膠質(zhì)母細胞瘤中的非編碼核糖核酸：新興的生物學(xué)概念和潛在的治療意義

發(fā)布時間：2021-06-17 11:04:51 | 閱讀：次| 關(guān)鍵詞：

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　　非編碼核糖核酸(ncRNAs)作為一類新的基因組調(diào)節(jié)劑出現(xiàn)，提出了分子生物學(xué)的新時代。隨著前沿的基因測序技術(shù)的出現(xiàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種不同類型的非編碼RNA，包括微小核糖核酸(miRNAs)、長非編碼核糖核酸(lncRNAs)、環(huán)狀核糖核酸(circRNAs)和piwi相互作用核糖核酸(piRNAs)，它們與許多重要的發(fā)育和疾病過程有關(guān)，正在作為臨床和治療靶點進行研究。膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)是成人大腦中較常見和較致命的癌癥，對其分子表型的研究表明，一些ncRNAs在其發(fā)病機制中經(jīng)常失調(diào)。此外，非編碼核糖核酸調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤生物學(xué)的許多重要方面，包括腫瘤細胞增殖、遷移、侵襲、凋亡、血管生成和自我更新。

膠質(zhì)母細胞瘤

　　1.非編碼基因組——挑戰(zhàn)中心法則

　　分子生物學(xué)的中心教條假設(shè)遺傳信息是從DNA → RNA →蛋白質(zhì)傳遞的。在過去的二十年里，高通量基因組測序技術(shù)的出現(xiàn)挑戰(zhàn)了以前認為轉(zhuǎn)錄組只是基因組和蛋白質(zhì)組之間的信使的觀點。核糖核酸分為兩個不同的類別:信使核糖核酸(被翻譯成蛋白質(zhì))和非蛋白質(zhì)編碼核糖核酸(非編碼核糖核酸)[一].長度小于200 bp的ncRNA轉(zhuǎn)錄物被歸類為小的非編碼RNAs，包括轉(zhuǎn)移RNAs (tRNAs)、小核仁RNAs (snoRNAs)、小核RNAs (snRNAs)、微小RNAs (miRNAs)和piwi相互作用RNAs (piRNAs)等。長非編碼核糖核酸(lncRNAs)被描述為長度超過200個核苷酸且沒有蛋白質(zhì)編碼潛力的轉(zhuǎn)錄物。某些類別的環(huán)狀核糖核酸也屬于環(huán)狀核糖核酸的定義范圍。

　　盡管非編碼核糖核酸不編碼蛋白質(zhì)，但它們含有重要的生物信息，在細胞命運、發(fā)育和疾病中起著多種作用。較近的研究表明它們在調(diào)節(jié)膠質(zhì)母細胞瘤的進展和發(fā)病機制中的作用。特別是在神經(jīng)膠質(zhì)瘤腫瘤干細胞(GSCs)中，其被認為對化療和放療具有抗性并導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)。

　　在這篇文章中，我們通過討論它們的生物發(fā)生和功能，對四種不同的非編碼RNA進行了概述。此外，我們強調(diào)關(guān)鍵的非編碼核糖核酸，并探索它們作為膠質(zhì)瘤生物學(xué)中假定的治療靶點的潛力。我們還討論了各種策略，以開發(fā)其診斷和治療潛力，這可能是一個有價值的介紹性工具，研究非編碼核糖核酸在GBM。

　　2.微小核糖核酸——小型但強大的基因調(diào)控機器

　　微小核糖核酸可能是研究較深入、特征較廣泛的一類非編碼核糖核酸。它們是17-22個核苷酸長的短的內(nèi)源性RNAs，轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因表達并介導(dǎo)基因沉默。1993年，維克多·安布羅斯和他的同事們在1994年發(fā)現(xiàn)了一個微小核糖核酸秀麗隱桿線蟲，當時他們描述了一種由lin-4基因座編碼的小核糖核酸，這種小核糖核酸在蠕蟲胚后發(fā)育過程中控制細胞的時間同一性方面起著至關(guān)重要的作用。自一次發(fā)現(xiàn)以來，在271種不同的生物體中總共發(fā)現(xiàn)了48，860個成熟的微小核糖核酸。此外，在人類中，大約1917個發(fā)夾前體和至少2654個成熟的微小核糖核酸已被注釋。人類中大約一半(46%)的微小核糖核酸是基因內(nèi)的，由蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄物的內(nèi)含子加工而成，相對較少由外顯子加工而成。其余的(54%)是獨自于基因間非編碼pri-miRNA轉(zhuǎn)錄物產(chǎn)生的，由它們自己的啟動子調(diào)控。毫無疑問，微小核糖核酸是一類更豐富的基因調(diào)節(jié)分子，對正常發(fā)育至關(guān)重要，因為它們能夠影響蛋白質(zhì)編碼基因的表達。因此，不出所料，它們的異常表達與幾種疾病過程有關(guān)。

　　3.長非編碼核糖核酸——從“暗物質(zhì)”到基因組調(diào)控

　　2009年，古特曼和他的同事們大規(guī)模地發(fā)現(xiàn)了低核苷酸多態(tài)性的廣度，他們使用染色質(zhì)狀態(tài)圖結(jié)合大規(guī)模平行的核糖核酸測序來表征散布在蛋白質(zhì)編碼位點之間的離散轉(zhuǎn)錄單位。使用這種方法，他們在哺乳動物中鑒定了1000多種高度保守的大型基因間非編碼核糖核酸(lincRNAs)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些lincRNAs中的許多調(diào)節(jié)不同的生物過程，包括細胞周期調(diào)節(jié)、免疫監(jiān)視和多能性。此外，約20%的lincRNAs與染色質(zhì)修飾復(fù)合物有關(guān)，并已被證明在細胞分化和發(fā)育過程中調(diào)節(jié)染色質(zhì)構(gòu)象和影響基因表達。目前，在人類中有超過167，000個帶注釋的非編碼基因，其中大部分的功能和生物學(xué)相關(guān)性仍然是一個謎。

　　長非編碼核糖核酸通常由它們相對于鄰近蛋白質(zhì)編碼基因的位置來定義，并且被分類為基因間的(在兩個蛋白質(zhì)編碼基因之間)、內(nèi)含子的(從蛋白質(zhì)編碼基因的內(nèi)含子內(nèi)部轉(zhuǎn)錄)、雙向的(從蛋白質(zhì)編碼基因的啟動子發(fā)散轉(zhuǎn)錄)或反義的(從蛋白質(zhì)編碼基因的3’末端內(nèi)部啟動并以相反的方向轉(zhuǎn)錄)。它們具有多種功能，包括通過與蛋白質(zhì)和其他核糖核酸分子的相互作用來調(diào)節(jié)基因表達，通過旁分泌形成來組織核結(jié)構(gòu)域，以及順式或反式形成的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。像蛋白質(zhì)一樣，lncRNA的功能依賴于它們的亞細胞定位。在細胞核中，已顯示出低核受體通過形成副無核體來組裝核結(jié)構(gòu)域，與染色質(zhì)修飾復(fù)合物結(jié)合，調(diào)節(jié)基因表達和轉(zhuǎn)錄沉默，并介導(dǎo)染色體內(nèi)和染色體間的基因-基因相互作用。相比之下，細胞質(zhì)lncRNAs通過調(diào)節(jié)mRNA的翻譯和穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)的定位和周轉(zhuǎn)、控制細胞質(zhì)因子并調(diào)節(jié)它們的可利用性以及參與共享信號通路的蛋白質(zhì)支架來控制基因表達。

　　毫無疑問，lncRNAs已經(jīng)成為基因表達的一類重要調(diào)節(jié)因子，并可能在多種疾病的病因?qū)W中發(fā)揮重要作用。

　　4.相互作用的小核糖核酸——具有大功能的小核糖核酸

　　皮維相互作用的核糖核酸較初是由阿拉文和他的同事在2001年發(fā)現(xiàn)的184] in果蠅作為一類沉默的“長siRNAs”星形的，X染色體上的多拷貝基因。它們很可能是哺乳動物中較大的一類非編碼核糖核酸，僅在人類中就鑒定出30，000多個成員，定位于數(shù)千個反轉(zhuǎn)座因子編碼的基因組位點，并與哺乳動物的許多功能和疾病過程相關(guān)，包括癌癥發(fā)展。

　　Piwi相互作用核糖核酸是25-27長的核苷酸，從稱為piRNA簇的基因組位點轉(zhuǎn)錄，由長的單鏈前體轉(zhuǎn)錄物加工，然后裝載到Piwi蛋白質(zhì)家族?；蛘撸鼈兺ㄟ^乒乓循環(huán)被擴增，在乒乓循環(huán)中，與反義piRNAs相關(guān)的PIWI蛋白切割有義鏈中的PIRNAs前體，反之亦然。piRNA的生物學(xué)功能取決于它們的細胞位置，但主要涉及轉(zhuǎn)座子的沉默。轉(zhuǎn)座子是基因組中可以改變其在基因組中位置的區(qū)域，可以通過插入新的位點來促進非法重組、雙鏈DNA斷裂或編碼序列的損害。在細胞核中，PIrNA-Piwi復(fù)合物可以通過甲基化轉(zhuǎn)座子區(qū)域或在轉(zhuǎn)座子周圍引入染色質(zhì)修飾來控制轉(zhuǎn)座子的表達。然而，在細胞質(zhì)中，轉(zhuǎn)座核糖核酸可以降解反轉(zhuǎn)座子相關(guān)的核糖核酸，促進核糖核酸的成熟，并通過類似核糖核酸的機制促進核糖核酸的切割。

　　特別是在癌癥中，PIrNA-Piwi復(fù)合物已被證明通過序列互補和沉默機制成分的募集介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄基因沉默，以及通過類似于miRNA機制的PIrNA-RNA相互作用介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄后基因沉默。除此之外，PirNA-Piwi復(fù)合物還可以招募DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)來甲基化位于基因組內(nèi)非轉(zhuǎn)座因子位點附近的CpG島，從而合適地改變轉(zhuǎn)錄活性。較后，PIrNA-Piwi復(fù)合物可以直接與蛋白質(zhì)結(jié)合，并通過磷酸化促進其活化，從而促進信號通路活化。

　　雖然piRNAs與其他癌癥有關(guān)，但探索其在膠質(zhì)細胞瘤形成中的作用的文獻有限。PIWI家族基因，PIWIL1，已被證明在體外和體內(nèi)神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型中調(diào)節(jié)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的生長、侵襲和遷移，并與不良預(yù)后有關(guān)。2016年，Jacobs等人從膠質(zhì)母細胞瘤全基因組關(guān)聯(lián)研究中收集了1840例膠質(zhì)瘤患者樣本和2401例對照的數(shù)據(jù)，并分析了1428例piRNAs與膠質(zhì)瘤之間的關(guān)聯(lián)。他們確定了五個與神經(jīng)膠質(zhì)瘤風(fēng)險增加相關(guān)的潛在危險基因。此外，發(fā)現(xiàn)piR-598能提高神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的存活率和集落形成。此外，PIWIL1/piRNA的下調(diào)已被證明通過MEG3/miR-330-5p/RUNX3軸促進血液腫瘤屏障(BTB)滲透性。在另一項研究中，發(fā)現(xiàn)PIWIL3/OIP 5-AS1/MiR-367-3p/CEPPA(CCAAT/增強子結(jié)合蛋白α)反饋環(huán)可調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤細胞生長，PIWIL 3或piR-30188的過表達可聯(lián)合或單獨控制膠質(zhì)瘤進展。

　　piRNAs生物學(xué)領(lǐng)域相對較新，但由于PIRNAs通過表觀遺傳機制調(diào)節(jié)基因表達的能力而顯示出前景。進一步的研究可能闡明它們在調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生中的作用以及它們作為治療和預(yù)后標志物的潛力。

　　結(jié)論和未來方向

　　非編碼核糖核酸已經(jīng)成為一類新的生物調(diào)節(jié)劑，在調(diào)節(jié)腫瘤發(fā)生中具有多種不同的功能。隨著測序技術(shù)的出現(xiàn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾種不同類型的非編碼RNA，包括miRNAs、lncRNAs、circRNAs和piRNAs，它們都是膠質(zhì)瘤生物學(xué)中的潛在參與者。它們在GBM中經(jīng)常失調(diào)，并調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤發(fā)展的許多方面，包括細胞增殖、遷移、侵襲、凋亡、血管生成和自我更新。由于其生物發(fā)生、長度和機制的多樣性，需要開發(fā)更簡化的方法來幫助理解其作為GBM背景下潛在治療靶點的動力學(xué)。此外，由于許多非編碼核糖核酸具有組織特異性表達，它們可以作為潛在的評估和預(yù)后生物標志物來研究，以評估治療結(jié)果以及對化學(xué)輻射的耐藥性。未來的研究還應(yīng)該集中在理解其他類別的非編碼核糖核酸，包括非編碼核糖核酸和編碼核糖核酸，在膠質(zhì)瘤發(fā)展中的作用。

　　此外，核酸療法，包括反義寡核苷酸、反義寡核苷酸和反義寡核苷酸，可用于靶向非編碼核酸，并在體外和體內(nèi)調(diào)節(jié)其表達。改變這些治療方法并好轉(zhuǎn)其遞送和生物利用度的方法的數(shù)量使得在臨床上治療性靶向ncRNAs成為現(xiàn)實。然而，需要更好地理解核酸治療的非靶效應(yīng)和潛在毒性。CRISPR-Cas9是另一種令人興奮的技術(shù)，可用于靶向ncRNAs，然而，需要進一步的研究來充分了解其效果和應(yīng)用。

　　總之，非編碼核糖核酸代表了一類激動人心的生物分子，用于調(diào)節(jié)GBM的許多標志特征，并可用于更好地控制這種疾病的進展。