lncRNA与miRNA相互作用对中枢神经系统发育的影响
时间：2023-01-21 16:10:05 来源：天一资源网 本文已影响 人 
赵培源 陈少昀 刘喜红
河南中医药大学1医学院，2第二临床医学院（郑州 450046）
人类中枢神经系统（central nervous system，CNS）是高度进化的生物系统，由神经元和胶质细胞亚型组成，它们负责调节CNS 的复杂功能。人类基因组中非编码基因占比高达98%，机体复杂性状的差异可能即源于非编码转录产物的不同［1］。非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）包括微小RNA（microRNA，miRNA）、长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和核仁小分子RNA等。miRNA 是20-23 nt 构成的单链RNA，通过与靶mRNA 结合来降解或抑制其翻译；
lncRNA 是长度至少200 nt 的非蛋白编码转录本，它与mRNA 稳定性、竞争性内源RNA（competing endogenous RNA，ceRNA）和翻译活性有关［2］。特异性lncRNA 和miRNA 的动态和时空表达参与了神经干细胞的增殖分化，神经突起生长，突触稳定性调节和髓鞘形成等［3］，本文就lncRNA 与miRNA 的相互调控作用对CNS 发育的影响进行介绍。
1.1 lncRNA 调控miRNA
1.1.1 lncRNA 作为miRNA 的来源50%的miRNA 由非编码转录本产生，lncRNA 基因内含子或外显子中含有嵌入的miRNA 序列，可作为miRNA 前体，通过细胞内RNA 剪接产生特定miRNA，并增强对靶mRNA 的转录后调控。如miR-15a 位于宿主基因lncRNA DLEU2 的内含子中，过表达DLEU2能以miR-15a 依赖方式阻止肿瘤细胞增殖［4］。lncRNA MIR155HG 外显子中含有miR-155 基因，它能通过增强miR-155 的转录活性，促进喉癌细胞的增殖、迁移［5］。
1.1.2 lncRNA作为miRNA的“海绵”分子lncRNA可作为miRNA 的负调节因子，通过miRNA 应答元件竞争性结合靶miRNA，抑制miRNA 靶基因降解，调节其表达，此即ceRNA 机制，这种竞争性结合miRNA 的作用为miRNA 海绵作用。如lncRNA SNHG1 能够靶向miR-7，作为ceRNA 调节NLRP3，促进小鼠脑神经元损伤［6］；
lncRNA HOTAIR 通过ceRNA 机制结合miR-126-5p，调控RAB3IP 抑制神经元自噬并促进神经元死亡［7］。
1.1.3 lncRNA 与miRNA 竞争性结合miRNAlncRNA 可以竞争性地与miRNA 靶基因的3"UTR结合，来抑制miRNA 对靶基因的负向调控。如miR-485-5p 和lncRNA BACE1-AS 在β-分泌酶-1（β-secretase-1，BACE1）转录本的外显子拥有共同结合位点，BACE1-AS 通过掩盖BACE1 中的共同结合位点阻止miR-485-5p 降解BACE1，增强BACE1的稳定性来实现其调控作用［8］。
1.2 miRNA 调控lncRNA
1.2.1 miRNA降低lncRNA的稳定性及表达lncRNA有着类似于mRNA 的转录过程，因此miRNA 能以类似调节mRNA 的方式，通过碱基互补配对结合靶lncRNA 的3"UTR，调控其结构和功能的稳定性［1］。miR-21 可以调控靶基因PTEN 和TPMl 的表达，lncRNA GAS5 与miR-21 竞争性结合能延长PTEN 和TPMl 的半衰期，而两者结合后，miR-21 又能减弱lncRNA GAS5 的稳定性，加速lncRNA GAS5降解。miRNA 可引起lncRNA 衰变，如miR-217 能通过Ago2 蛋白抑制lncRNA MALAT1，引起其衰变［9］。
1.2.2 miRNA增强lncRNA表达胞质中的miRNA可以重新回到细胞核并调节lncRNA 的转录［10］。miR-140 可以促进脂肪的生成，敲除该基因后lncRNA NEAT1 水平下调，同时脂肪干细胞成脂能力降低，研究表明miR-140 可以进入细胞核，通过特异性结合lncRNA NEAT1，促进NEAT1 表达，提高其核稳定性，调节脂肪生成［11］。
CNS 发育过程中，lncRNA 与miRNA 的相互调节作用对大脑的发育和认知能力至关重要，它们不仅参与神经干细胞的增殖、分化与凋亡，还调节神经突起生长、突触稳定性和髓鞘形成等多个过程（表1）。
表1 lncRNA-miRNA 相互调控在CNS 发育中的作用Tab.1 The Roles of LncRNA-miRNA Interaction on the Development of the CNS
2.1 调节神经干/祖细胞的增殖、分化与凋亡胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）是神经细胞分化发育的起源，miR-145 可以靶向核心转录因子Oct4、Sox2 抑制ESCs 分化，而linc-RoR 能以ceRNA方式竞争性结合miR-145，调节ESCs 的分化［12］。
miRNA 和lncRNA 可以维持神经祖细胞池。研究发现，LncND 能作为miR-143-3p 的海绵分子，miR-143-3p 可以靶向Notch-1 和Notch-2，神经母细胞瘤细胞敲除LncND 可以下调Notch-1 和Notch-2水平，促进细胞分化为神经元，这与Notch 在神经元分化中的功能一致。此外，LncND 在人皮质放射状胶质细胞中高表达，并通过Notch 信号通路在大脑皮层扩张过程中起到维持神经祖细胞池的作用［13］。
LncRNA Gm21284 可作为ceRNA 结合miR-30e-3p，抑制海马神经干细胞的增殖，并促进其向胆碱能神经元分化［14］。Sox6 是关键的神经分化基因，miR-96 和miR-467a-3p 都可以靶向Sox6 3"UTR，lncRNA Rik-201 和Rik-203 则以ceRNA 作用分别吸附miR-96 和miR-467a-3p，抑制其与Sox6 的结合，进一步调节神经分化［15］。Rik-203 还可以与miR-101a-3p 相互作用，以ceRNA 机制调控下游靶标GSK-3β 从而促进神经分化［16］。LncRNA 1604在神经分化过程中高度表达，它是miR-200c 的ceRNA，通过调控核心转录因子ZEB1 和ZEB2 促进神经分化［17］。
一些ncRNA 在胶质细胞成熟中发挥重要作用，如沉默lncRNA UCA1 能抑制神经干细胞向星形胶质细胞分化并促进其向神经元分化，研究表明UCA1 以ceRNA 机制通过miR-1/Hes1 轴调控神经干细胞的增殖分化［18］；
miR-128-3p 在脑内过表达能抑制神经元分化并增强胶质细胞分化，lncRNA MEG3 作为miR-128-3p 的负向调节因子通过CREB 通路促进神经元分化［19］。
miRNA 和lncRNA 还可以调节神经祖细胞的凋亡。研究发现，miR-9 可以与促凋亡基因Bcl2l11结合，抑制神经细胞凋亡，而lncRNA TUG1 通过ceRNA 方式与miR-9 结合，促进Bcl2l11 表达，加速神经祖细胞凋亡［20］。
综上所述，通过精准调控ncRNA 调控网络，靶向下游基因和通路，可以调控神经祖细胞活性，诱导神经元分化，未来可能在神经元损伤相关疾病中作为潜在治疗靶点。
2.2 调节神经突起生长神经突起的生长参与神经系统发育过程中神经网络的建立。Spastin 是一种调节神经突起生长的蛋白，Spastin 表达水平受到lncRNA MALAT1/miR-30 轴调控，过表达miR-30，Spastin 表达和促神经突起生长作用被抑制；
而过表达MALAT1 能够逆转该抑制，MALAT1 能吸附miR-30 调节Spastin 表达，影响神经突起生长［21］。因此，对MALAT1/miR-30/Spastin 轴的深入研究可能为治疗遗传性痉挛性截瘫和其他神经元功能障碍性疾病开辟潜在的新途径。
2.3 调节突触稳定性神经系统发育过程中，形成稳定的突触很重要，小脑肽1（cerebellin-1，Cbln1）是形成和维持突触的重要分子。lncRNA Synage 在小脑中富集，其基因座与Cbln1 基因座相邻，miR-325-3p 能同时结合Cbln1 和Synage，过表达miR-325-3p 能降低Cbln1 和Synage 的水平，证实Synage作为miR-325-3p 的海绵分子调节Cbln1 的表达从而调节小脑突触稳定性［22］。因此，调节Synage/miR-325-3p 信号轴可以影响突触功能和稳定性，进而影响神经元的生长，针对该信号轴的治疗策略将对缓解小脑神经发育障碍具有重要意义。
2.4 调节髓鞘的形成少突胶质细胞（oligodendrocyte，OL）形成髓鞘并确保CNS 神经电信号的快速传导。一项测序鉴定了在少突胶质前体细胞（oligodendrocyte progenitor cell，OPC）分化期间高表达的lncRNA（lncOL 1-4），敲低任何一种lncRNA 均能导致髓鞘相关蛋白表达降低［23］。此外，miR-219在促进OL 分化中有重要作用，而miR-219-2 基因位于lncOL4 的内含子中，lncOL4 的敲低导致miR-219 下调［24］，这表明lncOL4 通过调节miR-219 控制OL 分化，调控髓鞘形成。lncRNA Gm7237 位于OPC 胞质中，过表达Gm7237 能增强髓鞘碱性蛋白的水平，它通过ceRNA 机制与miR-142a 结合，调节髓鞘基因调控因子（myelin gene regulatory factor，MRF）进而促进CNS 髓鞘形成［25］。
OL中miRNA水平存在差异，miR-23a是OL中的小RNA 之一，miR-23a 能增强OL 分化，过表达miR-23a可以消除核纤层蛋白B1对OL的不良影响。miR-23a 的靶标包括lncRNA 2700046g09Rik 和PTEN，miR-23a能上调2700046g09Rik的转录并抑制PTEN表达，而2700046g09Rik反过来可以延长miR-23a的半衰期。这提示了miR-23a 可能与2700046g09Rik协同作用，通过介导PTEN/PI3K/AKT/mTOR 信号转导级联来调节CNS的髓鞘形成［26］。
综上所述，lncRNA-miRNA 调控网络在OL 分化和髓鞘形成中有着独特的表达模式，突出了ncRNA 在神经退行性疾病如多发性硬化和阿尔茨海默病中作为促进髓鞘再生分子疗法的治疗潜力，尤其是干预OL 中特异性表达的ncRNA 对其他细胞类型影响较小，未来将降低该疗法可能引起的副作用。
lncRNA/miRNA 在CNS 中相互作用的深入研究有助于完善对复杂神经网络的认识。目前ceRNA 仍是lncRNA-miRNA 相互作用在CNS 发育中的主要调控机制，未来可以通过空间转录组测序和单细胞测序等新方法获取对于ncRNA 时空差异性表达的信息。然而目前在海量测序数据中识别lncRNA-miRNA 相互作用仍较困难，最近研究提出lncRNA 和miRNA 关联预测的计算模型，并通过机器学习技术来提高预测的准确性和稳健性［27］，但仍需更多的基础研究明确ncRNA 的确切机制；
另外，将反义寡核苷酸和siRNA 有效递送到大脑以调控ncRNA 的水平将是未来RNA 靶向治疗的重要研究方向。揭示lncRNA 与miRNA相互作用并开发相应的口服脑渗透剂靶向药物将对CNS 发育异常及退行性疾病的治疗产生深远的影响。
