陳威存,苑 影,柯碧蓮
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一人民醫(yī)院眼科,上海 200080
在人類基因組中,非編碼RNA (non-coding RNA,ncRNA) 是一類不具有蛋白質(zhì)編碼功能的RNA,主要包括微RNA(microRNA,miRNA)、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、環(huán)狀RNA(circular RNA,circRNA),可參與機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育、免疫反應(yīng)、腫瘤形成等多種病理生理過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn),非編碼RNA 能在多個(gè)生物水平調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖、感染及免疫應(yīng)答。其中, miRNA 能夠與信使RNA (message RNA,mRNA)結(jié)合并誘導(dǎo)其沉默降解,進(jìn)而限制基因轉(zhuǎn)錄之后的表達(dá)。lncRNA 組織特異性高,屬一類多功能調(diào)節(jié)分子,雖然lncRNA相較于miRNA序列保守性較低,但具有不同層面的調(diào)節(jié)功能。lncRNA 調(diào)控主要分為4 個(gè)層次:①表觀遺傳學(xué)修飾。lncRNA 能夠改變DNA/RNA 甲基化狀態(tài)、染色體結(jié)構(gòu)從而控制基因表達(dá)。②轉(zhuǎn)錄調(diào)控。lncRNA 能與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合從而控制基因轉(zhuǎn)錄活性。③參與mRNA 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控過(guò)程。例如RNA 編輯、蛋白翻譯、可變剪切。④控制miRNA 從而影響mRNA 表達(dá)。lncRNA 亦可與mRNA競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miRNA(海綿作用),阻止miRNA 與靶基因結(jié)合[1]。circRNA 除了高度組織特異性以外,由于共價(jià)環(huán)結(jié)構(gòu)維持其高穩(wěn)定性,是一類具有生物醫(yī)學(xué)潛力的非編碼RNA[2]。
近視是一種眼球過(guò)度發(fā)育性疾病,當(dāng)眼軸延長(zhǎng)時(shí),遠(yuǎn)處的平行光線無(wú)法聚焦于視網(wǎng)膜上,導(dǎo)致患者視遠(yuǎn)不清。我國(guó)是近視大國(guó),近視的發(fā)病率過(guò)去20年間上升了約20%,且近年來(lái)呈現(xiàn)高度化趨勢(shì),我國(guó)將面臨嚴(yán)重的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)[3]。SUN 等[4]發(fā)現(xiàn),大學(xué)生近視患病率為95.5%,其中高度近視占19.5%。東亞、東南亞地區(qū)近視患病情況尤為嚴(yán)重,據(jù)調(diào)查[5],青壯年近視人數(shù)占80%~90%,高度近視的患病率則高達(dá)10%~20%。一項(xiàng)全球性的報(bào)道[6]中預(yù)測(cè),全球近視人口在2050 年將達(dá)到總?cè)丝跀?shù)一半,其中10%為高度近視人群。而高度近視容易伴發(fā)可威脅視覺(jué)功能的并發(fā)癥[7],如視網(wǎng)膜脫離、青光眼、黃斑脈絡(luò)膜變性等[8]。目前,臨床上對(duì)于近視的矯正多采用配戴眼鏡或屈光手術(shù)等對(duì)癥治療的方法,對(duì)于近視病因的研究是臨床亟待解決的難點(diǎn)和重點(diǎn)問(wèn)題[9]。近視發(fā)病的經(jīng)典研究認(rèn)為,近視過(guò)程中,視覺(jué)信號(hào)作用于視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞或視網(wǎng)膜細(xì)胞,刺激并釋放一些細(xì)胞因子[10],進(jìn)而傳導(dǎo)至鞏膜組織,導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)重塑、膠原降解及鞏膜變薄,最終導(dǎo)致眼球延長(zhǎng),近視發(fā)生發(fā)展[11]。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,近視是環(huán)境因素和遺傳因素互相作用的一類疾病。因此探究近視基因的表達(dá)、修飾以及各種RNA 系統(tǒng)的改變顯得尤為重要[12]。
近年非編碼RNA 在近視研究中受到越來(lái)越多學(xué)者們的關(guān)注?;跍y(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)的快速發(fā)展,與近視相關(guān)的復(fù)雜調(diào)控及代謝通路的研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。因此,本篇綜述總結(jié)了與近視相關(guān)的非編碼RNA 研究進(jìn)展,及其在近視發(fā)病機(jī)制中的潛在作用,以期提供更多防控近視的干預(yù)靶點(diǎn)和思路。
miRNA 是一類長(zhǎng)度約22 個(gè)核苷酸的單鏈非編碼RNA,大部分具有高度保守性。成熟的miRNA 識(shí)別并結(jié)合靶向mRNA 非編碼區(qū)(3'-UTR),促進(jìn)目標(biāo)mRNA 降解或抑制mRNA 翻譯,從而調(diào)控基因表達(dá)[13-15]。大量研究證實(shí)miRNA 廣泛參與細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞代謝等各種細(xì)胞生物學(xué)活動(dòng)[16]。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)miRNA 與近視密切相關(guān),基于miRNA 表達(dá)譜與基因表達(dá)調(diào)控的相關(guān)研究,可能為延緩近視進(jìn)展提供一條重要線索。下文以視網(wǎng)膜和鞏膜為靶組織描述近視發(fā)生發(fā)展的分子生物學(xué)機(jī)制。
METLAPALLY 等[17]首次應(yīng)用miRNA 表達(dá)譜技術(shù)分析鞏膜的發(fā)育情況。通過(guò)比較成人與胎兒(24周)鞏膜組織的miRNA,探索差異表達(dá)的miRNA 與膠原調(diào)節(jié)、細(xì)胞外基質(zhì)重塑之間的關(guān)聯(lián),從而尋找影響眼球生長(zhǎng)發(fā)育的 miRNA。 定量反轉(zhuǎn)錄 PCR(quantitative reverse transcription PCR,qRT-PCR)結(jié)果證實(shí),胎兒鞏膜周邊部與后級(jí)部組織中miR-214、let-7e、miR-103、miR-107、miR-98 表達(dá)顯著上調(diào),而let-7b 和let-7c 僅在成人和胎兒后極部表達(dá)有差異。根據(jù)胎兒鞏膜處于快速成長(zhǎng)期,可能與近視發(fā)展時(shí)鞏膜生長(zhǎng)的過(guò)程類似,因此推測(cè)胎兒鞏膜差異表達(dá)發(fā)現(xiàn)的miRNA 可能與近視時(shí)膠原蛋白代謝、鞏膜重塑密切相關(guān)。
為了探索miRNA對(duì)近視鞏膜重塑的作用及機(jī)制,TANAKA 等[18]應(yīng)用負(fù)透鏡誘導(dǎo)的近視(lens induced myopia,LⅠM) 小鼠模型,對(duì)鞏膜進(jìn)行miRNA 微陣列分析發(fā)現(xiàn):與對(duì)照組相比,近視小鼠鞏膜檢測(cè)出大量差異表達(dá)miRNA,其中30 個(gè)miRNA上調(diào),40 個(gè)miRNA 下調(diào)。此外,與眼內(nèi)其他組織間差異表達(dá)miRNA 關(guān)聯(lián)性分析發(fā)現(xiàn):mmu-miR-7047-3p、mmu-miR-7085-3p 和mmu-miR-96-5p 在眼前節(jié)及后節(jié)組織樣本中顯著高表達(dá)。GUO 等[19]為了深入研究鞏膜重塑在近視發(fā)展過(guò)程中的機(jī)制,對(duì)LⅠM的豚鼠鞏膜組織進(jìn)行高通量測(cè)序分析,鑒定出27 個(gè)差異表達(dá)miRNA,這些miRNA 與過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor,PPAR)信號(hào)、丙酮酸和丙酸乙酯代謝以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)等信號(hào)通路有密切關(guān)聯(lián)。研究[19]表明,上調(diào)的rno-miR-19b-3p 可能是過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α (peroxisome proliferators-activated receptor-α,PPAR-α)潛在的直接調(diào)節(jié)器,而PPAR-α 已被證實(shí)在LⅠM 豚鼠鞏膜組織表達(dá)下調(diào)。針對(duì)鞏膜組織在不同近視動(dòng)物模型的高通量分析,獲得許多可能在近視發(fā)展過(guò)程中起調(diào)節(jié)作用的miRNA 及可能的代謝通路,但其具體機(jī)制仍待確認(rèn)。
METLAPALLY 等[20]對(duì)形覺(jué)剝奪性近視(form deprived myopia, FDM)小鼠進(jìn)行miRNA 與mRNA差異表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),54 個(gè)miRNA 和261 個(gè)mRNA 呈現(xiàn)差異表達(dá)。后續(xù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在FDM 小鼠模型中l(wèi)et-7a顯著下調(diào),miR-16-2 顯著上調(diào)。此外,3 個(gè)候選mRNA 靶基因Smok4a、Prph2和Gnat1可作用于近視時(shí)鞏膜細(xì)胞的調(diào)控。TKATCHENKO 等[21]研究FDM 10 d 的小鼠視網(wǎng)膜miRNA 表達(dá)譜,共發(fā)現(xiàn)53 個(gè)差異表達(dá)miRNA,其中37 個(gè)上調(diào),16 個(gè)下調(diào)。經(jīng)過(guò)ⅠPA基因交互網(wǎng)絡(luò)軟件分析,發(fā)現(xiàn)其中9個(gè)mRNA 與神經(jīng)形成的相關(guān)信號(hào)通路有所重疊。MEⅠ等[22]收集FDM 34 d 小鼠模型的眼組織,以微陣列的數(shù)據(jù)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),視網(wǎng)膜組織中獲得24個(gè)差異表達(dá)miRNA,其中2 個(gè)miRNA(miR-466h-5p 與miR-466j)富集于突觸傳遞的相關(guān)生物過(guò)程中,如軸突引導(dǎo)和TGF-β信號(hào)通路。LⅠU 等[23]通過(guò)FDM 近視小鼠的miRNA表達(dá)譜分析進(jìn)行全面的生物信息學(xué)分析,以尋找近視相關(guān)miRNA;該研究將GSE58124 和GSE84220 這2 個(gè)原始微陣列數(shù)據(jù)集信息進(jìn)行合并,觀察到mmumiR-1936、mmu-miR-338-5p 和mmu-miR-673-3p 3 個(gè)與近視顯著相關(guān)的上調(diào)miRNA,靶基因主要為富集在視網(wǎng)膜組織的發(fā)育和泛素化結(jié)合相關(guān)的基因。此外, 前2 個(gè)miRNA 在定量聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative PCR,qPCR)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也觀察到差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此,根據(jù)結(jié)果可知,mmu-miR-1936、mmu-miR-338-5p 和mmu-miR-673-3p 上調(diào)可能與近視發(fā)展過(guò)程中的調(diào)控有關(guān)。根據(jù)不同動(dòng)物近視模型視網(wǎng)膜組織的miRNA 研究分析,確定了對(duì)照組與近視組表達(dá)差異的miRNA,提供更多近視潛在的生物標(biāo)志物。可見(jiàn),視網(wǎng)膜組織細(xì)胞中也包括許多調(diào)節(jié)近視的差異表達(dá)miRNA,但需等待更進(jìn)一步的功能試驗(yàn)驗(yàn)證與近視發(fā)展機(jī)制的關(guān)系。
miR-29a 具有調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)的功能,被認(rèn)為是治療近視的一個(gè)潛在靶標(biāo)。研究證實(shí),miR-29a 與Ⅰ型膠原蛋白α1 鏈(collagen type Ⅰα1,COL1A1)和基質(zhì)金屬蛋白酶2 (matrix metallopeptidase 2,MMP2)的表達(dá)密切相關(guān)。近視模型研究證實(shí),鞏膜組織中COL1A1表達(dá)減少,MMP2表達(dá)增加[24-26]。XⅠE 等[27]研究發(fā)現(xiàn),miR-29a 可靶向COL1A1基因,使位于單核苷酸位點(diǎn)rs157907 的G 等位基因產(chǎn)生突變,從而降低近視風(fēng)險(xiǎn)。ZHANG 等[28]過(guò)表達(dá)RPE細(xì)胞和人類鞏膜成纖維細(xì)胞的miR-29a 發(fā)現(xiàn),近視相關(guān)基因MMP2表達(dá)受到抑制。WANG 等[29]證明京尼平藥物能夠抑制豚鼠近視模型miR-29 簇和MMP2基因,促進(jìn)COL1A1在鞏膜組織的表達(dá),可作為近視的一種干預(yù)策略。ZHU 等[30]的研究結(jié)果顯示近視組miR-29a 表達(dá)水平顯著高于對(duì)照組;該團(tuán)隊(duì)以高通量測(cè)序的方法鑒定高度近視患者房水的miRNA表達(dá)譜,研究提取高度近視患者與對(duì)照組白內(nèi)障患者的房水進(jìn)行比對(duì),找出262 個(gè)miRNA 表達(dá)上調(diào),5 個(gè)表達(dá)下調(diào),其中包括17 個(gè)新發(fā)現(xiàn)的miRNA,通過(guò)qPCR 驗(yàn)證高度近視患者的hsa-let-7i-5p、hsa-miR-127-3p 和hsa-miR-98-5p 的表達(dá)具有潛在意義。進(jìn)一步分析研究[31]發(fā)現(xiàn),miR-29a 在高度近視患者的房水和血漿有更高的表達(dá)水平。調(diào)控機(jī)制方面,miR-29a 能夠抑制人成纖維細(xì)胞的Ⅰ型膠原蛋白合成,可作為調(diào)節(jié)近視發(fā)育的生物標(biāo)志物進(jìn)行進(jìn)一步研究。此外,miR-29a 除了在近視模型中調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì),也可在近視患者房水靶組織中起調(diào)控作用。
研究表明,miR-328 與近視相關(guān)基因PAX6(paired box 6)、MMP2、HOXA9(homeobox A9)有關(guān)聯(lián)[26,32-34]。CHEN 等[35]證實(shí),miR-328 與PAX6基因在人類RPE 細(xì)胞和鞏膜成纖維細(xì)胞都有顯著表達(dá)。LⅠANG 等[36]研究表明PAX6的單核苷酸位點(diǎn)rs662702 可能與miR-328 結(jié)合調(diào)節(jié)近視發(fā)展。當(dāng)miR-328 結(jié)合rs662702 的C 等位基因,會(huì)負(fù)向調(diào)節(jié)靶基因PAX6,并增加MMP2的表達(dá)。同時(shí),視黃酸會(huì)根據(jù)劑量依賴性地增加miRNA-328 的表達(dá),進(jìn)而抑制PAX6的表達(dá)。根據(jù)先前文獻(xiàn)報(bào)道[37-38],視黃酸反應(yīng)組件位于miRNA-328 啟動(dòng)子中,可能在FDM 模型的代謝變化中發(fā)揮作用。KUNCEVⅠCⅠENE 等[39]檢測(cè)近視患者外周血樣本發(fā)現(xiàn),miR-328 表達(dá)顯著上調(diào),但是miR-328與PAX6基因(rs662702)多態(tài)性之間的關(guān)聯(lián)未被證實(shí)。LⅠANG等[40]研究發(fā)現(xiàn)上調(diào)人類及小鼠原代RPE 細(xì)胞miR-328 水平,HOXA9表達(dá)亦增加,PAX6基因水平則被抑制。KUNCEVⅠCⅠENE 等[41]通過(guò)外周血樣本以及眼底照相分析RPE 細(xì)胞的光密度與miR-328 和PAX6基因(rs662702)多態(tài)性的關(guān)系。結(jié)果表明,近視患者會(huì)隨著血液中miR-328 的上升,RPE細(xì)胞的光密度顯著減低,但是rs662702單核苷酸基因型變體與RPE 細(xì)胞的光密度無(wú)顯著關(guān)聯(lián)。miR-328 的調(diào)控機(jī)制可以解釋近視者和健康者之間,各個(gè)組織細(xì)胞分子不同的調(diào)節(jié)作用。
lncRNA 是大于200 個(gè)核苷酸的非編碼轉(zhuǎn)錄物質(zhì),一般存在于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)內(nèi),多數(shù)不具備編碼翻譯功能,但少量lncRNA 能編碼小蛋白參與生物過(guò)程[42]。根據(jù)基因組上的特定位置可將lncRNA 分為5 種類別,分別是反義、有義、雙向、內(nèi)含子和基因間RNA[43]。許多研究證實(shí)lncRNA 是控制細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、基因組完整性的關(guān)鍵分子[44]。lncRNA 在眼腫瘤、青光眼、白內(nèi)障、視網(wǎng)膜等眼部疾病均有研究報(bào)道[45]。近年來(lái),lncRNA 調(diào)控近視的作用受到學(xué)者的關(guān)注。GENG 等[46]對(duì)FDM 和LⅠM 的豚鼠視網(wǎng)膜、脈絡(luò)膜及鞏膜樣本,采用高通量RNA 測(cè)序分析,結(jié)果顯示:FDM 組有228 個(gè)lncRNA 上調(diào),144 個(gè)lncRNA 下調(diào);LⅠM 組則有119 個(gè)lncRNA 上調(diào)和128 個(gè)lncRNA 下調(diào)。這些差異表達(dá)的lncRNA 中,只有68 個(gè)在2 種近視模型中呈現(xiàn)出共同的趨勢(shì)。經(jīng)與qPCR 驗(yàn)證lncRNA 表達(dá),相比于對(duì)照組,F(xiàn)DM 組和LⅠM 組lnc000906 和lnc000049 這2 個(gè)lncRNA 的表達(dá)皆上調(diào);相反地,lnc0031538 和lnc002905 的表達(dá)則下調(diào)。此外,2 組近視模型(FDM 組vsLⅠM 組)之間的lnc0031538和rna39119表達(dá)有差異。進(jìn)一步采用基因功能聚類分析發(fā)現(xiàn),異常表達(dá)的lncRNA 可調(diào)節(jié)細(xì)胞外基質(zhì)成分,并參與激酶活性、新陳代謝等生物學(xué)過(guò)程,也可能參與調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)的糖胺聚糖降解和黏蛋白型O-聚糖生物合成的過(guò)程。因此,lncRNA可能通過(guò)參與細(xì)胞外基質(zhì)成分調(diào)控信號(hào)通路控制近視的發(fā)生,但其具體機(jī)制仍不明確。
circRNA 是一種具共價(jià)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA,通過(guò)mRNA 反向剪接下游5′端位點(diǎn)與上游3′端位點(diǎn)連接所形成的單鏈閉環(huán),因此不具備5′端至3′端極性和3′端聚腺苷酸化末端。circRNA 與線性RNA 相比表達(dá)水平更加穩(wěn)定,具備更好的穩(wěn)定性和保守性[47-48]。由于其高度穩(wěn)定性和組織特異性,有望應(yīng)用于疾病治療[49]。生物學(xué)功能方面,circRNA 具有類似于lncRNA 的miRNA 海綿效應(yīng),可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合內(nèi)源性RNA,影響miRNA 介導(dǎo)的后續(xù)調(diào)節(jié)機(jī)制[50]。作為新型的非編碼RNA, circRNA 在近視中的作用備受關(guān)注。近視發(fā)展過(guò)程中,脈絡(luò)膜厚度變薄,脈絡(luò)膜血流減少,這可能是導(dǎo)致鞏膜缺氧重塑的原因[51-52]。LⅠ等[53]在FDM 模型中,觀察到circRNA-FoxO1 的水平在脈絡(luò)膜組織中顯著上調(diào)。為了明確circRNAFoxO1對(duì)于脈絡(luò)膜的作用,進(jìn)一步通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí),抑制circRNA-FoxO1可降低脈絡(luò)膜內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管形成能力。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),沉默circRNA-FoxO1能夠減緩豚鼠眼軸延長(zhǎng)和玻璃體長(zhǎng)度增加。此外,circRNA-FoxO1 過(guò)表達(dá)可抑制miR-145,并誘導(dǎo)VEGFA 和ANGPT2 水平升高。熒光素酶實(shí)驗(yàn)證實(shí),VEGFA/ANGPT2是miR-145 的目標(biāo)基因。因此,該研究證實(shí)并總結(jié)circFoxO1-miR-145-VEGFA/ANGPT2 通路參與調(diào)節(jié)脈絡(luò)膜血管功能,調(diào)控近視的發(fā)展。
隨著與近視相關(guān)的非編碼RNA 研究的深入,我們對(duì)于近視的機(jī)制研究有了全新的認(rèn)識(shí),其中miR-328、miR-29a、circRNA-FoxO1 都是與近視相關(guān)的重要分子。本文全面總結(jié)從近視患者與動(dòng)物近視模型篩選出的miRNA、lncRNA 及circRNA,試圖闡明非編碼RNA 與近視的潛在關(guān)聯(lián)。miRNA 作為非編碼RNA家族的重要一員,描述大量miRNA與近視研究相關(guān),但是調(diào)節(jié)機(jī)制作用待后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;目前已知由miR-328 介導(dǎo)的PAX6基因下調(diào)與高度近視相關(guān)聯(lián),在近視形成過(guò)程發(fā)揮重要調(diào)控作用;miR-29a 在細(xì)胞外基質(zhì)中具有分子調(diào)控功能,作用于MMP2和COL1A1基因,影響鞏膜成纖維細(xì)胞的表達(dá);circRNA 可以通過(guò)與miRNA 相互作用以調(diào)控后續(xù)信號(hào)通路。circRNA-FoxO1 在脈絡(luò)膜血管血流方面具有重要作用,受到抑制時(shí)血流增加,緩解眼軸生長(zhǎng)的速度;其過(guò)表達(dá)時(shí)則可抑制miR-145 的表達(dá),增加近視發(fā)生的機(jī)會(huì)。然而其他circRNA 與近視相關(guān)的研究結(jié)果甚少。lncRNA 和circRNA 在近視領(lǐng)域都處于起步的階段,不管是近視模型或病例組織樣本的高通量篩選,或是非編碼小分子于疾病的功能調(diào)節(jié),現(xiàn)今仍有許多近視相關(guān)分子能夠被挖掘或應(yīng)用。
目前,因?yàn)榻暬颊叩囊暰W(wǎng)膜、鞏膜臨床樣本難以獲得,僅有少部分文獻(xiàn)觀察近視患者的房水中細(xì)胞因子水平的變化,非編碼RNA 分子研究調(diào)控機(jī)制探索和臨床治療干預(yù)試驗(yàn)更是少數(shù)。因此,未來(lái)如果可能有更多的靶器官樣本的研究,或結(jié)合近視的基因?qū)W和外周血的研究,探索非編碼RNA 于鞏膜重塑過(guò)程或脈絡(luò)膜血管血流的調(diào)控,將有助于從近視人群中尋找重要的分子機(jī)制,為近視的干預(yù)治療提供全新的思路。