211036532_长链非编码RNA_响应环境污染物胁迫研究进展

生态毒理学报
Asian Journal of Ecotoxicology
第18卷第1期2023年2月
V ol.18,No.1Feb.2023
㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(31971523)
㊀㊀第一作者:胡成章(1997 ),男,硕士研究生,研究方向为水生生态毒理学,E -mail:****************㊀㊀*通信作者(Corresponding author ),E -mail:****************.cn
DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20220417002
胡成章,蔡灵,于婷,等.长链非编码RNA 响应环境污染物胁迫研究进展[J].生态毒理学报,2023,18(1):39-50
Hu C Z,Cai L,Yu T,et al.Research progress of long non -coding RNAs in stress response to environmental pollutions [J].Asian Journal of Ecotoxicolo -gy,2023,18(1):39-50(in Chinese)
长链非编码RNA 响应环境污染物胁迫研究进展
胡成章1,2,蔡灵2,于婷1,赵晓玉1,杨明1,*
1.上海大学环境与化学工程学院,上海200444
2.自然资源部第三海洋研究所,厦门361005收稿日期:2022-04-17㊀㊀录用日期:2022-06-18
摘要:长链非编码RNA(long non -coding RNA,LncRNA)是指一类长度>200个核苷酸一般无编码蛋白质能力的RNA 分子㊂其在真核生物中广泛存在,参与生物体表观遗传调控㊁生长发育㊁免疫㊁代谢等多种生命活动,近年来已成为生命科学领域的研究热点㊂随着对环境污染物毒理作用机制研究的不断深入,越来越多的证据表明LncRNA 参与污染物胁迫应答,在环境污染物引起的毒性效应中发挥重要功能㊂本文简要介绍了LncRNA 的分类及其生物学功能,并着重综述了LncRNA 参与不同类型环境污染物胁迫应答的研究进展,包括多环芳烃㊁多氯联苯㊁多溴联苯醚㊁苯和双酚类化合物㊁全氟和多氟烷醚类化合物㊁药物及个人护理品㊁农药㊁重金属㊁纳米材料和PM 2.5等㊂最后对LncRNA 在毒理学研究领域未来的发展方向进行了展望㊂本文旨在为今后更加深入开展LncRNA 在环境污染物毒性效应中的分子机制研究提供参考㊂关键词:环境污染物;LncRNA ;毒性效应;表观遗传调控
文章编号:1673-5897(2023)1-039-12㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:A
Research Progress of Long Non-coding RNAs in Stress Response to Envi-ronmental Pollutions
Hu Chengzhang 1,2,Cai Ling 2,Yu Ting 1,Zhao Xiaoyu 1,Yang Ming 1,*
1.School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China
2.Third Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Xiamen 361005,China
Received 17April 2022㊀㊀accepted 18June 2022
Abstract :Long non -coding RNAs (LncRNAs)are a class of RNA transcripts with a length greater than 200nucle -otides that generally have no or limited protein -coding capacity.They exist widely in eukaryotes and participate in epigenetic regulation,growth and development,immune response,metabolism and other life activities,and have be -come a new research hotspot in the field of life science in recent years.With a deepening understanding of the toxi -cological mechanisms of environmental pollutants,increasing evidence indicates that LncRNAs may play an impor -tant role in mediating the toxic effects of these pollutants.This review first briefly introduces the classification and biological functions of LncRNAs,and then focuses on the research progress of LncRNAs involved in stress respon -ses to different types of environmental pollutants,including polycyclic aromatic hydrocarbons,polychlorinated bi -
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phenyls,poly brominated diphenyl ethers,benzene and bisphenols,per-and polyfluoroalkyl substances,pharmaceu-ticals and personal care products,pesticides,heavy metals,nanomaterials and PM
2.5
.Finally,the future development direction of LncRNAs in the field of toxicology is prospected.This paper aims to provide a reference for further re-search on the molecular mechanism of LncRNAs in the toxic effects of environmental pollutants. Keywords:environmental pollutants;lncRNA;toxic effects;epigenetic modulation
㊀㊀长链非编码RNA(long non-coding RNA,Ln-cRNA)是指转录本长度>200个核苷酸(nucleotide, nt)且一般无编码蛋白质能力的一类RNA分子[1]㊂与信使RNA(message RNA,mRNA)形成类似,Ln-cRNA是由RNaseⅡ聚合酶转录生成,而后经过剪切加工形成㊂与mRNA不同的是,大部分LncRNAs 的基因序列保守性低,仅在LncRNA的启动子区域附近或剪切位点具有一定的保守性㊂虽然LncRNA 保守性较差而且不能编码蛋白质,但它能够通过与DNA㊁RNA㊁蛋白质相互作用,在表观遗传水平㊁转录以及转录后水平调控基因的表达进而发挥生物学功能[2-4]㊂有研究指出,LncRNA参与生物体的生长发育㊁细胞分化㊁细胞增殖凋亡㊁免疫及代谢等多种生命活动[5-9],并且与一些疾病过程[10-11]也密切相关㊂近年来,随着对LncRNA的深入研究,发现其在环境污染物引起的毒理学效应中同样发挥着重要作用[12],生物体暴露于各种环境污染物可引起Ln-cRNA的异常表达[13],同时环境污染物可以通过调节特定LncRNA来调控相关基因的表达,从而产生生理效应[14]㊂本文综述了LncRNA在不同类型环境污染物作用下的应答研究,为后续更加深入地探索LncRNA的毒理学效应提供参考㊂
1㊀LncRNA的分类(The classification of LncR-NAs)
根据LncRNA的不同特点可以将LncRNA进行不同的分类㊂按照LncRNA的长度,可以将Ln-cRNA分为小型LncRNA(200~950nt)㊁中型Ln-cRNA(950~4800nt)㊁大型LncRNA(4800nt以上)㊂在人类(Homo sapiens)中,大多数LncRNAs是小型LncRNA(58%),而在小鼠(Mus musculus)中大多数LncRNAs是中型LncRNA(78%)[15]㊂按照LncRNA 在基因组中与蛋白质编码基因的相对位置(图1),可以将LncRNA分为:(1)正义LncRNA,即LncRNA是在蛋白质编码基因的正义链转录形成;(2)反义Ln-cRNA,即LncRNA是在蛋白质编码基因的反义链转录形成;(3)基因间LncRNA,是指LncRNA是在基因之间的区域转录形成;(4)双向LncRNA,是指位于基因启动子区域附近但转录方向相反的LncRNA;
(5)内含子LncRNA,由基因的内含子区域转录而成的LncRNA㊂目前的研究主要集中在基因间Ln-
cRNA和反义LncRNA上㊂此外,按照LncRNA的作用机制,可以将LncRNA分为4类:信号分子(Sig-
nal)㊁诱饵分子(Decoy)㊁引导分子(Guide)和支架分子(Scaffold)[16]㊂信号分子是指生物在受到刺激后,一些特异性LncRNA被转录出来,并可以作为信号传
导分子参与特殊信号的传导㊂Zhang等[17]用Toll样
受体刺激人类巨噬细胞后,鉴别出了229对顺式
LncRNA-蛋白质编码基因对㊂诱饵分子是指Ln-cRNA能够与蛋白质/DNA/RNA结合,从而阻断了该分子的作用和信号通路,如LncRNA MxA能够与干扰素基因IFN-β启动子结合从而抑制IFN-β的转录[18]㊂引导分子是指LncRNA与蛋白质(通常是转录因子)结合后可将蛋白复合物定位到特定的DNA 序列上,从而调控下游分子的转录㊂比如,LncRNA DANCR可以通过引导亮氨酸的五肽重复序列到白细胞介素11(IL11)㊁细胞周期蛋白D1(CCND1)㊁尿激酶型纤维蛋白溶酶原激活因子(PLAU)的mRNA 上,从而促进它们的表达[19]㊂支架分子是指Ln-cRNA可作为一个 中心平台 ,能够与多种蛋白质结合形成核糖核蛋白复合物,当多条信号通路被激活后,LncRNA可以实现不同信号通路交汇与整合㊂比如,LncRNA GClnc1可以作为一个支架结合组蛋白甲基转移酶复合物的关键组成部分(WDR5)和组蛋白乙酰转移酶(KAT2A)从而对超氧化物歧化酶2 (SOD2)等靶标进行修饰[20]㊂
2㊀LncRNA的生物学功能(The biological func-tions of LncRNAs)
LncRNA之前一直被认为不具备功能调控作用㊂随着研究LncRNA的方法逐渐增多,从最初的基因印记到后续的微阵列㊁转录组测序和RNA结合蛋白免疫沉淀等[21],使得对LncRNA功能的研究愈加深入㊂LncRNA不仅可以调控相同染色体上的邻近基因,还能与其他染色体上的多个结合位点相互作用[22]㊂总的来说,LncRNA能够在转录㊁转录后
第1期
胡成章等:长链非编码RNA 响应环境污染物胁迫研究进展41
㊀
图1㊀5类LncRNA
注:LncRNA 表示长链非编码RNA ;箭头代表基因转录方向㊂
Fig.1㊀Five types of LncRNA
Note:LncRNA stands for long non -coding RNA;the arrow represents the direction of gene transcription.
及表观遗传水平发挥生物学作用㊂在转录水平上,LncRNA 可通过与转录因子㊁DNA 或RNA 聚合酶发生作用从而调控基因的转录过程[23]㊂比如由酿酒
酵母半乳糖基因gal 转录成的LncRNA 在gal 启动子上形成LncRNA -DNA 复合物,诱导gal 的表达[24];LncRNA HITT 通过引导甲基转移酶Ezh2与下游缺氧诱导因子基因HIF -1α启动子形成RNA -DNA 三聚体,从而抑制下游启动子的转录[25]㊂Ln -cRNA 在转录后水平的调控主要是指LncRNA 可调控转录后mRNA 各方面的功能包括对mRNA 的加工和剪接㊁转运㊁翻译和降解等[26]㊂比如来自成纤维细胞生长因子受体2基因(FGFR2)的反义Ln -cRNA 可以促进FGFR2选择性剪接从而影响其表达[27]㊂LncRNA 在表观遗传上的调控的表现形式主要是DNA 甲基化㊁组蛋白修饰,染色质重塑修饰等[28]㊂如LncRNA XIST 通过募集DNA 甲基转移酶加速金属蛋白酶-3基因(TIMP -3)启动子的甲基化,从而提高软骨细胞中的胶原蛋白降解[29];LncRNA HOTAIR 可以结合至少2个组蛋白修饰复合体,使组蛋白H3K4去甲基化,进而调控目标基因的表达[30]㊂
越来越多的证据表明,LncRNA 在转录后水平
上能够通过竞争性内源RNA 机制(competing en -dogenous RNAs,CeRNA)实现对基因的调控㊂CeR -NA 机制最早由Salmena 等[31]提出,认为mRNA ㊁Ln -cRNA 可以通过一些应答因子即MicroRNA (miR -NA)实现它们之间的 交流 ㊂miRNA 是指长度只有19~25个核苷酸的非编码RNA 分子,它们可以与靶基因的3 非翻译区结合从而抑制靶基因的翻译或降解靶基因㊂因而CeRNA 机制(图2)就是指对于同一个miRNA ,LncRNA 能够和mRNA 形成竞争关系,通过竞争性结合miRNA 从而达到保护mR -NA 表达的作用㊂目前CeRNA 机制在哺乳动物比如人㊁小鼠中已经得到了广泛的研究㊂如在人体精原细胞中LncRNA CASC7能够与泛素蛋白连接酶基因CBL 竞争性结合miRNA -122-5p ,从而影响
CBL 的表达量以此调控精原干细胞的增殖过程[32];在小鼠中LncRNA NEAT1通过miRNA -148a -3p 靶向磷酸酶基因Pten 在M2巨噬细胞极化过程中起重要作用[33]㊂
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卷
图2㊀竞争性内源RNA机制
注:(a)miRNA影响靶基因的表达;(b)LncRNA充当miRNA分子海绵使
靶基因正常表达;miRNA为微小RNA;CeRNA为竞争性内源RNA㊂
Fig.2㊀Mechanisms of competing endogenous RNA
Note:(a)miRNA represses the expression of target gene;(b)LncRNA acts as a molecular sponge regulating miRNA to enable normal expression of target gene;miRNA stands for microRNA;CeRNA stands for competing endogenous RNAs.
3㊀环境污染物作用下LncRNA的应答研究(Re-sponse of LncRNAs to environmental pollutants)
大量LncRNAs的发现,有力地证明了LncRNA 结构与功能的多样性与复杂性㊂目前LncRNA的研究主要集中在遗传学上,在毒理学方面的研究还比较少,同时也缺乏相关毒理学的LncRNA数据库㊂尽管如此,根据LncRNA在环境污染物毒理学方面近10年发表的文献数量,发现LncRNA在毒理学方面的研究也越来越广泛㊂环境污染物如多环芳烃㊁多氯联苯㊁多溴联苯醚㊁苯㊁双酚类化合物㊁全氟和多氟烷醚类化合物㊁药品及个人护理品㊁农药㊁重
金属㊁纳米材料以及PM
2.5
等,都会引起机体内Ln-cRNA产生应答㊂3.1㊀多环芳烃胁迫下LncRNA的应答
多环芳烃是一类广受关注的持久性环境污染物,在环境中无处不在,具有 三致 效应㊂Gao 等[34]采集了150名焦炉工人与60名非多环芳烃暴露工人的外周血淋巴细胞进行了相关LncRNAs (HOTAIR㊁MALAT1㊁TUG1和GAS5)表达量分析,这些LncRNAs均有被报道与DNA损伤及癌症相关㊂实验发现焦炉工人外周血淋巴细胞中的Ln-cRNA HOTAIR㊁LncRNA MALAT1表达增强且DNA损伤程度与其表达量呈显著正相关,由此表明这2个LncRNAs可能参与了多环芳烃引起的DNA 损伤反应㊂Yu等[35]进一步利用LncRNA芯片技术检测了焦炉工人和正常工人的差异表达的LncR-
第1期胡成章等:长链非编码RNA响应环境污染物胁迫研究进展43
㊀
NAs,发现与对照组相比,焦炉工人有1234个Ln-cRNAs下调,805个LncRNAs上调㊂其中一个Ln-cRNA NR_024564与尿液中的2-羟基菲㊁1-羟基芘以及总多环芳烃代谢物水平呈负相关,表明其可能参与了多环芳烃的毒性效应㊂Gao等[36]研究了苯并a芘暴露下人支气管上皮细胞系(BEAS-2B)中Ln-cRNAs的诱导情况,发现LncRNA-DQ786227在细胞内高表达且显著性促进了该细胞在体外形成集落和在裸鼠体内形成肿瘤的能力,表明其可能是一个潜在的癌症标志物㊂
3.2㊀多氯联苯和多溴二苯醚胁迫下LncRNA的应答
多氯联苯是一类工业化合物,曾被广泛应用于电容器和变压器的绝缘油㊁液压油㊁导热油以及液体绝缘电缆㊂多氯联苯可以通过人类活动释放到环境中,由于理化性质稳定,不易降解,导致其能在环境中持续存在㊂同时,共面的多氯联苯是一种强烈的致癌物质,能够对人类健康造成威胁㊂Chen等[37]探究了LncRNA参与2,3,3 ,4,4 ,5-六氯联苯(PCB156)引起的肝损伤效应,发现暴露于3.4μmol㊃L-1 PCB15672h后,人体肝细胞系(L-02)有222个差异表达的mRNAs和628个差异表达的LncRNAs;进一步通过验证发现3个差异显著表达的LncRNAs (LncRNA NON-HSAT174696㊁LncRNA NONH-SAT179219和LncRNA NONHSAT161887)能够作为外胚层发育异常蛋白受体基因EDAR㊁细胞色素基因CYP1B1和乙醛脱氢酶基因ALDH3A1的调节因子从而在PCB156诱导的肝毒性效应发挥重要作用㊂与多氯联苯类似,多溴联苯醚的暴露同样对肝中的LncRNA表达产生了影响㊂Zhang等[38]将人体肝细胞系(HepaRG)暴露于25μmol㊃L-1的四溴二苯醚(BDE-47)和五溴二苯醚(BDE-99)24h后发现,总共有1104个LncRNAs受到BDE-47的特异性调节,560个LncRNAs受到BDE-99的特异性调节㊂进一步发现多溴联苯醚可以通过孕烷X受体(PXR)/组成型雄甾烷受体(CAR)配体的方式来影响Ln-cRNA表达和LncRNA-蛋白质编码基因间的相互作用㊂Garcia等[39]发现,在暴露于2,3,7,8-四氯二苯并二噁英(TCDD)的斑马鱼(Danio rerio)胚胎中,Ln-cRNA slincR表达量增加,其能抑制转录因子sox9b 的表达,从而减轻TCDD的毒性效应㊂
3.3㊀苯㊁双酚类化合物胁迫下LncRNA的应答
苯是一种重要的工业原料和有机溶剂,长期接触苯可能会造成血液系统损害甚至导致白血病㊂为探究苯暴露过程中诱导血液毒性的潜在LncRNAs, Tian等[40]采用微阵列技术分析了慢性苯暴露组㊁白血病组以及正常组差异表达的LncRNAs,发现了173个上调和258个下调的LncRNAs,其中Ln-cRNA CUST_40243可能与慢性苯中毒有关㊂与之类似的,Bai等[41]通过微阵列技术鉴定出2个LncR-NAs(NR_045623和NR_028291)可能是与苯血液毒性相关的关键LncRNAs㊂Guo等[42]进一步探究了LncRNA在苯诱导血液毒性效应的潜在机制,通过体内和体外实验发现,LncRNA-OBFC2A能够通过调节细胞周期参与苯毒性,其中该LncRNA主要是通过靶向信号传导蛋白SMAD3进而调节细胞周期蛋白D1的表达,抑制G1/S细胞周期进程,从而引发细胞毒性㊂
双酚A(bisphenol-A,BPA)是一种典型的内分泌干扰物,能够与雌激素受体㊁雄激素受体和甲状腺激素受体相互作用,从而对机体的生殖系统㊁神经系统㊁代谢功能㊁免疫功能以及后代的生长发育造成危害㊂Bhan等[43]发现在人乳腺癌细胞系(MCF7)中, BPA能够通过驱使LncRNA HOTAIR启动子活化,从而导致LncRNA的异常表达㊂Pang等[44]将大鼠(Rattus norvegicus)神经细胞系(PC
12
)暴露于40μmol ㊃L-1的BPA48h后发现,有151个LncRNAs和794个mRNAs出现了差异表达,其中LncRNA GAS5可能是通过影响一些差异表达基因来间接调节Jun㊁RAS和其他通路从而参与BPA诱导的神经毒性㊂LncRNA不仅参与BPA诱导的神经毒性,在BPA诱导的免疫毒性效应中也有一定的调控作用㊂Liu 等[45]探究了BPA鱼类免疫毒性中的特异性LncR-NAs,将鲤鱼(Cyprinus carpio)原代巨噬细胞暴露于1 mg㊃L-1的BPA6h后,有2095和1138个差异表达的mRNAs和LncRNAs,这些差异表达mRNAs主要都富集到了一些免疫相关的通路上(比如NFκB㊁Jak-STAT和Hippo通路);进一步筛选构建了Ln-cRNA-mRNA调控网络,发现一个差异表达的Ln-cRNA能调控多个差异表达基因,同时一个差异表达的mRNA也可能受到多个上游LncRNA的调节㊂表明,LncRNA可能在BPA引起的有害免疫反应中发挥着潜在作用㊂
3.4㊀全氟和多氟烷醚类化合物的胁迫下LncRNA 的应答
全氟和多氟烷醚类化合物是分子中全部或部分C H被C F取代的一类人工合成有机物,被广泛
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应用于各种工业生产中㊂这类化合物在环境中极难被降解,具有生物蓄积性及多种潜在毒性[46]㊂Li 等[47]发现暴露于全氟辛烷磺酸可导致小鼠胎盘组织中LncRNA H19启动子低甲基化;同时miR-19a和miR-19b表达量下降,Smad3表达量上升㊂验证发现,H19能通过竞争性海绵吸附miR-19a和miR-19b来调节Smad3的表达,从而在全氟辛烷磺酸诱导的细胞毒性中起重要作用㊂杨雪等[48]以乳腺癌细胞系(MCF-7)为离体模型,以斑马鱼胚胎为活体模型,探究全氟辛基碘烷的毒性效应以及对LncRNA malat-1的调节作用㊂结果表明,全氟辛基碘烷暴露导致MCF-7细胞的迁移能力提高,并且使斑马鱼胚胎发育迟缓㊁胚胎孵化率下降;同时malat-1被诱导高表达㊂表明malat-1参与了全氟辛基碘烷诱导癌细胞迁移和自发运动过度活跃等毒性效应的调节作用㊂
3.5㊀药品及个人护理品胁迫下LncRNA的应答
药物及个人护理品是一类与人类密切相关的新污染物,其主要包括人类用药㊁兽药㊁化学消费品及其生产和加工过程中使用的添加剂和惰性成分等,比如各种处方药和非处方药(抗生素㊁抗抑郁药等)㊁香料㊁化妆品㊁染发剂㊁洗发水和香皂等[49]㊂Wang 等[50]将斑马鱼胚胎暴露于不同浓度(0㊁6.25和12.5 mg㊃L-1)的β-二酮类抗生素中30d,鉴定和筛选出了10个特异性LncRNAs,进一步通过原位杂交实验发现其中3个LncRNAs在肝㊁脾组织中异常表达,推测这些LncRNAs可能是β-二酮类抗生素的靶分子㊂Cai等[51]用500μg㊃g-1的米非司酮胁迫尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus),在鱼的性腺组织中共筛选出了962个差异表达的LncRNAs,其中3个LncRNAs 在早期性分化过程中表现出二态性,表明LncRNA 可能参与米非司酮的内分泌生殖干扰效应㊂张丹燕[52]将斑马鱼胚胎暴露于7种不同浓度的邻苯二甲酸二酯中发现,一些神经发育相关基因(mbp㊁neu-roD㊁asclla㊁alpha㊁tubulin和neurog)表达量发生改变;随着处理浓度的升高,LncRNA cyrano的表达显著上调,miR-7的表达显著下调,预测cyrano可能通过调节miR-7从而参与斑马鱼胚胎的神经发育过程㊂Li等[53]用5nmol㊃L-1和10nmol㊃L-1乙酰氨基酚处理人体HepG2肝细胞16h,发现了一个肝毒性特异性LncRNA-LINC00844,其与细胞色素酶CYP3A41及CYP2E1㊁磺基转移酶SULT2A1㊁孕烷X受体PXR和肝细胞核因子HNFα的mRNA表达水平呈正相关;进一步发现该LncRNA可以通过CeRNA机制,通过结合hsa-miR-486-5p,保护SULT2A1免受miRNA介导的基因沉默,从而在乙酰氨基酚诱导的肝毒性效应中发挥调控作用㊂
3.6㊀农药胁迫下LncRNA的应答
农药是一类有利于农业生产的化学制剂,如今已经有650余种商业化农药,按照其化学性质可以分为有机氯类农药㊁有机磷类农药㊁氨基甲酸酯类农药和拟除虫菊酯类农药等[54]㊂当生物摄入一些农药残留物的食物和水,可能会引发毒性效应㊂Sai等[55]发现暴露于100μg㊃L-1阿特拉津180d,引起爪蟾(Xenopus laevis)性腺86个LncRNAs发生变化㊂乔嘉凯等[56]将斑马鱼暴露于亚致死浓度的三唑磷96 h,发现LncRNA Sox2OT和LncRNA H19出现了差异表达;与此同时,可能与LncRNA H19相互作用的miRNA dre-let-7c表达下调了78%,而miRNA的靶基因核仁RNA结合蛋白基因ddx18的表达则上调了2.11倍;据此推测,在三唑磷的作用下,Ln-cRNA H19可能作为靶基因ddx18的竞争性内源RNA而与dre-let-7c发生相互作用,从而调控靶基因ddx18的表达,进而参与三唑磷引发的毒性效应㊂Li 等[57]对毒死蜱暴露的小鼠胚胎肾脏进行了转录组测序,发现了3个显著下调的LncRNAs(Gm28760㊁Gm28139和Gm26717),预测这些LncRNAs很有可能是通过调控胰蛋白酶基因Prss1㊁Prss2和Prss3来阻碍肾脏的发育㊂Wang等[58]探讨了百草枯影响小鼠神经退化过程中相关的LncRNAs,利用基因芯片技术筛选鉴定出了6个潜在的LncRNAs调节因子㊂其中,LncRNA NR_027648和LncRNA NR_030777可能分别通过影响锌指蛋白基因Zc3h14㊁细胞色素酶基因Cybb或锌指蛋白基因Zfp326和Ca2+依赖性磷脂结合蛋白基因Cpne5的表达,进而在百草枯诱导的神经毒性机制中发挥作用㊂Zhang等[59]采用腹腔注射5mg㊃kg-1和10mg㊃kg-1的百草枯方式构建了小鼠模型,发现百草枯很有可能是通过诱导Ln-cRNA AK039862的低表达,从而阻断了小胶质细胞的增殖和迁移㊂作为一类广谱型拟除虫菊酯类杀虫剂,氯氰菊酯在农业生产中应用广泛㊂Liu等[60]将大鼠睾丸间质细胞暴露于50μmol㊃L-1的氯氰菊酯8h后发现,LncRNA XIST表达受到抑制,而miR-142-5p的表达量上升;进一步证实LncRNA XIST 能与miR-142-5p竞争性结合酪氨酸激酶基因Jak1,从而影响JAK/STAT通路,抑制睾酮生成㊂
第1期胡成章等:长链非编码RNA响应环境污染物胁迫研究进展45
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3.7㊀重金属胁迫下LncRNA的应答
3.7.1㊀汞㊁铅胁迫下LncRNA的应答
为探索斑马鱼胚胎中新的特异性汞神经毒性生物标志物,Cao等[61]筛选了几个研究较成熟的Ln-cRNAs(birc6-as2㊁mettl3㊁malat1㊁stedlb1a和oip5-as)作为参照对象㊂其将斑马鱼胚胎暴露于氯化汞㊁甲基汞㊁氯化铅㊁氯化镉和铬酸溶液中,发现只有Ln-cRNA malat1在氯化汞㊁甲基汞暴露中出现了差异表达;同时,汞暴露组斑马鱼胚胎显示出了明显的神经行为障碍,表明其可能是汞特异性诱导的Ln-cRNA并参与了汞的神经毒性效应㊂
低剂量和长期暴露于铅会导致生殖系统的损伤㊂Ma等[62]分析了暴露于200mg㊃L-1醋酸铅90d 的雄性小鼠性腺中转录组情况,发现有288个上调的LncRNAs和326个下调的LncRNAs;通过Ln-cRNA-mRNA共表达网络分析发现,LncRNA Gm16677可能通过调节钙离子通道蛋白基因Cac-na2d1,抑制小鼠性腺的发育㊂
3.7.2㊀镉胁迫下LncRNA的应答
长期暴露于镉也会导致生殖毒性㊂Gao等[63]发现氯化镉暴露会导致小鼠性腺精子生产和运动减少,并且伴随有139个LncRNAs表达量上调以及174个LncRNAs表达量下调;差异表达LncRNAs 的靶基因,其功能与精子发生的过程密切相关,表明这些LncRNAs很有可能参与了镉的生殖毒性效应㊂Zhou等[64]利用小鼠(体内模型)和16HBE细胞(体外模型)证实了一个LncRNA-enst0000446135在氯化镉暴露过程中呈现浓度依赖效应,敲除该LncRNA 会引起一些DNA修复基因(MSH2S㊁DDB1㊁DDB2㊁OGG1㊁ERCC1㊁MSH2㊁RAD50㊁XRCC1和BARD1)表达量升高和DNA损伤相关基因(ATM㊁ATR和A-TRIP)的表达量下降;双荧光素酶实验证实MSH2是该LncRNA作用的直接转录靶点,由此表明该LncRNA参与了DNA的损伤与修复过程且可以作为镉毒性效应的一个新的标志物㊂Lin等[65]将人支气管上皮细胞(BEAS-2B)暴露于2.5μmol㊃L-1的氯化镉9个月,发现LncRNA DUXAP10表达量上调,预测其可能是通过影响Hedgehog信号转导通路参与致癌过程㊂
3.7.3㊀砷胁迫下LncRNA的应答
砷是一种具有复杂毒性的重金属,长期摄入过量的砷会诱发癌症[66]㊂Luo等[67]发现在2μmol㊃L-1亚砷酸盐诱导的人肝上皮细胞(L-02)致癌过程中,LncRNA MALAT1可以和缺氧诱导因子2(HIF-2)形成反馈环,加剧砷诱导的恶性转化过程㊂Li等[68]用不同浓度亚砷酸盐刺激人支气管上皮细胞(HBE),发现LncRNA linc-ROR表达呈现剂量性效应;同时细胞内活性氧和DNA损伤增加,表明其可能是一个亚砷酸盐诱导的特异性LncRNA㊂LncRNA不仅参与砷的毒性效应,也能够作为细胞抗氧化系统的一部分协调信号通路,以应对砷暴露的胁迫㊂Dong 等[69]发现用10μmol㊃L-1砷处理人肝癌细胞(HepG2),LncRNA UCA1可以促进甲基转移酶EZH2的泛素化从而上调活化T细胞核因子2 (NFATC2),拮抗As诱导的细胞周期阻滞和细胞毒性㊂Jiang等[70]发现LncRNA DICER1-AS1可以抑制砷诱导的细胞增殖过程㊂以上研究结果说明Ln-cRNA参与的毒性效应具有双重性,既可以参与到毒性效应中,也可以作为信号分子抑制毒性效应㊂
3.8㊀纳米材料胁迫下LncRNA的应答
纳米材料具有独特的物理化学性质和良好的生物相容性,因此被广泛应用在电子㊁农业㊁纺织㊁包装㊁食品和生物医学等各个领域,而这不可避免地将一些纳米材料带入环境中,并可能通过接触㊁吸入等方式使生物体暴露在这些污染物中,从而对机体的健康产生危害㊂有研究指出,纳米材料能够诱导细胞内活性氧的产生,造成DNA损伤㊁溶酶体损伤㊁线粒体功能障碍以及最终通过凋亡或坏死导致细胞死亡[71]㊂于峰等[72]以10mg㊃L-1纳米氧化钕处理16HBE细胞48h,发现925个LncRNAs表达发生改变,预测其中异常表达的LncRNA LOC105373796可能参与了细胞毒性效应㊂高晓洁[73]以大鼠为实验对象,探究了LncRNA在纳米镍诱导大鼠细胞凋亡中的作用机制,发现纳米镍诱导细胞发生凋亡的过程中LncRNA LOC102551356表达水平上调,其能通过靶向调控P53信号通路中的胰岛素样生长因子结合蛋白基因Igfbp-3,诱发线粒体凋亡通路,从而影响凋亡的发生㊂占海兵[74]探讨了LncRNA在纳米镍致肺纤维化中的作用及其分子机制,发现100 mg㊃L-1纳米镍处理的A549细胞中LncRNA MEG3表达量发生下调,该过程促进了TGF-β1蛋白的高表达,从而激活PI3K/AKT信号通路,导致了肺纤维化㊂施立芳[75]以秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)为受试生物模型,筛选出了氧化石墨烯(100μg㊃L-1)暴露后的4个显著差异表达的LncRNAs(linc-37㊁linc-
5㊁linc-103和XLOC
10849),利用RNAi技术干扰
46㊀生态毒理学报第18卷
linc-37和linc-5的表达后,机体对氧化石墨烯毒性效应表现出抗性,表明linc-37和linc-5可能以负调控的方式调控氧化石墨烯的毒性效应㊂
3.9㊀PM2.5胁迫下LncRNA的应答
大气污染中直径ɤ2.5μm的细颗粒物(particu-
late matter2.5,PM
2.5
)具有粒径小,表面积大,吸附能力强,易于吸附重金属㊁有机物等物质的特点,是困扰人们健康的主要问题之一㊂Huang等[76]探讨了
LncRNA在PM
2.5
毒性效应的潜在作用,发现在
PM
2.5
暴露条件下人支气管上皮细胞系中的Ln-cRNA N405968和LncRNA MALAT1表达显著上调,且分别与炎症因子基因IL6㊁IL8表达水平以及上皮-间质转化过程成正相关,预测这2个LncRNAs
可能通过调节炎症和上皮-间质转化过程参与PM
2.5的毒理学过程㊂Guo等[77]发现一个新的LncRNA-
LOC107985872,在PM
2.5
刺激的肺癌细胞系中表达量上调,预测该LncRNA可能通过激活上游蛋白如金属蛋白酶ADAM17㊁早老素蛋白PSEN1和跨膜蛋白DLL1,从而激活Notch信号通路诱导肺癌的发生㊂4㊀总结与展望(Conclusion and prospective)综上,大多数环境污染物的暴露都会引起生物体内LncRNA的表达发生变化,其中显著性差异表达的LncRNA可以作为环境毒性效应的潜在标志物㊂在暴露过程中,多数LncRNA主要作为基因表达调控因子发挥调控作用,其能通过CeRNA机制等作用影响mRNA的表达,从而发挥毒性效应㊂另外LncRNA不仅能够参与环境化学物质暴露引起的毒性效应,其本身也能够作为 抵抗分子 减轻相关的毒性效应,表明LncRNA有一定的抗逆性机制调控,在以后研究中需要更加深入探究LncRNA的抗逆性机制㊂LncRNA在毒理学领域中发挥的作用正在被揭示,然而目前人们对LncRNA的认知也还不完全清晰,还有许多问题亟需解答和完善㊂目前存在的问题主要有:(1)关于LncRNA在环境污染物中的研究大多只是初步筛选出差异表达LncRNAs,而针对这些筛选出的LncRNAs,则需要深入探究其作用机制;(2)虽然有一些LncRNAs能够作为潜在生物标志物,但是目前并没有建立将LncRNA识别为特异性和早期生物标志物的方法,需要建立一种快速㊁高效和灵敏度高的高通量方法,将LncRNA 识别作为早期特异性生物标志物较好的方法,以准确预测毒性作用和人类疾病;(3)在LncRNA毒性效应机制探究中,大多数的研究可能只关注到其与下游分子信号通路或靶基因的关系,对于污染物致使LncRNA产生差异表达的原因探究还较少,需要进一步探究;(4)随着高通量测序技术的不断发展,越来越多物种的LncRNAs被陆续发现,但对数量如此庞大的LncRNAs进行准确分类以及具体功能的研究尚未得到完美解决㊂尽管目前已有一些人类㊁小鼠LncRNA的数据库,但较少涉及其他物种(比如秀线丽虫㊁鸟类和鱼类等),目前也没有毒理学方面的数据库,未来亟待建立全面地包含各个物种以及毒理学导向的LncRNA特征的功能数据库,从而为环境污染物的风险评估以及决策提供数据支持㊂总而言之,目前关于LncRNA毒理学方面的研究仍在起步阶段,需要不断挖掘与毒理学相关的LncRNAs,深入阐述其具体的分子作用机制㊂
通信作者简介:杨明(1979 ),女,博士,研究员,主要研究方向为水生生态与毒理㊂
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