding rnas in non-small cell lung cancer as biomarkers and therapeutic targets. Journal of Cellular and Molecular Medicine, 18(12), 2425-2436.

标签：编码,RNA,ncRNAs,Cell,lncRNAs,转录,miRNA
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