嚴(yán)君萍 楊琪琳 曹貴媛 祝寧俠

桂林醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,廣西桂林市 541199

衰老是對人類健康最嚴(yán)重的威脅之一,被認(rèn)為是引發(fā)所有慢性疾病最重要的風(fēng)險因素。作為機(jī)體衰老的標(biāo)志,細(xì)胞衰老成為研究者探索衰老相關(guān)疾病機(jī)制及治療的熱點。細(xì)胞衰老是細(xì)胞內(nèi)外過度應(yīng)激或損傷引起的一種不可逆的細(xì)胞周期阻滯形式,與多種腫瘤和心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)[1]。長鏈非編碼RNAs(long non-coding RNAs,lncRNAs)是一類長度>200個核苷酸,無蛋白質(zhì)編碼潛能的調(diào)控型RNA,在衰老介導(dǎo)的病理過程如代謝失衡、神經(jīng)退行性變和腫瘤中發(fā)揮重要作用[2]。其中,lncRNA H19是最早被鑒定的印記基因之一,已有證據(jù)表明lncRNA H19通過影響細(xì)胞周期和衰老相關(guān)分泌表型等方式抑制細(xì)胞衰老。本文旨在對lncRNAH19在衰老及相關(guān)疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為衰老機(jī)制和干預(yù)措施的探討提供思路,阻止或延緩衰老相關(guān)疾病發(fā)生。

1 細(xì)胞衰老特征和分類

衰老是機(jī)體對于外界環(huán)境刺激適應(yīng)和調(diào)配的過程,并隨著時間的推移,出現(xiàn)機(jī)體功能狀況下降和死亡風(fēng)險增加。作為機(jī)體衰老驅(qū)動因素之一,細(xì)胞衰老為未轉(zhuǎn)化細(xì)胞增殖的永久性停滯,呈現(xiàn)形態(tài)、分泌和分子方面的獨有特征,如細(xì)胞形態(tài)、衰老相關(guān)生物標(biāo)志物、基因和蛋白表達(dá)模式等發(fā)生改變。

1.1 細(xì)胞衰老特征 細(xì)胞周期停滯是細(xì)胞衰老的重要特征之一。研究表明,細(xì)胞發(fā)生衰老,形態(tài)將變扁平、體積增大,偶見細(xì)胞核增多;細(xì)胞內(nèi)脂褐素堆積,溶酶體增多及與之相關(guān)的β-半乳糖苷酶(SA-β-GAL)活性增加;染色質(zhì)出現(xiàn)包括端?？s短、衰老相關(guān)異染色質(zhì)簇集(Senescence associated heterochromatic foci,SAHF)形成、DNA損傷反應(yīng)通路標(biāo)志物組蛋白H2A.X磷酸化和8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxy-2 deoxyguanosine,8-OHDG)等水平升高,而衰老相關(guān)信號通路關(guān)鍵分子表達(dá)水平上調(diào),如p53、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A(p21)、2A(p16)和2B(p15)[1]。衰老細(xì)胞的另一個重要特征,即產(chǎn)生衰老相關(guān)分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP),包含白細(xì)胞介素、趨化因子、生長因子、miRNAs和細(xì)胞外囊泡等[3]。SASP發(fā)揮吸引巨噬細(xì)胞清除衰老細(xì)胞作用,但也促進(jìn)炎癥和腫瘤疾病發(fā)生和進(jìn)展,機(jī)制與慢性炎癥微環(huán)境的建立加速衰老或促進(jìn)衰老細(xì)胞清除的促炎環(huán)境有關(guān)[3]。由于衰老相關(guān)機(jī)制不是細(xì)胞衰老特有,且不一定存在于所有形式的衰老中,因此對于細(xì)胞衰老檢測常聯(lián)合多種生物標(biāo)記物進(jìn)行評定[2]。

1.2 細(xì)胞衰老分類 在衰老進(jìn)程中,各種損傷刺激引起細(xì)胞在生理和(或)病理狀態(tài)下發(fā)生永久性周期阻滯,導(dǎo)致細(xì)胞生理完整性逐步喪失和組織器官功能損傷,最終引發(fā)受損器官的衰老相關(guān)疾病發(fā)生。根據(jù)損傷刺激的性質(zhì),細(xì)胞衰老分為端粒依賴性衰老和非端粒性衰老,也被稱為復(fù)制性衰老和過早衰老[4]。研究表明細(xì)胞衰老中復(fù)制性衰老與端粒長度有關(guān)[5]。根據(jù)病因,過早衰老也分為氧化應(yīng)激誘導(dǎo)性早衰、基因毒性誘導(dǎo)性早衰和致癌基因誘導(dǎo)性早衰等類型[6]。除了復(fù)制性衰老,由各種應(yīng)激或獲損傷因素引起的過早衰老在衰老相關(guān)疾病的發(fā)生和進(jìn)展的作用和機(jī)制也是研究者關(guān)注的重點。

2 lncRNAs與衰老

非編碼RNA作為多種生物過程(如增殖、轉(zhuǎn)錄和翻譯等)的重要調(diào)控因子,可分為miRNA、lncRNA、circRNA等種類。lncRNAs不再是基因組的“轉(zhuǎn)錄噪音”,其在不同水平對基因表達(dá)發(fā)揮調(diào)控作用,異常表達(dá)則可導(dǎo)致多種衰老相關(guān)疾病發(fā)生,如腫瘤、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病。

2.1 lncRNAs的結(jié)構(gòu)和功能 lncRNAs作為一種無蛋白質(zhì)編碼潛能的調(diào)控型RNA,其長度>200個核苷酸。根據(jù)基因組上相對于蛋白編碼基因的位置,可分為正義、反義、內(nèi)含子、雙向、基因間和增強(qiáng)子等種類;lncRNAs具有不同細(xì)胞定位,如定位于細(xì)胞核,通過染色質(zhì)修飾酶調(diào)控基因表達(dá),或作為“分子誘餌”抑制基因轉(zhuǎn)錄,而lncRNAs細(xì)胞質(zhì)亞結(jié)構(gòu)定位,則發(fā)揮調(diào)節(jié)mRNA及蛋白穩(wěn)定性、蛋白質(zhì)翻譯和分子海綿作用[7]。目前,已發(fā)現(xiàn)3 000多種lncRNAs在組織和細(xì)胞中特異性表達(dá),與細(xì)胞增殖、形態(tài)發(fā)生、多向潛能、發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生和配子發(fā)生等相關(guān)。

2.2 lncRNAs與衰老 多種lncRNAs調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、凋亡和老化,參與細(xì)胞衰老進(jìn)程[8];研究發(fā)現(xiàn)incRNA UCA1是CAPERα/TBX3阻遏復(fù)合物的直接作用靶點,在衰老過程中隔離hnRNPA1穩(wěn)定CDKN2A-p16INK,阻止人原代包皮成纖維細(xì)胞和小鼠胚胎成纖維細(xì)胞發(fā)生衰老,從而揭示了一種癌基因誘導(dǎo)衰老的新機(jī)制。有研究報道,incRNA ANRIL通過調(diào)控miR-181a/sirtuin1,增強(qiáng)細(xì)胞活性,發(fā)揮抑制血管平滑肌細(xì)胞衰老作用,機(jī)制與p53/p21信號通路失活,減輕細(xì)胞周期阻滯有關(guān),而在衰老的血管平滑肌細(xì)胞中其表達(dá)下調(diào)[9]。Patel等[10]發(fā)現(xiàn),源于相對消瘦人群的脂肪干細(xì)胞呈現(xiàn)明顯衰老表型(如SA-β-半乳糖苷酶活性增加),推測與干細(xì)胞衍生外泌體中incRNA GAS5含量較高有關(guān),表明外泌體細(xì)胞間通訊方式也是incRNAs調(diào)控細(xì)胞衰老及衰老相關(guān)疾病的特殊方式。上述結(jié)果顯示incRNAs通過干預(yù)細(xì)胞活性,減輕細(xì)胞周期阻滯,從而延緩或干預(yù)細(xì)胞衰老進(jìn)程。

3 LncRNA H19與衰老及衰老相關(guān)疾病

作為最早被鑒定的印記基因,lncRNA H19參與調(diào)節(jié)多種細(xì)胞過程,其在衰老中的作用近年來備受關(guān)注。lncRNA H19全長約2.3kb,由位于人類染色體上的11p15.5上的lncRNA H19基因編碼,為母源性印記基因,通過miRNA前體或分子“海綿”,影響細(xì)胞周期,促進(jìn)細(xì)胞生長和增殖,延緩衰老[10]。同時,lncRNA H19也可以作為信號通路中的關(guān)鍵中介分子,介導(dǎo)其他因子對細(xì)胞行為的調(diào)控。在乳腺癌中,lncRNA H19競爭結(jié)合miR-152上調(diào)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1,促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖和侵襲,下調(diào)lncRNA H19則抑制參與細(xì)胞周期調(diào)控的p53基因的表達(dá);在糖尿病患者中l(wèi)ncRNA H19通過減少葡萄糖攝入,抑制其重要靶基因在骨骼肌中的表達(dá),從而延緩2型糖尿病的發(fā)生[11]。lncRNA H19在衰老相關(guān)疾病中如糖尿病、動脈粥樣硬化等疾病病理過程中,通過調(diào)節(jié)細(xì)周期、SAHF形成、SA-β-半乳糖苷酶活性、SASP分泌等發(fā)揮重要調(diào)控作用[11]。

3.1 糖尿病及并發(fā)癥 2型糖尿病是常見的糖尿病類型,胰島細(xì)胞衰老在一定程度上導(dǎo)致老年人群2型糖尿病發(fā)病率的升高。在糖尿病病理進(jìn)程中,衰老細(xì)胞釋放的SASP因子可引起胰島素抵抗和糖尿病相關(guān)炎性細(xì)胞因子的釋放[12]。LncRNA H19可通過miR-let-7減少葡萄糖攝入,抑制其重要靶基因如胰島素受體和脂蛋白脂肪酶在骨骼肌中的表達(dá),從而緩解胰島素抵抗和2型糖尿病的發(fā)生[11]。在糖尿病患者血管內(nèi)皮細(xì)胞中,H19表達(dá)上調(diào),而敲低H19能夠上調(diào)miR-29b和下調(diào)血管內(nèi)皮生長因子A,避免內(nèi)皮細(xì)胞在高糖誘導(dǎo)下產(chǎn)生炎癥和氧化應(yīng)激,減緩糖尿病相關(guān)的動脈粥樣硬化進(jìn)程[13]。Jiang等[14]在小鼠腎小球系膜細(xì)胞(SV40-MES-13)中進(jìn)行常規(guī)培養(yǎng)和高糖培養(yǎng)后,發(fā)現(xiàn)lncRNA H19在高糖處理組小鼠腎小球系膜細(xì)胞中表達(dá)上調(diào),并通過miR-143-3p/TGF-β1軸促進(jìn)細(xì)胞增殖、炎癥因子表達(dá)以及細(xì)胞外基質(zhì)積累,加速了糖尿病腎臟病變的進(jìn)展。以上結(jié)果提示lncRNA H19在糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用,為其臨床治療策略研究提供了新的思路。

3.2 動脈粥樣硬化 年齡是動脈粥樣硬化的重要危險因素之一。衰老的內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞功能下降,處于促炎狀態(tài),加速了動脈粥樣硬化發(fā)展。在ApoE基因敲除小鼠動脈粥樣硬化斑塊模型中,lncRNA H19表達(dá)水平顯著增高,表達(dá)定位在主動脈和血液組織中,miR-146a-5p的表達(dá)水平下降;而抑制lncRNA H19能夠上調(diào)miR-146a-5p的表達(dá),提示lncRNA H19通過調(diào)控miR-146a-5p促進(jìn)脂質(zhì)在巨噬細(xì)胞中的積累,從而促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展[15]。Hofmann等[16]發(fā)現(xiàn),lncRNA H19在衰老小鼠的內(nèi)皮和人頸動脈斑塊中表達(dá)下降,而敲低人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(Human umbilical vein endothelial cells,HUVECs)lncRNA H19則導(dǎo)致S和G2/M期細(xì)胞顯著減少,細(xì)胞阻滯在G0/G1期,SA-β-gal的活性增加及p16和p21表達(dá)上調(diào),細(xì)胞增殖抑制,細(xì)胞衰老加速,機(jī)制與Stat3信號通路有關(guān)。提示lncRNA H19在血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老和動脈粥樣硬化病理進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用,為其臨床治療研究提供了新的策略。

3.3 缺血性心臟病 心血管系統(tǒng)衰老常伴隨缺血性心臟病的發(fā)生。近期有研究在暴露于氧糖剝奪/再灌注的心肌細(xì)胞模型中,發(fā)現(xiàn)敲低lncRNA H19能抑制miR-675表達(dá),降低細(xì)胞凋亡率、炎癥因子表達(dá)和氧化應(yīng)激水平,增加細(xì)胞活力,減少心肌梗死面積,從而發(fā)揮心肌保護(hù)作用[17]。Yoshimura等[18]發(fā)現(xiàn),敲低lncRNA H19可以上調(diào)SAHF和下調(diào)衰老標(biāo)志蛋白p53和p21以及促炎因子IL-6的表達(dá),阻斷褪黑素對H2O2誘導(dǎo)的C-kit+心臟祖細(xì)胞過早衰老的保護(hù)作用。在高糖誘導(dǎo)下新生小鼠衰老的心室肌細(xì)胞和衰老小鼠心臟中,lncRNA H19水平顯著升高,過表達(dá)lncRNA H19可以通過競爭結(jié)合miR-19a上調(diào)其靶基因SOCS1,激活p53/p21通路,增加β-半乳糖苷酶陽性細(xì)胞數(shù)量,引起細(xì)胞周期阻滯,加速心肌細(xì)胞衰老[19]。心肌肥大是導(dǎo)致缺血性心臟病的重要原因,心肌細(xì)胞損傷模型中,lncRNA H19是m6A甲基化轉(zhuǎn)移酶核心蛋白METTL3/14的靶點,METTL3或METTL14敲除能夠顯著逆轉(zhuǎn)低氧預(yù)適應(yīng)所提升的細(xì)胞活力、抗凋亡能力和lncRNA H19表達(dá)[20]。同樣lncRNA H19表達(dá)上調(diào)也可通過靶向CaMKIIδ抑制心肌細(xì)胞肥大[11]。這些結(jié)果提示lncRNA H19對缺血性心臟病存在潛在保護(hù)作用,為其臨床治療策略研究提供了新的方向。

3.4 其他疾病 在年齡相關(guān)性白內(nèi)障(Age-related cataract,ARC)患者晶狀體中,lncRNA H19表達(dá)上調(diào),并可作為ceRNA與miR-29a競爭性結(jié)合抑制DNA糖苷酶,降低UVB照射誘導(dǎo)的氧化損傷及8-OHDG生成,增強(qiáng)細(xì)胞增殖能力,減緩人晶狀體上皮細(xì)胞的凋亡進(jìn)程[21]。研究者在衰老相關(guān)疾病帕金森病模型中,發(fā)現(xiàn)lncRNA H19通過抑制miR-301b-3p上調(diào)次黃嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶1表達(dá),活化Wnt/β-catenin信號通路,從而發(fā)揮保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元功能[22]。肝星狀細(xì)胞活化作為慢性膽汁淤積性肝損傷的主要驅(qū)動因素,近期Li等[23]分離老年Mdr2基因敲除(Mdr2-/-)小鼠血清中富含lncRNA H19的外泌體,通過尾靜脈注射到年輕Mdr2-/-小鼠體內(nèi),發(fā)現(xiàn)源于肝臟和血清的外泌體lncRNA H19表達(dá)水平與肝纖維化嚴(yán)重程度呈正相關(guān),且體內(nèi)炎性細(xì)胞因子水平顯著升高;過表達(dá)lncRNA H19能促進(jìn)肝星狀細(xì)胞在體內(nèi)的分化和增殖,從而加劇膽汁淤積性肝損傷。IL-22在促進(jìn)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用,研究發(fā)現(xiàn)在小鼠和患者的腸道炎癥組織中,lncRNA H19表達(dá)水平升高,且作為炎癥因子IL-22的重要下游分子參與炎癥狀態(tài)下腸上皮穩(wěn)態(tài);過表達(dá)lncRNA H19可抑制miR-34a、let-7和p53的表達(dá)下降,促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖和上皮再生[24]。在毛囊再生研究中,位于毛囊底部的毛乳頭細(xì)胞隨著傳代增加,細(xì)胞逐漸呈現(xiàn)衰老表型,失去毛囊誘導(dǎo)功能,而研究者通過RNA芯片篩選出毛囊誘導(dǎo)功能密切相關(guān)、差異表達(dá)最顯著的lncRNA H19,進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)lncRNA H19過表達(dá)能夠延緩毛乳頭細(xì)胞衰老表型的出現(xiàn),維持毛乳頭細(xì)胞的毛囊誘導(dǎo)功能[25],為臨床上脫發(fā)性疾病的機(jī)制和治療研究提供新的思路。

4 結(jié)語

衰老細(xì)胞的堆積和SASP因子對機(jī)體的不利影響成為衰老相關(guān)疾病的重要驅(qū)動因素,影響著人們的身體健康。細(xì)胞衰老是個動態(tài)過程,因此如何延緩或干預(yù)細(xì)胞衰老成為研究者們治療衰老相關(guān)疾病的有益探索方向;lncRNA H19作為最早被鑒定的印記基因之一,通過作用于衰老相關(guān)信號通路,與細(xì)胞衰老進(jìn)程密切相關(guān),并在衰老相關(guān)疾病如糖尿病、心血管疾病中發(fā)揮促衰或抑衰作用,提示其可作為預(yù)防和治療衰老相關(guān)疾病靶點的可能性,是潛在的衰老生物標(biāo)志物。由于細(xì)胞衰老檢測需要聯(lián)合多種生物標(biāo)志物才能進(jìn)行評定,而lncRNA H19在衰老進(jìn)程中的作用及翔實機(jī)制尚未被完全闡述,暫時無法將其作為一個研究衰老相關(guān)疾病的生物標(biāo)志物。期待研究者在后續(xù)的探索中,利用快速發(fā)展的技術(shù)和可靠的疾病模型能夠更清晰地揭示lncRNA H19在細(xì)胞衰老和相關(guān)疾病中的作用及機(jī)制,充分地評估lncRNA H19作為新的生物標(biāo)志物的合理性,提供更準(zhǔn)確和安全的治療策略,延緩衰老和降低衰老相關(guān)疾病的發(fā)生,減輕社會負(fù)擔(dān),提升患者生活質(zhì)量。