環狀RNA與自噬在胃癌中作用的研究進展

郝雅琴 胡云峰 郝 靜 趙 鑫 王會豐 馬軍偉

2020年GLOBOCAN報告顯示,胃癌在全球1930萬新發病例中位居第5位,1000萬死亡病例中位居第4位。我國作為胃癌高發國家之一,2020年胃癌新發病例數約為48萬例,死亡病例數37萬例,其發生率及病死率在所有惡性腫瘤中均高居第3位[1]。據分析,胃癌的早期診斷直接關系到患者的預后,早期局限性胃癌患者的5年總生存率可超60%,而遠處轉移的患者5年總生存率甚至達不到5%。除此之外,化療作為胃癌必不可少的治療手段之一,其耐藥性嚴重影響了很多晚期患者的治療效果及預后[2]。因此,提高胃癌的早期診斷率、研究化療耐藥機制以及找到解決耐藥性的辦法是目前胃癌防治的關鍵瓶頸,亟待解決,以實現對胃癌患者的最佳診治?；谧允稍谀[瘤發生、發展過程中的重要作用以及對非編碼RNAs愈加深入的認識,近年來circRNAs與自噬在胃癌中作用的研究引起了人們廣泛的關注。研究發現circRNAs的表達水平與胃癌的發生、發展密切相關,作為生物學標志物在胃癌的診斷和預后預測中具有極大的潛力,而且circRNAs與自噬在胃癌耐藥中的分子機制也為胃癌的治療提供了潛在的新靶點。

一、環狀RNA概述

目前,人們認識到非編碼RNAs(non-coding RNAs,ncRNAs)主要可分為微小RNAs(microRNAs,miRNAs)、長鏈非編碼RNAs(long non-coding RNAs,lncRNAs)和環狀非編碼RNAs(circRNAs)三大類[3]。40多年前,人們在一種植物病毒中發現了circRNAs。近年來,非編碼RNAs一直是RNA研究的新熱點。circRNAs作為一種環狀非編碼RNA,是共價閉環RNA分子,它沒有5′-3′極性的多聚腺苷酸尾巴,由前體編碼RNAs(messenger RNAs,mRNAs)反向剪接和選擇性剪接形成,不易被核酸外切酶降解[4]。一些研究表明,circRNAs在心血管疾病、神經系統疾病以及腫瘤的治療中都發揮著重要作用[5]。在腫瘤中,circRNAs可以作為各種癌癥的生物學標志物或預后預測標志物,與周圍正常組織或者癌旁組織比較,腫瘤細胞中circRNAs的表達上調或下調。它們可以通過海綿miRNA或直接靶向某個基因來調節腫瘤的增殖、侵襲、化療耐藥性和其他生物學行為,從而進一步促進或抑制腫瘤的發生、發展[6]。

circRNAs主要的生物學功能有五大方面[7]。有些circRNAs能結合RNA結合蛋白(RNA-binding protein,RBP),發揮蛋白質海綿作用;有些circRNAs能同時結合酶及相應底物,作為蛋白腳手架發揮功能;有少數circRNAs具有翻譯功能,可以作為模板翻譯合成多肽;還有一些則可以在細胞核中調控轉錄;還有研究最為成熟的就是miRNA海綿作用,與lncRNAs發揮作用的途徑類似,它也可以和miRNAs形成一個競爭的內源RNA。ceRNA(competing endogenous RNA,ceRNA)即競爭內源RNA,包括lncRNAs、circRNAs、mRNAs、tRNAs(transfer RNAs,tRNAs)、rRNAs(ribosome RNAs,rRNAs)和假基因RNAs[5]。它們與miRNAs形成一個相互作用的調控網絡,稱為ceRNA網絡。不同的ceRNA通常含有多個miRNAs的反應元件(miRNA response element,MRE),每個miRNA可以調控多個ceRNA,同樣大多數ceRNA也受多個miRNAs的調控。ceRNA通過靶向miRNAs來調節親本RNA的轉錄和翻譯[8]。近年來,有關circRNAs在胃癌中作用的研究大多基于ceRNA網絡。

二、環狀RNA作為胃癌的生物學標志物在診斷及預后預測中的作用

1.診斷:胃癌是最常見的消化道惡性腫瘤之一,目前仍缺乏一些在早期診斷、隨訪監測以及預后預測等各個發生、發展階段中特異性強、敏感度高的生物學標志物。關于環狀RNA作為生物學標志物在胃癌診斷方面的前景正在被不斷發現,其作用也在被逐漸驗證。不少研究發現,circRNAs由于其高穩定性,在作為胃癌診斷標志物方面表現出較大的優越性[9]。

研究發現,circPDZD8在胃癌組織和細胞中表達上調,而它靶向的mir-197-5p在胃癌中表達下調,circPDZD8可以通過海綿miR-197-5p上調CHD9的表達,并通過調節miR-197-5p/CHD9軸來調節胃癌細胞的生長[10]。Zhang等[11]研究發現,circNRIP1在人胃癌組織中顯著上調,并通過海綿miR-149-5p進一步調節Akt1/mTOR信號通路,來促進胃癌細胞的增殖、遷移和侵襲。除了表達上調的circRNAs,還有研究發現有些circRNAs在胃癌組織中呈低表達。穩定表達且定位于細胞質的circCUL2在胃癌組織和細胞中表達顯著降低,而過表達的circCUL2起抑癌作用[12]。另一項研究發現,胃癌組織中circRHOBTB3的表達水平顯著下調,circRHOBTB3具有抑癌活性,可通過海綿化miR-654-3p并促進其靶標p21的表達來抑制胃癌細胞的生長[13]。

由于circRNAs的環狀結構使其在體液中也具有較高的穩定性,不少研究者在血液標本中發現了circRNAs的差異性表達。Peng等[14]在66例胃癌患者的血漿中發現,胃癌患者circ_0010882的表達水平顯著高于正常對照組。它通過調節PI3K/Akt/mTOR信號通路在胃癌細胞系的增殖、遷移和侵襲中發揮重要作用。Xie等[15]通過透射電子顯微鏡和蛋白印跡實驗,分析了20例胃癌患者和20例健康對照的血清中外泌體中circSHKBP1的表達。發現血清外泌體的circSHKBP1在胃癌患者中比健康對照組更豐富,這與腫瘤組織中的結果一致,而且血清外泌體中表達水平大約是腫瘤中的6倍。該團隊還研究證實了胃切除術后血清外泌體中circSHKBP1的表達急劇下降,這些結果表明,circSHKBP1是一種來自胃癌組織高表達的circRNA。同組織中一樣,血液標本中也有一些低表達的circRNAs,一些研究者發現,circPSMC3在胃癌患者的血漿和組織樣品中表達下調,circPSMC3通過海綿化miRNA-296-5p來調節PTEN促進胃癌的進程[16]。Tao等[17]研究發現,circ_0000419在胃癌患者的血漿和外泌體中表達下調,探究其機制發現circ_0000419可以抑制miR-141-5p和miR-5893p調控下游靶基因的表達進而調控胃癌的發生、發展。這些證據均表明,circRNAs在胃癌患者的體液中可以穩定表達,并且表達水平與胃癌的發生、發展相關。

不僅如此,還有研究者將circRNAs與臨床上現有的腫瘤標志物聯合應用于胃癌的診斷,評估其診斷效能。例如,有研究發現,circ_0001821在胃癌組織和胃癌患者的全血標本中顯著下調,進一步行ROC分析(receiver operating characteristic curve,ROC)表明,循環circ_0001821的AUC(area under the curve,AUC)值為0.872,高于CEA、CA199和CA125。將循環circ_0001821與上述標志物相結合,最大AUC值可達0.933。由此可見,circ_0001821在胃癌診斷中體現了極大的潛力[18]。Huang等[19]研究發現,circ_0000745在胃癌患者的胃癌組織和血漿中下調,與血清CEA比較,circ_0000745篩查胃癌具有更高的敏感度和特異性,二者聯合檢測則提高了診斷價值,circ_0000745作為可能的胃癌診斷標志物已顯示出一定潛力。

從分子機制角度來看,多項研究發現circRNAs可以協同自噬效應,共同調節胃癌的發生、發展。一項關于circ_0032821的研究發現,在人胃癌組織和胃癌細胞中該circRNA表達顯著上調,機制上,circ_0032821通過激活MEK1/ERK1/2信號通路,在體內外誘導人胃癌細胞增殖、內胚層轉化、遷移、侵襲以及自噬抑制,來發揮致癌作用,促進胃癌發生、發展[20]。另一項研究表明,在胃癌細胞中circ_0006470的表達顯著增高,通過海綿miR-27b-3,同樣抑制了自噬活性,在胃癌發生中發揮致癌作用[21]。

這些研究均表明,circRNAs在胃癌的診斷方面具有相當大的前景,包括早期診斷以及隨訪監測中的診斷。且circRNAs在體液中的穩定存在,使其轉化為臨床所用變得更有可能。但是不同的circRNAs可能發揮抑癌作用,也可能發揮促癌作用,筆者猜測這可能取決于腫瘤的不同類型、細胞的遺傳環境和特定的細胞應激等,其中更深層次的內涵機制還需要未來進一步研究闡明。

2.預后:在反映胃癌患者預后方面,circRNAs也得到了很多人的關注,有望成為胃癌患者預后預測的生物學標志物。Xia等[10]通過對所收集的70例胃癌組織標本患者的總體生存信息隨訪,進行生存分析,結果顯示當circPDZD8水平較高時,胃癌患者的總體生存率較低,circPDZD8基因敲除可抑制胃癌細胞的增殖和遷移。有研究分析circSMARCA5與臨床病理特征的關系,發現在胃癌組織中circSMARCA5表達下調,并且與胃癌患者的分化、淋巴結轉移、血管浸潤以及無病生存期(overall survival,OS)和總體生存期(disease-free survival,DFS)差有關,而且多因素分析結果表明,circSMARCA5低表達是胃癌患者生存的獨立預后因素[22]。Du等[23]研究發現,circPRMT5的表達水平與腫瘤直徑、TNM分期、分化程度、淋巴結轉移和遠處轉移相關,且表達降低的胃癌患者預后和總生存期更好。

有研究者在血液標本中也觀察到了circRNAs與患者的臨床病理特征及預后密切相關。他們在胃癌患者的血漿中發現表達下調的circ_0000419與腫瘤分期、淋巴和遠處轉移、靜脈和神經周圍浸潤負相關,并與Borrmann分型和分化等級顯著相關,且表達下調的患者OS和DFS較差[17]。另一項研究發現circ-KIAA1244在胃癌患者的血漿中表達下調,并與腫瘤分期、淋巴結轉移和OS降低呈負相關,且circ-KIAA1244的下調是胃癌患者OS的獨立預后指標[24]。諸如此類的發現還有很多,這些研究都提示了circRNAs在胃癌患者的預后預測方面有著巨大的潛能,有望在胃癌診療過程中為患者帶來更大的獲益。

三、環狀RNA介導自噬對胃癌化學耐藥性的調節

1.自噬:自噬(autophagy)是細胞利用溶酶體降解自身受損的細胞器和大分子物質,以維持生存和新陳代謝的過程,又被稱為Ⅱ型程序性死亡[25]。自噬可分為宏觀自噬、微觀自噬和分子伴侶介導的自噬。巨自噬是研究最多、最經典的一種類型[25]。在哺乳動物和酵母的遺傳類似物中,大約有30個基因被確定為自噬相關基因(autophagy-related genes,ATGs),參與自噬通路的調控,比如酵母中的ATG6、哺乳動物基因Beclin1等[26]。自噬失調可導致許多系統的疾病,如阿爾茨海默病、心血管疾病、糖尿病,甚至癌癥等。腫瘤發生最重要的直接原因在于細胞增殖和細胞死亡之間的失衡。當自噬失調、細胞增殖和死亡之間的平衡被破壞,便意味著早期腫瘤形成的開始。而在腫瘤發生、發展的不同階段,自噬扮演的角色也不同。在早期階段,自噬被認為可以抑制癌癥的發生。在晚期,自噬卻是保護腫瘤細胞存活的機制。自噬在腫瘤發生、發展中起雙向調節作用,因此,它在腫瘤研究中引起了相當大的關注[27]。

2.自噬與胃癌發生、發展及化學耐藥:多數研究表明,自噬的激活可以抑制早期胃癌發生[28]。早在1999年,人們就發現Beclin1通過激活自噬在抑制癌癥發生、發展中起著關鍵作用[29]。UVRAG作為染色體穩定性的守護者,與Beclin1相互作用,發揮正向調節自噬的作用,而有人在胃癌中觀察到了該基因的丟失,且表現出抑瘤性[30]。不難發現,在胃癌早期自噬被激活后可以抑制胃癌細胞的生長并誘導其凋亡。與早期抑制腫瘤發生的作用相反,自噬在腫瘤開始生長后轉變為促進腫瘤的進展。在腫瘤細胞快速增殖期,體內營養和能量極其缺乏,細胞對營養、能量的供給不足有明顯反應。在這樣的代謝應激條件下,癌基因RAS被激活,并通過誘導自噬降解細胞組分來維持氧化代謝和腫瘤發生。RAS誘導的自噬通過提供能量和營養來源使癌細胞適應應激,延長了癌細胞的存活[31]。由此,不少研究認為自噬通過提高應激耐受性和提供必要的營養來提高腫瘤細胞的存活率,以滿足腫瘤細胞在生長過程中日益增強的能量需求。

除了自噬對胃癌發生、發展的作用,許多研究者還將目光投向了自噬在胃癌化學耐藥中的作用機制,大多數研究結果表明,自噬水平的增高可以導致腫瘤細胞產生耐藥性。在多藥耐藥的情況下,自噬可能作為一種保護機制被激活,以保護腫瘤細胞免受化療藥物的毒性[32]。而關于自噬與胃癌化學耐藥性之間更進一步的關系及作用,還需要我們去深入研究。如何利用自噬這把雙刃劍更好地在胃癌治療中發揮作用,值得進一步探索。

3.環狀RNA、自噬與胃癌化學耐藥性:近年來許多研究發現,在化療耐藥分子機制中,circRNAs與自噬扮演著非常重要的角色,circRNAs調節自噬的機制主要通過兩方面的功能,即miRNA海綿和RBP結合[33]。一方面,circRNAs通過海綿miRNA,激活影響自噬過程的關鍵途徑,通過調節自噬活性來調節腫瘤的化療耐藥性[34]。另一方面,circRNAs可以直接與自噬啟動的相關蛋白結合。但circRNAs是否可以通過編碼特定的肽和蛋白來調控自噬過程,或者是否可以通過在細胞核中調控其轉錄過程來調節自噬中關鍵蛋白的表達,還需要進一步研究。

目前circRNAs-自噬軸研究較為充分的仍是miRNA海綿作用。一項研究發現,在順鉑耐藥胃癌細胞系中,circCUL2表達增加會抑制細胞活力,而表達降低則誘導順鉑耐藥,實驗結果表明circCUL2可能通過miR-142-3p/ROCK2介導的自噬調節而成為順鉑敏感度的抑制因子和調節劑,這可能成為胃癌化療耐藥的關鍵機制和治療靶點[12]。另一項研究表明,circ-PVT1在鉑類耐藥的胃癌血清和細胞中表達較鉑類敏感者上調,敲減circ-PVT1可以通過靶向miR-30a-5p/YAP1軸促進細胞凋亡、減少自噬,進一步抑制鉑類耐藥細胞中的耐藥性。circ-PVT1敲低可能成為對抗胃癌鉑類耐藥的新策略[35]。這些證據均提示circRNAs與自噬在胃癌耐藥機制中發揮著重要作用,并且有一定的治療潛在價值。

四、展 望

circRNAs作為一種組織特異性RNA,其環狀結構比線性RNA更穩定,在生理過程、病理過程和多種疾病進展中發揮著重要作用。本文從多角度綜述了circRNAs及其與自噬在胃癌中的作用。諸多研究結果表明,circRNAs參與調控胃癌細胞的增殖、侵襲、遷移和上皮間充質轉化等生物學行為,而且多與胃癌患者的臨床病理特征(腫瘤分化程度、TNM分期和轉移等)有關,因此circRNAs也被認為是胃癌早期診斷和預后判斷的生物學標志物。雖然自噬在胃癌中更深層次的發生機制尚不完全清楚,但自噬與胃癌的發生、進展、治療和預后密切相關。在上述研究的基礎上,不少研究聚焦到了circRNAs與自噬在胃癌化療耐藥性上的作用,參與胃癌發生、發展的circRNAs與自噬極有可能成為胃癌個體化治療以及解決化療耐藥性的新靶點。盡管將其轉化到臨床應用還是一個漫長的過程,但circRNAs和自噬在胃癌早期診斷、療效評估、預后預測以及可能的治療方法中的作用仍需開展進一步研究予以證實。