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本文作者：范方田1,2沈存思1裴昌松3張蕾1鄭仕中1,4王愛云1,4陸茵1,4作者單位：1南京中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院2合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物系3徐州醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院泌尿外科4江蘇省中藥藥效與安全性評價重點實驗室

乳動物中HOTAIR的序列和進化特征

1編碼人HOTAIR基因外顯子序列

最新研究[20,21]表明，編碼HOTAIR基因的DNA序列位于12號染色體的HOXC11基因與HOXC12基因之間。分子克隆和Northern印跡法證實，HOTAIR是長度為2158nt、迭接的多聚核核苷酸轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，RT-PCR研究證實編碼HTOAIR的DNA鏈中只有一條可以被轉(zhuǎn)錄，而且與HOXC基因不在同一條DNA鏈上。編碼HOTAIR的序列中包括5個短外顯子和1個長外顯子（圖1）。Rinn等[5]應(yīng)用TilingArray和RT-PCR對人體11處成纖維細(xì)胞進行的研究得出了HOTAIR傾向于在人體的后部和末端表達(dá)的相同結(jié)論，與HOX基因的表達(dá)一致，由此提示HOTAIR的表達(dá)調(diào)控與HOX基因的表達(dá)調(diào)控一致。至于HOTAIR的轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制，目前尚不清楚，仍有待進一步研究。

2哺乳動物HOTAIR基因外顯子序列

lncRNAs常被認(rèn)為是一類有著不同序列卻能維持保守結(jié)構(gòu)的分子。He等[20]對10種哺乳動物（人、黑猩猩、恒河猴、大猩猩、狗、牛、馬、海豚、小鼠和大鼠）和3種非哺乳脊椎動物（鴨嘴獸、雞和斑馬魚）進行了HOTAIR基因序列的比對研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些動物的HOTAIR基因序列存在明顯差異，除靈長類動物外，其余脊柱動物HOTAIR基因外顯子均存在明顯差異，說明種屬間HOTAIR基因存在較大差異，同源HOTAIR基因外顯子的保守性也較差；進一步的研究發(fā)現(xiàn)，只有在哺乳動物的HOXC11基因和HOXC12基因之間同時存在6個HOTAIR基因的外顯子[21]，而有趣的是單個HOTAIR基因外顯子普遍存在于哺乳和非哺乳脊椎動物的基因組中（圖1），由此提示HOTAIR的作用對哺乳動物非常重要；He等[20]還對13種動物HOTAIR的進化動力學(xué)進行了研究，發(fā)現(xiàn)同源HOTAIR基因外顯子表現(xiàn)出不同的進化動力學(xué)過程，例如外顯子3、4和5進化過程比較緩慢，相對比較保守，而外顯子1和2則進化速度比較快；另外，哺乳動物中HOTAIR基因序列的進化過程明顯快于鄰近的HOXC基因。以上研究結(jié)果提示，HOTAIR可能是一個比較新的基因，其中的某些外顯子正處于快速的進化過程中。

HOTAIR的功能

細(xì)胞完全分化后，大部分基因處于沉默狀態(tài)，這種沉默主要是由多梳蛋白和lncRNAs介導(dǎo)的組蛋白甲基化，而不是由海量的負(fù)性轉(zhuǎn)錄因子決定的[22]。近年來的研究表明，lncRNAs能通過染色體修飾的模式來調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。一般認(rèn)為，lncRNAs通過染色體修飾復(fù)合物來發(fā)揮作用，但是尚不十分清楚該功能的分子作用機制[7,22-24]。多梳抑制復(fù)合體和組蛋白去甲基化酶復(fù)合體[賴氨酸特異性去甲基化酶1/RE1-沉默轉(zhuǎn)錄因子共阻抑蛋白/REST]被認(rèn)為對多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控起著重要的作用，兩者通過組蛋白甲基化和去甲基化來調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過程，但一直不清楚兩者靶向目的基因的機制。HOTAIR是第一個被發(fā)現(xiàn)的通過反式作用調(diào)節(jié)基因表達(dá)的lncRNA，有報道稱其能通過召集PRC2和LSD1來沉默HOXD基因座的轉(zhuǎn)錄[5,25,26]?；诖耍琓sai等[27]對HOTAIR、PRC2和LSD1這三者的相互關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明包皮成纖維細(xì)胞中的HOTAIR5’端結(jié)構(gòu)域能與PRC2復(fù)合體結(jié)合，而3’端結(jié)構(gòu)域能與LSD1/REST/CoREST復(fù)合體結(jié)合。HOTAIR基因敲除和過表達(dá)研究的結(jié)果表明，HOTAIR對PRC2和LSD1的相互作用是必需的。Tsai等[27]進一步通過染色質(zhì)免疫共沉淀（chromatinimmunoprecipitation，ChIP）的方法，對HOX基因座和人的全基因組啟動子區(qū)PRC2和LSD1的占據(jù)情況進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HOTAIR基因敲除后HOXD基因座的轉(zhuǎn)錄明顯上調(diào)，并且伴隨組蛋白H3第4位賴氨酸二甲基化表達(dá)的上調(diào)以及組蛋白H3第27位賴氨酸三甲基化、LSD1和PRC2的表達(dá)下調(diào)。在全基因組的啟動子中有721個啟動子同時結(jié)合LSD1和PRC2，當(dāng)HOTAIR同時結(jié)合這2個復(fù)合體時，可特異性介導(dǎo)靶向富含GC的基因位點。Tsai等[27]的研究還證實，HOTAIR能作為PRC2和LSD1這2個復(fù)合體的支架，介導(dǎo)這2種復(fù)合物至特異性的基因組位點，使該處染色體上的組蛋白H3K27發(fā)生三甲基化和組蛋白H3K4去甲基化，從而使染色體處于封閉狀態(tài)而使其基因沉默。值得注意的是，LSD1和PRC2調(diào)控的靶基因極為廣泛，因此改變HOTAIR的表達(dá)水平有可能導(dǎo)致極其復(fù)雜的生物學(xué)效應(yīng)。

HOTAIR與腫瘤的關(guān)系

1HOTAIR與乳腺癌

Gupta等[28]對HOTAIR與乳腺癌轉(zhuǎn)移的相關(guān)性進行了系統(tǒng)研究。臨床研究表明，HOTAIR在乳腺癌原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移灶組織標(biāo)本中的表達(dá)均升高；定量PCR檢測結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)移灶中HOTAIR的表達(dá)水平高出正常上皮組織含量的200～2000倍，提示HOTAIR對乳腺癌的預(yù)測具有重要意義。臨床回顧性研究表明，HOTAIR在原發(fā)灶中的表達(dá)水平是預(yù)測腫瘤轉(zhuǎn)移和患者死亡的重要指標(biāo)，且預(yù)測結(jié)果獨立于臨床已知的危險因素（如腫瘤大小、分期和雌激素受體的陰性或陽性表達(dá)等），提示HOTAIR作為乳腺癌轉(zhuǎn)移的指標(biāo)能夠彌補現(xiàn)有預(yù)測指標(biāo)的不足，并能形成互補，豐富乳腺癌的診斷指標(biāo)。另外，基于HOTAIR在乳腺癌轉(zhuǎn)移灶中高表達(dá)的特點，可以考慮將其作為乳腺癌轉(zhuǎn)移的特異性指標(biāo)。Gupta等[28]對HOTAIR在乳腺癌轉(zhuǎn)移中的作用也進行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明體外上調(diào)HOTAIR表達(dá)水平能夠促進4種乳腺癌細(xì)胞的侵襲能力；相反，沉默內(nèi)源性HOTAIR的表達(dá)，即能抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲力，提示HOTAIR的高表達(dá)可能是導(dǎo)致部分乳腺癌轉(zhuǎn)移的重要原因。進一步的體內(nèi)研究表明，靜脈注射高表達(dá)HOTAIR的MDA-MB-231細(xì)胞，可使肺轉(zhuǎn)移率較對照親本MDA-MB-231細(xì)胞的高出10倍，可能與HOTAIR高表達(dá)導(dǎo)致無轉(zhuǎn)移活性的SK-BR3細(xì)胞向肺臟大量轉(zhuǎn)移有關(guān)，進一步證實了乳腺癌轉(zhuǎn)移與HOTAIR緊密相關(guān)。為了探討HOTAIR介導(dǎo)乳腺癌轉(zhuǎn)移的機制，Gupta等[28]通過ChIP實驗對人類全基因組啟動子區(qū)PRC2占據(jù)情況進行了分析，結(jié)果顯示高表達(dá)HOTAIR誘導(dǎo)H3K27me3和PRC2占據(jù)了854個基因（其中包括乳腺癌抑制基因，如HOXD10、PRG1、JAM2和EPHA1等），從而抑制了這些基因的表達(dá)（圖2）。研究還發(fā)現(xiàn)，腫瘤侵襲力提高依賴于HOTAIR和PRC2之間的協(xié)同作用。依據(jù)上述研究結(jié)果，一方面HOTAIR可以作為乳腺癌轉(zhuǎn)移和預(yù)后的特異性指標(biāo)，在某些情況下甚至還可以作為是否進行預(yù)防性放療和化療的指標(biāo)；另一方面可以針對這一靶點開發(fā)針對特定表型腫瘤的藥物。

2HOTAIR與肝癌

鑒于HOTAIR在乳腺癌轉(zhuǎn)移中的重要作用，Yang等[29]對HOTAIR與肝癌轉(zhuǎn)移之間的關(guān)系進行了研究。臨床研究表明，隨機抽取的50例肝癌組織的定量PCR檢測結(jié)果顯示，HOTAIR在64%的原發(fā)灶中呈現(xiàn)高表達(dá)，并且原發(fā)灶中的HOTAIR表達(dá)水平與肝癌轉(zhuǎn)移患者的復(fù)發(fā)率和預(yù)后緊密相關(guān)，這些足以提示HOTAIR在肝癌的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)預(yù)測中具有重要的意義?；谝陨吓R床研究的結(jié)果，Yang等[29]進一步開展了體外實驗，發(fā)現(xiàn)4種肝癌細(xì)胞株（SMMC-7721、HepG2、Bel-7402和HCCLM3）中的HOTAIR均呈現(xiàn)高表達(dá)，而改變HOTAIR的表達(dá)水平可明顯影響HepG2細(xì)胞的活力和細(xì)胞凋亡，下調(diào)HOTAIR的表達(dá)水平可明顯提高HepG2細(xì)胞對化療藥物順鉑和多柔比星的敏感性，這表明肝癌對鉑類制劑和多柔比星的耐藥性與HOTAIR具有相關(guān)性，但其具體的作用機制還有待進一步研究。該實驗還表明，HOTAIR表達(dá)水平與HepG2細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力呈正相關(guān)。HOTAIR與肝癌的研究，一方面揭示了HOTAIR與肝癌轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)之間的關(guān)系，另一方面是發(fā)現(xiàn)了HOTAIR還可以介導(dǎo)腫瘤的耐藥，由此為臨床解決順鉑和多柔比星的耐藥問題提供了新的研究方向。

3HOTAIR與結(jié)腸癌

Kogo等[30]對結(jié)腸癌預(yù)后與HOTAIR之間的關(guān)系也進行了類似的研究，同樣發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌組織中HOTAIR的表達(dá)水平與結(jié)腸癌術(shù)后的預(yù)后呈正相關(guān)，且與肝轉(zhuǎn)移具有良好的相關(guān)性。相關(guān)作用機制的研究同樣表明，結(jié)腸癌高表達(dá)HOTAIR可以促使PCR2靶向于基因組中的相關(guān)基因，并使這些基因沉默；高表達(dá)HOTAIR的結(jié)腸癌HCT116細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力增強，而沉默HOTAIR的表達(dá)會降低SW480細(xì)胞的侵襲能力。最近，Niinuma等[31]的研究也發(fā)現(xiàn)，HOTAIR同樣會影響胃腸間質(zhì)瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲能力，說明HOTAIR不僅與上皮來源腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲能力相關(guān)，而且與間質(zhì)瘤的轉(zhuǎn)移也相關(guān)。這項研究拓寬了HOTAIR介導(dǎo)腫瘤轉(zhuǎn)移的范圍，提示HOTAIR在調(diào)控腫瘤的轉(zhuǎn)移中具有普遍意義。

結(jié)語和展望

隨著人們對lncRNAs在哺乳動物進化以及疾病發(fā)生和發(fā)展中的作用日益關(guān)注，lncRNAs的作用機制已成為現(xiàn)代遺傳學(xué)研究的熱點問題。一般認(rèn)為，lncRNAs通過染色體修飾復(fù)合物來發(fā)揮作用，PRC2是一種重要的基因抑制性復(fù)合物。以往的研究表明，PRC2的亞型EZH2在多種腫瘤中表達(dá)異常，且與多個腫瘤抑制基因的沉默相關(guān)。在開展HOTAIR研究之前，一直未闡明這種抑制性復(fù)合物靶向于特定基因的分子機制。針對HOTAIR的研究，一方面闡明了lncRNAs調(diào)控基因表達(dá)的分子機制，為lncRNAs其他功能的研究提供了參考思路[26,32]；另一方面也揭示了HOTAIR與相關(guān)腫瘤之間的關(guān)系，為相關(guān)腫瘤提供了潛在的預(yù)測指標(biāo)和新的治療靶點[11]。當(dāng)然，目前對HOTAIR的研究尚不全面，例如尚不清楚HOTAIR的來源，也未明確導(dǎo)致HOTAIR異常表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因素或突變情況，以及HOTAI的轉(zhuǎn)錄是否受其他表觀遺傳學(xué)因素調(diào)控等。雖然已有研究表明，HOTAIR與乳腺癌、肝癌和結(jié)腸癌的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)密切相關(guān)，但其與其他類型腫瘤的相關(guān)性研究尚未見報道。另外，HOTAIR異常表達(dá)與相關(guān)腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)特點之間的關(guān)系，仍有待進一步的實驗予以證明。綜上所述，筆者認(rèn)為包括HOTAIR在內(nèi)的lncRNAs有望成為預(yù)測腫瘤復(fù)發(fā)的新指標(biāo)以及治療的新靶點。