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编译：lyue，编辑：十九、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 论文ID 原名：Non-coding RNA in bladder cancer 译名：膀胱癌中的非编码RNA 期刊：Cancer Letters IF：6.508 发表时间：2020.5线上发表 通讯作者：王国庆&李翀 通讯作者单位：吉林大学基础医学院&中国科学院生物物理研究所 DOI号：10.1016/j.canlet.2020.04.023 背景介绍 膀胱癌是全球第十大常见癌症，其发病率和死亡率高。膀胱癌主要分为两类：非肌层浸润性和肌层浸润性。非肌层浸润性膀胱癌占75%以上，指癌细胞浸润到膀胱粘膜和粘膜下层。而当膀胱癌细胞侵犯到肌层被认为是肌层浸润性膀胱癌。目前，膀胱镜检查是其诊断的金标准。然而，该检查为高度侵入性，并且由于原位癌难以检测而偶尔会出现假阴性结果。因此，多重筛查，如上尿路放射成像和计算机断层扫描，对于膀胱癌的诊断仍是必不可少的。尽管膀胱癌的治疗方法很多，比如手术、化疗和放疗，但患者的预后和临床反应各不相同。 研究学者们对控制膀胱癌发病机理的遗传全景（genetic landscape，指遗传突变和表观遗传修饰）的兴趣日益浓厚。膀胱癌的全基因组测序揭示了TP53（一种主要抑癌基因）和CDKN1A（细胞周期调节剂，引起膀胱癌细胞分裂失控）的遗传消融。这两个突变基因相互关联，均与膀胱癌的发生和发展有关。此外，癌症基因组图谱计划（TCGA）的大量RNA测序，报道了非编码RNA（ncRNA），特别是microRNA（miRNA）的表观遗传调控在膀胱癌进展中的作用。遗传和表观遗传调控均强调了深入剖析癌症生物标志物对改善膀胱癌诊断和预后的重要性。 在这篇综述中，作者描述了ncRNA与膀胱癌发病机制的相关性；总结了ncRNA，特别是miRNA和lncRNA的表达调控及其在促进或抑制膀胱癌肿瘤生长和发展中的作用。此外，作者讨论了ncRNA表达谱作为膀胱癌诊断和治疗基础的潜力。这些发现将有助于展现利用ncRNA防治膀胱癌的可能性。 主要内容 1 非编码RNA（ncRNA） 随着高通量基因组测序和阵列测序分析的技术发展，约90%的人类基因组已被转录分析。尽管转录基因组可以编码约20,000个蛋白质，但这仅占整个基因组2%；即，不是所有的RNA被翻译成功能蛋白。更多证据表明，这些不编码蛋白质的RNA（即非编码RNA，ncRNA）是基因表达调控的关键因素，并参与许多人类疾病的进展。例如，ncRNA调节转录后基因沉默，从而导致mRNA降解和蛋白质翻译失败。此外，ncRNA通过引导异染色质形成，从而重塑染色质结构。 ncRNA还参与了顺式和反式基因调控，从而增强或抑制基因表达。因此，ncRNA在调节细胞增殖、分化、再生和凋亡中将是至关重要的，并有助于维持体内稳态。 ncRNA按其长度分为两种类型：小ncRNA和长ncRNA（即lncRNA）；小ncRNA包括核糖体RNA（rRNA），转移RNA（tRNA），microRNA（miRNA）和与piwi蛋白相互作用的RNA（piRNA），小ncRNA的核苷酸少于50个，但在基因表达中起重要的调节作用。除了充当蛋白质翻译调节剂的rRNA和tRNA外，miRNA被证实在调节人类疾病进展，尤其是癌症进展中发挥关键作用。miRNA失调（过度表达或低表达）将通过影响复杂的分子信号网络，最终导致癌变。与小ncRNA相比，lncRNA片段具有更长的序列，通常包含超过200个核苷酸。lncRNA具有与miRNA类似的功能，可以调节基因表达，如蛋白质翻译和转录后沉默。另外，lncRNA通过组蛋白修饰或干扰miRNA调控来抑制顺式和反式基因翻译。CircRNA也是一种ncRNA，但其结构不同于线性mRNA。circRNA具有多种类型和复杂的功能，尚未得到充分研究。 与传统的小分子药物相比，ncRNA具有不同的特点和优势，将可能作为极有前景的治疗方案。ncRNA分子量在数千道尔顿左右，包含许多氢键供体和受体，带有多个负电荷，具有良好的组织相容性。由于其分子量小，因此与大分子抗体药物相比，ncRNA将更容易穿透组织屏障并到达肿瘤细胞内部。因此，ncRNA作为新型治疗靶点，将具有显著优势。 图1 肿瘤RNA调控网络 2 miRNA与膀胱癌 miRNA于1993年被首次鉴定发现，为具有约22个核苷酸的单链ncRNA；通过在转录后水平上调节基因表达，而调控细胞生长、增殖、分化和凋亡。由双链RNA特异性核酸酶RNASE Ⅲ-Rosha和双链RNA结合蛋白DGCR8组成的微处理器(microprocessor)复合体将pri-miRNA转化为pre-miRNA，而最终形成了miRNA。Pre-miRNA由转运蛋白XPO5转运后，被核酸酶DICER切割为成熟miRNA，miRNA将整合到RNA诱导沉默复合体（RISC）中。当miRNA与目标基因mRNA的3'UTR区互补时，RISC将抑制蛋白质翻译，并且mRNA也将被核酸内切酶降解。这些过程表明了miRNA在调节转录后基因沉默中的主要作用。 从miRNA定位于与癌症相关的基因组区域起，它便开始其在多种类型的癌症发生、发展和转移中的基本作用。miRNA在癌症调节中既具有促癌作用，又具有抑癌作用。比如，miR-155是一种具有双重作用的miRNA之一。Kong等人发现了在体内乳腺癌模型中，miR-155的过表达促进肿瘤转移并加强血管生成。此外，B细胞淋巴瘤中miR-155的过表达刺激肿瘤细胞增殖失控和诱导其产生抗凋亡效应。尽管miR-155具有强致癌效应，但Levati等人的研究也证实了miR-155表达可诱导黑色素瘤的抗增殖作用。此外，miR-155基因敲入能够抑制胃癌细胞迁移和侵袭能力。这表明miRNA调控肿瘤发生具有明显的肿瘤和组织特异性。综上所述，在癌症发展过程中，探索miRNA的复杂生物学作用将势在必行，这对靶向miRNA在未来治疗和诊断中的应用开发至关重要。 在膀胱癌中，二代测序和生物信息学分析确定了许多参与调控膀胱癌发展的miRNA。2011年，Zhu等人通过高通量测序鉴定了膀胱癌中226种差异表达的miRNA；其中，182个miRNA上调而44个miRNA下调。Gottardo等人进行了临床患者样本miRNA筛选，并发现与膀胱正常粘膜相比，膀胱癌患者会出现miRNA表达失调。如下表1，举例说明了膀胱癌中差异表达的miRNA及其靶基因。 表1 膀胱癌中差异表达的miRNA及其靶基因 目前，已有多项研究阐明了miRNA在调节膀胱癌增殖、转移、凋亡和耐药性发展中的作用。Liu等人证实了miR-221在膀胱癌中的致癌作用。siRNA敲低miRNA表达和miR-221抑制能够抑制膀胱癌细胞增殖和促进凋亡，其分子机制与其阻断促癌JAK-STAT3信号通路有关。此外，过表达的miR-221可能通过负调控caspase 8/3途径而发挥抗膀胱癌细胞凋亡作用。作为肿瘤抑制因子，miR-129在膀胱癌中低表达。miR-129的表达恢复将通过靶向癌基因GALNT1和SOX4引发抗肿瘤反应。相反，miR-129-5p的过表达通过促进Wnt5a信号通路而赋予膀胱癌细胞耐药性。抑癌因子miR-145和miR-133a能够通过减少上皮间质转换（EMT）相关靶基因FSCN1的表达，逆转了膀胱癌细胞的EMT进展并减少肿瘤转移。下调miR-200b证实其可发挥调控膀胱癌转移的作用；相关机制表现为下调miR-200b，促进MMP-16表达，继而诱导EMT过程。miRNA家族的以上调节作用及其机制能够解释其对膀胱癌的促进和抑制作用。综上所述，靶向miRNA，改变miRNA表达水平可能是对抗膀胱癌的潜在治疗策略。 miRNA的差异表达与膀胱癌的复杂性和异质性密切相关。为了发现更有效和更高特异性的诊断工具，研究人员分析了miRNA的表达谱，从而了解膀胱癌进展中的不同类型、阶段和分级。2009年，Catto等人使用miRNA qPCR筛选，比较了不同分级的膀胱癌中的miRNA表达。与低度恶性肿瘤（非肌层浸润性）相比，高度恶性肿瘤（肌层浸润性）的miR-21表达明显升高；miR-21与肿瘤抑制性p53途径的阻断高度相关。然而，在膀胱癌中，低度恶性肿瘤表现出靶向FGFR3通路的miR-99a和miR-100表达下调。同样，高度尿路上皮膀胱癌表现出miR-126：miR-152比率升高，这可能成为患者筛查的潜在预后标志物。由于miRNA表达的组织特异性，Veerla等人总结了基于膀胱癌病理亚型的miRNA表达谱。T2-T4级膀胱癌（肌层浸润）高表达miR-222和miR-125b。而非肌层浸润性的T a级肿瘤表现出高miR-10a表达。Dyrskjøt等人研究不同miRNA的组合表达，以更好地预测临床患者的疾病进展。 miR-133b和miR-518c以及miR-133b和miR129的高表达预示着膀胱癌患者的低生存率。有了这些结果，基于病理实体的靶向miRNA的精密药物将来可能成为治疗膀胱癌的有力解决方案[17]。这些研究提供了基于膀胱癌病理生物学的差异miRNA谱。基于以上结果，基于病理实体的miRNA精准靶向药物可以成为未来治疗膀胱癌的有效策略。 3 LncRNA与膀胱癌 多项研究强调了lncRNA在膀胱癌发病机制中的作用。这些lncRNA在膀胱癌的发生、增殖和转移过程中表达下调或上调。因此，有必要阐明lncRNA的生物学作用及其对癌症发展的影响。设计与lncRNA有关的新型膀胱癌诊断靶点展现出广阔的前景，这是因为与通常的诊断方法膀胱镜检查相比，lncRNAs检测的侵入性较小，能够更快地检测出膀胱癌。基于此，作者讨论了一些与膀胱癌发展和转移密切相关的lncRNA，从而帮助理解其临床应用前景（图1）。 图3与膀胱癌密切相关的LncRNA A：与肿瘤细胞存活和生长相关的lncRNA； B：与EMT过程相关的lncRNA；C：与Warburg效应相关的lncRNA；D：与肿瘤细胞凋亡相关的lncRNA。 3.1 尿路上皮癌胚抗原1(UCA1，Urothelial cancer associated 1) UCA1位于19p13.12染色体，其表达高度体现在心脏、子宫和膀胱的胚胎发育过程中。然而，UCA1表达在正常的成人组织及细胞中是沉默的。UCA1在肿瘤发生中的作用通过膀胱癌相关研究得到了充分证明。这种UCA1的异位表达将影响膀胱癌细胞的增殖，并导致肿瘤细胞分裂失控，获得侵袭能力，提示UCA1作为致癌因子在膀胱癌发生中发挥重要作用。此外，UCA1的表达上调可以抗癌细胞凋亡并诱导其化学耐药性。因此，UCA-1是膀胱癌诊断和预后的潜在生物标志物[54]，也将成为理想的治疗靶标。 3.2同源盒基因转录反义RNA（HOTAIR，Homeobox transcript antisense RNA） HOTAIR是首个被发现具有反式作用的lncRNA。HOTAIR基因位于人类染色体12q13.13上，在HOXC簇中的HOXC11和HOX12之间。从机制上讲，HOTAIR募集了多梳抑制复合物2（PRC2），并通过组蛋白的三甲基化使HOX基因家族表达沉默。作为形态发生和器官形成的关键因素，HOX基因家族的抑制与肿瘤的进展相关。 大量研究表明，HOTAIR过度表达是人类恶性肿瘤发生，尤其是膀胱癌、肺癌、乳腺癌和结肠癌发生的重要元凶。RNA测序分析表明，HOTAIR高表达与尿路上皮膀胱癌的预后密切相关。同样，体外敲低HOTAIR能够降低癌细胞侵袭性并抑制EMT标志物表达，证实了HOTAIR在调节肿瘤进展和转移中的重要性。另外，HOTAIR能够调节由抑癌因子和促癌因子组成的复杂的信号网络。例如，HOTAIR抑制了抑癌基因p53和磷酸酶-张力蛋白同源物（PTEN），从而促进癌症发展。相反，HOTAIR表达与细胞增殖信号——Wnt /β-catenin通路、PI3K/AKT和TGF-β通路的激活呈正相关。综上所述，HOTAIR将成为诊断和治疗膀胱癌的潜在候选分子。 3.3 母本印迹表达基因3（MEG3，Maternally expressed gene 3） MEG3是位于染色体14q32.3上的母本印迹lncRNA。作为小鼠基因捕获基因座2(gene-trap locus 2, Gtl2)的人类同源物，MEG3在正常人类组织中大量表达，并在癌症细胞中发挥抑癌作用。然而，由于MEG3启动子序列的高度甲基化，MEG3表达在癌细胞中严重下调。该启动子序列，特别是cAMP反应元件（CRE），富含高CpG岛。因此，由DNA甲基转移酶1（DNMT1）调控的高甲基化破坏了CRE结合元件（CREB）与CRE的结合，并随后抑制了MEG3的表达。 作为肿瘤抑制因子，MEG3与EZH2有共同的靶基因。它们共同调控与生长和发育相关的TGF-β信号通路。此外，p53的激活也调节了MEG3的活性，并抑制肿瘤进展。Ying等人利用组织表达分析发现，与正常组织相比，膀胱癌组织中的MEG3表达显著降低。进一步的RNA干扰研究表明，MEG3体外表达缺失能够诱导自噬并抑制细胞凋亡。此外，低MEG3表达可刺激癌细胞增殖和细胞分裂失控。以上发现强调了MEG3发挥肿瘤抑制作用对于膀胱癌治疗的重要性。 3.4 长非编码RNA 19（H19） H19是在哺乳动物基因组中发现的首批ncRNA之一。H19位于染色体11p15.5处，约2.3 kb，在人类胚胎和胎儿组织发育过程中高度表达，但在成年人组织或细胞中很少表达。然而，H19可以在组织再生和肿瘤发生期间被重新激活。据报道，在癌症环境中，H19具有双向调节作用，能够在癌症发展中发挥促进和抑制作用。研究表明，H19在膀胱癌、乳腺癌、结肠癌和肺癌等多种肿瘤中呈现高表达。 从致癌角度出发，H19通过正调节ID2，而促进膀胱癌细胞增殖。随之出现的ID2上调减弱了视网膜母细胞瘤蛋白(Rb)对E2F1的抑制作用，从而刺激癌细胞从G1期向S期细胞周期转换。H19过表达还与膀胱癌转移密切相关。体外研究表明，H19过表达通过与EZH2的相互作用促进膀胱癌细胞迁移。这种相互作用激活了Wnt /β-catenin信号通路，抑制了E-cadherin，因此促进了EMT过程。因此，H19可以作为膀胱癌早期复发的预测指标。 然而，也有研究证据表明H19具有抑癌作用。在移植瘤模型中，敲低H19增加了大肠癌息肉的数目大小。同样，缺乏H19表达的肝癌小鼠模型，肿瘤进展更快。目前，H19在肿瘤促进和抑制作用中的差异可以通过lncRNA本身的双向性质来解释。但是，仍有必要深入阐明H19在癌症中的功能作用。 3.5生长停滞特异性转录因子5(GAS5，Growth arrest specific 5) GAS5能够调控细胞增殖和细胞周期，调节胚胎发育和肿瘤发生。在营养剥夺期间，GAS5通过调节糖皮质激素受体（GR）活性来抑制细胞生长并促进细胞凋亡。 Kino等人研究证明GAS5与DNA结合糖皮质激素受体元件（GRE）竞争性结合GR。因此，GAS5与GR的结合会抑制细胞增殖和存活。 大量研究表明，GAS5在非小细胞肺癌、肾癌、胰腺癌和膀胱癌的肿瘤发生过程中下调。非小细胞肺癌患者lncRNA筛选表明GAS5显著下调。随后，功能获得研究显示，GAS5过表达通过恢复抑癌因子PTEN和miR-205表达，而抑制肺癌细胞的增殖和侵袭能力。在膀胱癌中，Liu等人证明了GAS5诱导癌细胞增殖和凋亡。此外，功能获得/缺失实验表明，GAS5负调节CDK6活性，从而抑制膀胱癌细胞增殖。因此，GAS5的抑癌作用可能成为治疗膀胱癌的潜在治疗靶标。 3.6转移相关的肺腺癌转录本1（MALAT1，Metastasis-associated lung adenocarcinoma transcript 1） MALAT1首先被确定为肺癌的预后标志物，但是更多研究也显示其与肝癌、胰腺癌、膀胱癌和前列腺癌等其他癌症密切相关。MALAT1的过表达促进膀胱癌细胞增殖失控、促进膀胱癌细胞迁移和克隆性。进一步敲低MALAT1能够通过下调EMT相关基因（如ZEB1和ZEB2），下调Wnt信号通路和上调E-cadherin，从而抑制膀胱癌细胞迁移。以上发现表明，MALAT1在癌症转移中起着至关重要的作用。此外，与局部膀胱癌相比，临床患者样本筛查表明在浸润性和转移性癌症中，MALAT1表达更高。此外，与低度恶性肿瘤患者相比，高度膀胱癌患者表现出更高的MALAT1表达。这些结果表明，MALAT1将成为膀胱癌诊断和预后的潜在生物标志物。 并且，MALAT1也可以作为膀胱癌的潜在治疗靶标。天然多酚类物质白藜芦醇能够负调控结肠癌细胞中的MALAT1表达，并抑制Wnt /β-catenin信号通路；或者，通过下调EMT抑制癌细胞转移和侵袭；提示白藜芦醇在预防膀胱癌转移中的治疗潜力。 3.7线粒体lncRNA 4 circRNA与膀胱癌 表2 膀胱癌中表达差异的circRNA及其靶基因。 结论与展望 目前，关于ncRNA在肿瘤发展中的作用及其临床意义的相关研究仍方兴未艾。许多研究已经证明ncRNA在膀胱癌中发挥促进肿瘤发生、调节转移和肿瘤进展以及促进耐药性的作用。 随着基因组测序技术和检测技术的开发及发展，ncRNA在膀胱癌中的病理生理学将得到更深入的阐明，这将对今后膀胱癌的诊断和治疗具有重要意义。 更多推荐 1 科研 | PNAS：转录组学揭示急性和慢性饮酒对肝脏昼夜新陈代谢有不同的影响
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