中华预防医学杂志    2019年05期 环境化学物暴露与非编码RNA异常表达    PDF     文章点击量:934    
中华预防医学杂志2019年05期
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蒋义国
JiangYiguo
环境化学物暴露与非编码RNA异常表达
Environmental chemicals exposure and abnormal expression of non-coding RNAs
中华预防医学杂志, 2019,53(5)
http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.issn.0253-9624.2019.05.003
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投稿日期: 2018-10-30
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环境化学物暴露与非编码RNA异常表达
蒋义国     
蒋义国 广州医科大学公共卫生学院 511436
摘要: 环境化学物暴露与疾病的发生和发展密切相关,非编码RNA的异常表达是环境化学物生物学效应的重要因素。非编码RNA在维持细胞正常功能与影响疾病发生发展方面均发挥重要作用,并具有机制性意义。此外,非编码还可作为生物标志物,有潜力在疾病诊断、治疗和预防中得以广泛应用。本文概述了环境化学物暴露与非编码RNA表达的关系、非编码RNA的功能及作用机制,并提出了现有研究中存在的问题,对未来发展作了展望。
关键词 :环境暴露;危害物质;遗传;非编码RNA
Environmental chemicals exposure and abnormal expression of non-coding RNAs
JiangYiguo     
School of Public Health, Guangzhou Medical University, Guangzhou 511436, China
Corresponding author: Jiang Yiguo, Email:jiangyiguo@vip.163.com, Tel: 0086-20-37103535
Abstract:Environmental chemicals exposure is closely related to occurrence and development of diseases. The abnormal expression of non-coding RNAs is a key factor in biological effects of environmental chemicals. Non-coding RNAs play an important role in the normal function of cells and the occurrence and development of diseases. In addition, non-coding RNAs, as a biomarker, could be widely used in the diagnosis, prevention and treatment of diseases. This paper outlines the relationship between environmental chemical exposure and non-coding RNAs and the function and mechanism of non-coding RNAs. It also presents existing issues and future research directions.
Key words :Environmental exposure;Hazardous substances;Heredity;Non-coding RNA
全文

环境因素与遗传因素在机体多种生理、病理进程中发挥着重要作用,几乎所有疾病的发生与发展都涉及到环境因素与遗传因素,许多慢性非传染性疾病是由环境因素和遗传因素共同作用所致。化学物环境暴露对机体的影响在遗传学与表观遗传学两方面均有体现,现在的研究表明,环境有害暴露对机体的危害不仅体现在遗传学方面,也同样体现在表观遗传学方面。经典的遗传学主要集中在DNA损伤、染色质变异等遗传物质的结构改变等问题上。与经典遗传学不同,表观遗传学是研究非DNA序列变化所致的可遗传的基因表达改变,主要涉及DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑及近年迅速发展的非编码RNA等几个研究方向,集中体现在对基因表达的调控。

一、非编码RNA的发展  生物学界的传统遗传中心法则认为,遗传信息从DNA转录为RNA,再从RNA翻译成蛋白质,RNA在遗传信息传递过程中只是作为一个信息载体。随着生命科学研究的迅猛发展,人们逐渐认识到高等生物复杂的生命特征并非依赖于基因数目,而主要是通过对基因表达的调控来实现的。人类全基因组测序结果表明,人类基因组中只有约2%的序列可编码生成蛋白质,绝大多数为不编码蛋白的非编码RNA[1]。越来越多的研究证实,非编码RNA并非原来认为的垃圾基因,而是具有基因表达调控的多重功能的分子,在整个细胞生命体系中发挥重要的作用。非编码RNA基因调控功能的发现,完善了传统的遗传中心法则。非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA,包括微小RNA(microRNA,miRNA)、长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、环状RNA(circular RNA,circRNA)、PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNA)、核仁小RNA(small nucleolar RNA,snoRNA)等多种已知功能的RNA,以及一些目前未知功能的RNA。这类非编码RNA由基因组转录而来,但不翻译成蛋白,可在RNA水平上行使各自的生物学功能。20世纪末和21世纪初,CellNatureScience等相关杂志相继报道了具有功能意义的miRNA之后[2,3,4,5],非编码RNA的重要性开始受到科学界的广泛关注,在生命科学尤其是医学领域受到热捧,分别于2006、2010和2015年开始掀起了miRNA、lncRNA和circRNA研究的热潮,其研究也迅速向预防医学领域尤其是向环境毒理学领域拓展。大量研究表明非编码RNA对维持细胞的正常功能和疾病的发生发展具有重要的作用,在许多的疾病发生发展中具有机制性意义,并且呈现出具有疾病生物标志物的应用潜力。环境有害物是影响人类健康的重要因素,近一些年来,围绕着环境有害暴露毒作用的非编码RNA机制及标志物,国内外均开展了颇有成效的研究工作。

二、化学物环境暴露与非编码RNA  非编码RNA是表观遗传学研究的重要内容。已有研究表明,环境有害暴露可通过非编码RNA介导,引起基因表达改变和功能蛋白的活性改变,导致疾病发生。目前对环境有害化学物暴露与非编码RNA的研究集中体现在miRNA、lncRNA和circRNA三种。
        大量研究表明,环境有害化学物暴露可以引起非编码RNA表达的改变。早在2009年国内研究发现化学物暴露可影响miRNA表达,苯并(a)芘代谢产物反式-7,8-二羟-9,10-环氧苯并芘可诱导支气管上皮细胞miRNA表达谱改变[6]。随后国外学者相继报道了甲醛诱导人肺细胞和灵长类动物鼻上皮细胞中miRNA表达谱的变化[7,8],之后这类研究报道也不断涌现。环境有害化学物暴露与miRNA表达可以呈现出良好的剂量-反应关系,环境中广泛存在的化学诱变剂和致癌剂N-亚硝基化合物,随着其对人胃上皮细胞暴露剂量的升高,miR-21的表达量呈逐渐上升趋势,呈现出剂量-反应关系[9];人支气管上皮细胞中,苯并(a)芘暴露24 h后,miR-638表达呈现剂量依赖性上调[10]。化学物暴露同样引起lncRNA的表达改变,反式-7,8-二羟-9,10-环氧苯并芘暴露可引起人支气管上皮细胞中多个lncRNA的差异表达[11],致癌物呋喃暴露可引起小鼠肝脏组织中lncRNA SCAL1的高表达[12]。circRNA是一类非线性结构的环状RNA,是继miRNA和lncRNA之后,又一新的非编码RNA家族研究领域的热点。不断推进的研究表明,化学物暴露的毒性作用中,同样存在circRNA的表达改变,如circ HECTD1和circ100284分别在二氧化硅诱导的肺内皮细胞间质化和砷诱导的角化细胞间质化中呈现异常表达[13,14]。细胞内的一些分子事件是非编码RNA异常表达的生物学基础,如miR-27a基因多态性可降低成熟miR-27a的表达[15],RNA结合蛋白TNRC6A可与circ 0006916结合促进其生成[16]
        非编码RNA在环境有害暴露的毒作用中具有重要的功能,其作用机制也不断被揭示。许多研究发现miRNA可通过调控其靶基因发挥生物学效应,在疾病甚至癌症的发生发展中发挥作用。miR-106a作为类癌miRNA,在反式-7,8-二羟-9,10-环氧苯并芘诱导的恶性转化细胞中,通过抑制肿瘤抑制因子RB1而发挥作用[17];miR-622作为抑癌miRNA,通过调节K-Ras基因发挥抑制细胞恶变的作用[18];miRNA-574-5p可通过调控核因子κB,在大气PM2.5暴露致神经损伤和认知障碍中发挥作用[19]。lncRNA的基因数目是miRNA基因数目的十倍之多,其更多的碱基数与复杂的分子结构赋予了其更为庞大的信息体系和更为重要的生物学意义。有研究发现lncRNA-DQ786227可作为类癌基因调节苯并(a)芘诱导的细胞恶性转化[20];lncRNA-LOC728228在苯并(a)芘诱导细胞恶变中,作为类癌基因,可通过调控cyclin D1发挥致癌功能,影响细胞周期、增殖和侵袭力[21];linc00341可经p21调控PM2.5暴露导致的细胞周期阻滞[22];lncRNA L20992可调控铅对机体神经毒性,促进神经细胞凋亡[23]。circRNA在环境相关疾病及化学物毒作用中的意义也开始有一些研究。circRNA circ0003575可调控氧化低密度脂蛋白诱导的血管内皮细胞增殖及血管形成[24];circ100284在砷暴露的人角质细胞中可加快人角质细胞周期,促进癌症发生[14]
        不同种类的非编码RNA在功能上具有关联性,存在相互作用。研究表明lncRNA具有miRNA识别单元,两者可以多位点、多靶标地相互调控。香烟提取物诱导恶变的人支气管上皮细胞中,lncRNA CCAT1可通过沉默miR-218促进细胞的恶性转化[25],lncRNA MALAT1可被miR-217沉默,抑制细胞的上皮细胞间质转化过程[26]。自Nature杂志首次报道circRNA可作为miRNA"海绵体"后,推动了circRNA的功能和机制研究[27]。目前研究发现circRNA具有miRNA多个结合位点,可调控miRNA活性。中山大学课题组首次发现细胞中miRNA、lncRNA和circRNA三者间相互作用,揭示了circRar1、lnRpa和miR671三者在铅对细胞毒性作用中的相互关系,发现circRNA与lncRNA共同靶向miRNA,影响铅对神经细胞凋亡的作用[28]。非编码RNA因大小和结构不同,其发挥功能的机制也不尽相同,详见表1

表1非编码RNA发挥功能的主要机制
2008年,英国学者首次发现人类血清中miRNA[29],循环非编码RNA的发现,为非编码RNA在临床医学和预防医学应用带来了希望。多环芳烃、香烟烟雾等多种化学物暴露的实验模型,及有害物暴露的人群血液中,均检测到对疾病发生发展和暴露损伤有标志意义的差异表达的非编码RNA[30,31]。除血液外,其他体液如唾液中也检测到因有害环境暴露诱导的非编码RNA的差异表达[32]。这些具有相对特异性差异表达的非编码RNA,可作为潜在的生物标志物用于疾病的早期诊断和环境有害暴露损伤的早期筛查。

三、研究存在的问题及将来发展方向  目前已有的非编码RNA研究中,大都局限在单个非编码RNA的研究,而疾病的发生和发展更多时候涉及到表达谱的改变,非常需要从组学的层面研究环境暴露与非编码RNA谱的改变,尤其需要明确众多非编码RNA异常表达的功能学意义,而这很大程度上依赖于组学检测技术和生物信息学方法的发展。目前对非编码RNA作为疾病生物标志物的研究中,多集中在非编码RNA作为疾病结局的标志物,其在疾病发生发展过程中的标志物需要明确有害物暴露与非编码RNA异常表达的剂量反应关系,以及疾病不同阶段的非编码RNA表达改变,同时需要足够的人群样本进行临床验证。目前研究者虽然对有害物暴露与非编码RNA异常表达的剂量反应关系有所研究,但对其的报道至今依然是凤毛麟角。剂量反应关系是生物标志物选择的重要基础,所以迫切需要加强有害暴露与某个特定非编码RNA表达或特定非编码RNA表达谱异常改变的剂量反应关系研究,以获得特异、灵敏度高、具有良好重复性与稳定性的非编码RNA作为疾病过程中的生物标志物。
        环境暴露有害作用的非编码RNA功能和作用机制,在实验性中研究较为广泛和深入,但基于流行病学方法的人群研究则相对滞后不少,相关研究报道不多,且人群研究中的样本数还非常有限,非常需要开展大样本特别是有一定规模的队列研究。需要有机结合毒理学和流行病学的思想探索环境有害暴露的非编码RNA问题。非编码RNA作为表观遗传的一个重要成员,研究中需要注意将非编码RNA与表观遗传的其他问题,如甲基化等结合起来考虑,综合分析表观遗传作用在环境暴露危害中的意义。
        血液中的非编码RNA,作为一种分子标志物,具有临床疾病诊断和环境早期暴露损伤检测的潜在价值,但目前血清非编码RNA分子检测还十分昂贵,高通量血清非编码RNA检测对样本量的要求比较苛刻,尤其对低丰度RNA检测不尽如人意,迫切需要发展经济高灵敏的血液非编码RNA检测技术。血液非编码RNA的来源及其与机体损伤的必然联系,是其作为疾病发生发展的关键理论依据,但这目前还是个瓶颈问题,需要进一步研究和探索。

四、结论  环境有害暴露会引起组织细胞miRNA、lncRNA和circRNA等非编码RNA表达的异常改变,非编码RNA功能与机制的研究是环境与健康研究领域的新热点,一些非编码RNA具有潜力成为疾病发生发展和环境有害暴露损伤的分子标志物。今后需要加强非编码RNA的组学研究,采取毒理学和流行病学结合的观念探索他们的功能与作用机制,加大力度推进非编码RNA标志物的研究,促使其向环境暴露损伤和危险度评价方面的转化和应用。

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