LincRNA-p21在癌症机制中的研究进展
赵素月1,朱克祥1,2,李文军1,李汛1,2
作者单位：1.730000 兰州，兰州大学第一临床医学院；2.730000 兰州，兰州大学第一医院普外科
基金项目：国家自然科学基金（81960516）;甘肃省高等学校科研项目（2018B-010）
2020,47（10）:802-806. DOI:10.3971/j.issn.1000-8578.2020.20.0064
【摘要】长链非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA，通过多种机制参与不同的生物学行为。lincRNA-p21是一种抑癌基因，并与p53密切相关。lincRNA-p21通过MDM2、ING1b和p21等多个靶标调节p53参与细胞周期、增殖、凋亡的调控，并通过HIF-1&α;协调Warburg效应参与细胞代谢等多种生物学作用。lincRNA-p21与肿瘤的预后和治疗密切相关。因此lincRNA-p21可作为癌症的诊断和预后的生物标志物。本文就lincRNA-p21生物学功能与在疾病中的作用机制作一简要综述。
【关键词】lincRNA-p21；p53；癌症
0 引言
非编码RNA（noncoding RNA, ncRNA）是指不编码蛋白质的RNA，包括snRNA、lncRNA、microRNA、circRNA等。由于基因芯片和高通量测序技术的快速发展，大量具有生物学功能的lncRNA被人类发现并认识[1]。lncRNA是指长度大于200 nt的非编码RNA，作用包括：表观遗传调控、调节染色体结构、控制转录、调节mRNA的稳定性、翻译和翻译后的修饰等[2]。
1 lincRNA-p21简介
lincRNA-p21最初在小鼠实验中发现并报道，位于第17号染色体上，细胞周期调节基因cdkn1a（也称p21）的上游约15 kb处[3]。在DNA损伤等应激条件下，p53激活小鼠lincRNA-p21（mlincRNA-p21）的转录，mlincRNA-p21聚集在细胞核内，并与核不均核糖核蛋白K（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein K, hnRNPK）结合，抑制特定靶基因的转录。lincRNA-p21也存在于人类基因中（hlincRNA-p21，全称tp53cor1），位于第6号染色体，作为p53的靶基因，主要参与p53调控。然而，与mlincRNA-p21不同的是，hlincRNA-p21可被转移至细胞质，并在细胞质中通过激活RISC复合体并抑制特定靶基因的翻译。测序发现hlincRNA-p21只含有单一的外显子，并由两种异构体组成。这两种异构体包含反向重复Alu元件（IRAlus）。lincRNA-p21中IRAlus相互折叠形成二级结构，IRAlus仅存在于灵长类动物的lincRNA-p21序列中，参与lincRNA-p21在细胞核内的定位[3]。
2 lincRNA-p21的作用机制
p53是癌症中著名的抑癌基因，当细胞暴露在DNA损伤、端粒侵蚀或缺氧等应激信号中时，就会触发细胞应激反应，导致细胞周期停滞、凋亡和衰老。细胞应激反应的一个关键调节因子是p53。研究表明lincRNA-p21是p53的直接靶点，在基因转录中起抑制作用，通过增强细胞核内p53活性促进细胞凋亡。MDM2、ING1b和p21都是作用于p53的靶标，并与lincRNA-p21相关。
2.1 MDM2与lincRNA-p21
MDM2是一种E3泛素蛋白连接酶，通过泛素蛋白酶体途径降解p53[4]。P300是一种乙酰基转移酶，它使p53乙酰化，从而增强p53活性。P300和MDM2通过复杂网络调控p53。MDM2还阻断P300与p53的相互作用，从而抑制p53乙酰化，降低其活性[5]。lincRNA-p21可与MDM2结合，减少p53-MDM2的相互作用，增加p53-P300的相互作用，增加p53的转录。lincRNA-p21通过p53、P300和MDM2相互作用的反馈机制调节p53的活性。
2.2 ING1b与lincRNA-p21
ING1b是一种肿瘤抑制因子，可影响基因转录、细胞周期和细胞凋亡，其活性与p53密切相关。研究表明ING1b可减弱p53和MDM2之间相互作用，ING1b和MDM2竞争性的与p53结合调节p53的稳定性和活性。DNA损伤后或ING1b过表达可显著诱导lincRNA-p21转录。lincRNA-p21作用于ING1b的下游基因，ING1b通过与其启动子结合上调lincRNA-p21水平。在缺少lincRNA-p21的情况下，ING1b引起细胞凋亡的能力也受到抑制。在DNA损伤应激中，lincRNA-p21的表达在ING1b诱导的细胞凋亡中起着至关重要的作用，并且这种效应被p53显著增强[6]。因此，lincRNA-p21是ING1b和p53信号通路的交点，诱导细胞凋亡。
2.3 p21与lincRNA-p21
细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21位于lincRNA-p21上游。p21是p53转录调控的直接靶点，并控制细胞周期从G1期向S期的转变。p53和p21结合MDM2和底物Slug，形成p53/p21/MDM2/Slug复合物，促进降解。由于Slug增强了癌细胞的侵袭能力，其降解有助于p53/p21的抗侵袭作用[7]。lincRNA-p21将hnRNP-K招募到p21启动子上，启动p21转录。因此lincRNA-p21与hnRNP-K共同作为p21的转录激活因子。
2.4 lincRNA-p21与Warburg效应
大量研究表明肿瘤细胞的新陈代谢与正常细胞的新陈代谢不同。即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞优先进行糖酵解获取能量，称为Warburg效应[8]。Warburg效应不仅可以满足肿瘤细胞需求，并为肿瘤生长提供优势。缺氧反应的一个关键介质是缺氧诱导因子-1（Hypoxia inducible factor-1, HIF-1）。HIF-1是一种&α;/&β;异源二聚体转录因子。在常氧条件下，HIF-1被脯氨酸羟化酶（PHD）羟化，羟基化的HIF-1被VHL蛋白识别，VHL蛋白起泛素E3连接酶的作用，降解HIF-1[9]。但在低氧条件下，PHD活性受到抑制。HIF-1通过与启动子中的缺氧反应元件（HRE）结合，上调糖酵解和下调氧化磷酸化，HIF-1通过以上途径协调Warburg效应。lincRNA-p21是HIF-1&α;的直接转录靶标，缺氧条件下，lincRNA-p21和HIF-1&α;可竞争性地结合VHL减少HIF-1&α;降解，lincRNA-p21诱导HIF-1&α;的表达，从而形成一个正反馈回路加强Warburg效应[10]。
2.5 lincRNA-p21其他方面作用机制
HuR是一种普遍存在的RNA结合蛋白，可影响细胞存活、增殖，并产生致癌作用[11]。在正常细胞中，lincRNA-p21通过与HuR/ELAV1的相互作用而保持较低水平状态。HuR与Ago2蛋白和Let-7形成复合物协同作用来破坏lincRNA-p21的稳定性，降低lincRNA-p21相关mRNA的翻译[12]。在体细胞重编程中，lincRNA-p21与hnRNPK结合，通过多功能基因启动子维持H3K9me3和CpG甲基化来阻止重新编程。在研究骨髓间充质干细胞方面，lincRNA-p21通过Wnt/&β;-catenin信号通路调节氧化应激，使衰老的骨髓间充质干细胞恢复活力[13]。lincRNA-p21还可通过调节Wnt/&β;-catenin信号通路减轻氧化应激，有效地保护心肌免受阿霉素（Dox）的心脏毒性作用[14]。lincRNA-p21通过与靶标的mRNA结合来抑制翻译，其中一个靶标是JunB，JunB具有促进细胞周期进展和肿瘤进展。因此，lincRNA-p21通过多种机制调节细胞增殖、细胞周期、凋亡、代谢、体细胞重编程等多种生物学行为，见图 1。
 |
| 图 1 lincRNA-21机制示意图 Figure 1 Mechanism of lincRNA-21 |
|
3 lincRNA-p21与疾病之间的关系
lincRNA-p21与人类疾病的发展密切相关，特别是在肿瘤的进展与治疗方面。lincRNA-p21在绝大多数肿瘤组织和细胞中表达下调，包括结肠癌、胃癌、肝癌、前列腺癌等。
3.1 lincRNA-p21与消化系统
3.1.1 lincRNA-p21与肝癌
肝纤维化的最终结局是导致肝硬化、肝癌，而肝星状细胞（HSC）是肝纤维化的关键细胞[15]。已证实，lincRNA-p21在肝纤维化和肝癌组织中表达均下调，低表达与疾病的预后密切相关[16]。lincRNA-p21通过上调p21抑制HSC的细胞周期和增殖，还通过miR-181b/PTEN和Wnt/&β;-catenin途径抑制HSC的活化，从而抑制肝纤维化[17]。在肝癌的相关研究中显示：（1）lincRNA-p21可诱导肝癌细胞凋亡，并通过Notch/EMT和miR-9/E-cadherin信号通路抑制肝癌细胞的侵袭和转移;（2）lincRNA-p21可通过靶向HIF-1&α;降低VEGF水平，从而抑制癌细胞增殖和侵袭能力[18];（3）lincRNA-p21促进内质网应激，而内质网应激是索拉非尼治疗肝癌的主要机制，因此lincRNA-p21有助于索拉非尼诱发内质网应激，加强药物疗效。综上所述，lincRNA-p21可作为肝细胞损伤的潜在标志物，以及肝癌预后因子和治疗靶点。
3.1.2 lincRNA-p21与结直肠癌
肿瘤干细胞在癌症的进展与治疗中起关键作用。在研究结直肠癌干细胞时发现，lincRNA-p21表达下调，敲除lincRNA-p21显著增加结直肠癌干细胞的致癌性。银杏叶提取物761（EGB761）是一种抗氧化剂，可降低结直肠癌细胞的侵袭性。EGB761通过上调lincRNA-p21并与EZH2结合抑制结直肠癌细胞的转移，lincRNA-p21还通过E-cadherin参与EGB761的抗癌作用[19]。Wnt/&β;-catenin信号通路是肿瘤进展过程中的重要信号通路。lincRNA-p21主要通过抑制&β;-catenin信号通路和上调noxa促凋亡基因增强结直肠癌对放疗的敏感度。
3.1.3 lincRNA-p21与胃癌、食管癌
胃癌组织中lincRNA-p21表达下调，敲除lincRNA-p21促进肿瘤细胞的浸润与迁移。YAP1/Hippo和p53是保护DNA完整性的关键因素。YAP1是Hippo信号通路的主要效应物，可调节肿瘤发生、细胞周期调控，信号转导和细胞骨架重塑等多种生理过程，lincRNA-p21可通过YAP1的上调来促进胃癌的发展[20]。lincRNA-p21过表达通过调节&β;-catenin信号通路抑制胃癌细胞增殖并增加胃癌细胞对放射治疗的敏感度[21]。这些数据表明lincRNA-p21在胃癌的发展中起着抑癌基因的作用。lincRNA-p21在食管癌中表达也显著降低，并起着抑癌作用[22]。lincRNA-p21可诱导p21的表达抑制食管癌细胞周期进程和增殖。
3.2 lincRNA-p21与呼吸系统
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是各种原因引起顽固性低氧血症为特征的临床综合征。ARDS常导致持续性的肺泡和间质纤维化。lincRNA-p21通过抑制Thy-1的表达而导致ARDS肺纤维化。lincRNA-p21在肺癌组织中表达下调。研究lincRNA-p21与128例非小细胞肺癌患者术后的预后关系发现，高表达lincRNA-p21的患者具有更长的生存期和较好的预后，并且lincRNA-p21是肺腺癌患者预后的孤立标志物[23]。
3.3 lincRNA-p21与泌尿系统
研究证实在膀胱癌和前列腺癌细胞中lincRNA-p21表达下调，lincRNA-p21表达下调与肿瘤的高分期和预后不良相关[24]。研究表明：（1）lincRNA-p21通过谷氨酰胺酶抑制谷氨酰胺分解代谢来抑制膀胱癌细胞生长;（2）lincRNA-p21在体外和体内均可抑制前列腺癌的生长。lincRNA-p21促进p53与其下游促凋亡基因的启动子结合，从而增加其表达并促进细胞凋亡;（3）lincRNA-p21通过下调PKM2抑制了前列腺癌细胞的增殖和致癌力[25]。血清前列腺特异性抗原（PSA）是前列腺癌的特异性标志物。使用lincRNA-p21与PSA联合检测前列腺癌患者敏感度和特异性分别为52%和94%。因此lincRNA-p21可作为前列腺癌的诊断、预后的标志物。
3.4 lincRNA-p21与循环系统
胸主动脉瘤（TAA）患者主动脉组织和血液lincRNA-p21的表达明显升高。lincRNA-p21通过激活TGF-&β;1信号通路来调节血管平滑肌细胞增殖和凋亡[26]。IgE激活lincRNAp21/p21途径诱导平滑肌细胞衰老，促进腹主动脉瘤的形成[27]。Wu等[28]研究lincRNA-p21与动脉粥样硬化机制时发现，在冠心病患者和小鼠的动脉粥样硬化斑块中，lincRNA-p21的表达下调。lincRNA-p21在体外抑制血管平滑肌细胞和小鼠单核巨噬细胞增殖。
3.5 lincRNA-p21与其他系统疾病
lincRNA-p21在头颈部鳞状细胞癌、神经胶质瘤、弥漫性大B细胞淋巴瘤和类风湿关节炎中表达下调，而在帕金森病患者中表达上调。在头颈部鳞状细胞癌中观察到了lincRNA-p21与STAT3结合抑制肿瘤进展[29]。促肾上腺皮质释放因子通过激活lincRNA-p21抑制神经胶质瘤细胞增殖和侵袭。miR-146b-5p通过HuR/lincRNA-p21/&β;-catenin信号通路促进神经胶质瘤细胞凋亡、细胞周期停滞以及增强放射治疗的敏感度[12, 30]。弥漫性大B细胞淋巴瘤患者表达高水平lincRNA-p21具有良好的预后。此外，lincRNA-p21能通过细胞周期调节蛋白D1、CDK4和p21的表达来抑制弥漫性大B细胞淋巴瘤细胞的生长周期。在治疗类风湿关节炎中，甲氨蝶呤（MTX）可以通过升高lincRNA-p21的表达来降低NF-KB的表达抑制炎性反应。研究认为lincRNA-p21通过激活&α;-Synuclein表达抑制帕金森氏病的细胞活力并促进细胞凋亡, lincRNA-p21可能成为帕金森病治疗的新靶点[31]，见表 1。
表 1 lincRNA-p21与疾病的关系
4 结论
lincRNA-p21通过MDM2、ING1b和p21等多个靶标调节p53参与调控细胞周期、增殖、凋亡等多种生物学行为。低氧条件下，lincRNA-p21通过HIF-1&α;协调Warburg效应参与细胞代谢促进癌症的发生，但是在常氧条件下不具备此种功能。因此下一步可继续探索lincRNA-p21在常氧和低氧条件下在肿瘤中的生物功能及机制。lincRNA-p21与各种疾病关系密切，尤其在肿瘤中，起到抑癌基因的作用，并与癌症的预后和治疗密切相关。lincRNA-p21可作为癌症的诊断、预后的生物标志物和治疗的靶标。虽然lincRNA-p21被证明在生理过程和疾病中是关键调节剂，但是lincRNA-p21的很多生物学功能仍未知。总之，lincRNA-p21在生物医学领域的作用是巨大的，需要更深入研究。
参考文献
（在框内滑动手指即可浏览）
[1] Sun Q, Hao Q, Prasanth KV. Nuclear long noncoding RNAs: key regulators of gene expression[J]. Trends Genet, 2018, 34（2）: 142-157. DOI:10.1016/j.tig.2017.11.005
[2] Boon RA, Jae N, Holdt L, et al. Long noncoding RNAs: from clinical genetics to therapeutic targets?[J]. J Am Coll Cardiol, 2016, 67（10）: 1214-1226. DOI:10.1016/j.jacc.2015.12.051
[3] Chillon I, Pyle AM. Inverted repeat Alu elements in the human lincRNA-p21 adopt a conserved secondary structure that regulates RNA function[J]. Nucleic Acids Res, 2016, 44（19）: 9462-9471.
[4] Feeley KP, Adams CM, Mitra R, et al. Mdm2 is required for survival and growth of p53-deficient cancer cells[J]. Cancer Res, 2017, 77（14）: 3823-3833. DOI:10.1158/0008-5472.CAN-17-0809
[5] Kannan S, Partridge AW, Lane DP, et al. The dual interactions of p53 with MDM2 and p300: implications for the design of MDM2 inhibitors[J]. Int J Mol Sci, 2019, 20（23）: 5996. DOI:10.3390/ijms20235996
[6] Chen S, Liang H, Yang H, et al. LincRNa-p21: function and mechanism in cancer[J]. Med Oncol, 2017, 34（5）: 98. DOI:10.1007/s12032-017-0959-5
[7] Kim EM, Jung CH, Kim J, et al. The p53/p21 complex regulates cancer cell invasion and apoptosis by targeting Bcl-2 family proteins[J]. Cancer Res, 2017, 77（11）: 3092-3100. DOI:10.1158/0008-5472.CAN-16-2098
[8] Schwartz L, Supuran CT, Alfarouk KO. The warburg effect and the hallmarks of cancer[J]. Anticancer Agents Med Chem, 2017, 17（2）: 164-170. DOI:10.2174/1871520616666161031143301
[9] Pezzuto A, Carico E. Role of HIF-1 in cancer progression: novel insights. a review[J]. Curr Mol Med, 2018, 18（6）: 343-351.
[10] Shen Y, Liu Y, Sun T, et al. LincRNA-p21 knockdown enhances radiosensitivity of hypoxic tumor cells by reducing autophagy through HIF-1/Akt/mTOR/P70S6K pathway[J]. Exp Cell Res, 2017, 358（2）: 188-198. DOI:10.1016/j.yexcr.2017.06.016
[11] Grammatikakis I, Abdelmohsen K, Gorospe M. Post转录 control of HuR function[J]. Wiley Interdiscip Rev RNA, 2017, 8（1）: 10.
[12] Yang W, Yu H, Shen Y, et al. MiR-146b-5p overexpression attenuates stemness and radioresistance of glioma stem cells by targeting HuR/lincRNA- p21/&β;-catenin pathway[J]. Oncotarget, 2016, 7（27）: 41505-41526.
[13] Xia W, Zhuang L, Deng X, et al. Long noncoding RNAp21 modulates cellular senescence via the Wnt/βcatenin signaling pathway in mesenchymal stem cells[J]. Mol Med Rep, 2017, 16（5）: 7039-7047. DOI:10.3892/mmr.2017.7430
[14] Xie Z, Xia W, Hou M. Long intergenic noncoding RNAp21 mediates cardiac senescence via the Wnt/βcatenin signaling pathway in doxorubicin-induced cardiotoxicity[J]. Mol Med Rep, 2018, 17（2）: 2695-2704.
[15] Liu WT, Jing YY, Yu GF, et al. Hepatic stellate cell promoted hepatoma cell invasion via the HGF/c-Met signaling pathway regulated by p53[J]. Cell Cycle, 2016, 15（7）: 886-894. DOI:10.1080/15384101.2016.1152428
[16] Wang T, Liu J, Li S, et al. Effects of knockout of lincRNA-p21 on the proliferation, migration and invasion ability of HepG2 liver cancer cells[J]. Oncol Lett, 2019, 17（6）: 5103-5107.
[17] Yu F, Guo Y, Chen B, et al. LincRNA-p21 inhibits the Wnt/β-catenin pathway in activated hepatic stellate cells via sponging microrna-17-5p[J]. Cell Physiol Biochem, 2017, 41（5）: 1970-1980. DOI:10.1159/000472410
[18] Ye Y, Peng Y, Li Y, et al. Effect of lincRNA-p21 targeting HIF-1α on biological functions of liver cancer cells[J]. Oncol Lett, 2019, 17（6）: 4964-4968.
[19] Chang L, Liu T, Chai Z, et al. lincRNA-p21 mediates the anti-cancer effect of ginkgo biloba extract EGb 761 by stabilizing E-cadherin protein in colon cancer[J]. Med Sci Monit, 2018, 24: 9488-9496. DOI:10.12659/MSM.911924
[20] Chen Y, Wei G, Xia H, et al. Down regulation of lincRNA-p21 contributes to gastric cancer development through Hippo-independent activation of YAP[J]. Oncotarget, 2017, 8（38）: 63813-63824. DOI:10.18632/oncotarget.19130
[21] Chen L, Yuan D, Yang Y, et al. LincRNA-p21 enhances the sensitivity of radiotherapy for gastric cancer by targeting the β-catenin signaling pathway[J]. J Cell Biochem, 2019, 120（4）: 6178-6187. DOI:10.1002/jcb.27905
[22] Zhang Y, Miao Y, Shang M, et al. LincRNA-p21 leads to G1 arrest by p53 pathway in esophageal squamous cell carcinoma[J]. Cancer Manag Res, 2019, 11: 6201-6214. DOI:10.2147/CMAR.S197557
[23] Castellano JJ, Navarro A, Viñolas N, et al. LincRNA-p21 impacts prognosis in resected non-small cell lung cancer patients through angiogenesis regulation[J]. J Thorac Oncol, 2016, 11（12）: 2173-2182. DOI:10.1016/j.jtho.2016.07.015
[24] Zhou Q, Zhan H, Lin F, et al. LincRNA-p21 suppresses glutamine catabolism and bladder cancer cell growth through inhibiting glutaminase expression[J]. Biosci Rep, 2019, 39（4）: BSR20182372. DOI:10.1042/BSR20182372
[25] Wang X, Xu Y, Wang X, et al. LincRNA-p21 suppresses development of human prostate cancer through inhibition of PKM2[J]. Cell Prolif, 2017, 50（6）: e12395. DOI:10.1111/cpr.12395
[26] Hu W, Wang Z, Li Q, et al. Upregulation of lincRNA-p21 in thoracic aortic aneurysms is involved in the regulation of proliferation and apoptosis of vascular smooth muscle cells by activating TGF-β1 signaling pathway[J]. J Cell Biochem, 2019, 120（3）: 4113-4120.
[27] Guo W, Gao R, Zhang W, et al. IgE aggravates the senescence of smooth muscle cells in abdominal aortic aneurysm by upregulating lincRNA-p21[J]. Aging Dis, 2019, 10（4）: 699-710. DOI:10.14336/AD.2018.1128
[28] Wu G, Cai J, Han Y, et al. LincRNA-p21 regulates neointima formation, vascular smooth muscle cell proliferation, apoptosis, and atherosclerosis by enhancing p53 activity[J]. Circulation, 2014, 130（17）: 1452-1465. DOI:10.1161/CIRCULATIONAHA.114.011675
[29] Jin S, Yang X, Li J, et al. p53-targeted lincRNA-p21 acts as a tumor suppressor by inhibiting JAK2/STAT3 signaling pathways in head and neck squamous cell carcinoma[J]. Mol Cancer, 2019, 18（1）: 38.
[30] Yang J, Gan X, Tan B, et al. Corticotropin-releasing factor suppresses glioma progression by upregulation of long non-coding RNA-p21[J]. Life Sci, 2019, 216: 92-100. DOI:10.1016/j.lfs.2018.07.003
[31] Xu X, Zhuang C, Wu Z, et al. LincRNA-p21 inhibits cell viability and promotes cell apoptosis in Parkinson's Disease through Activating α-Synuclein Expression[J]. Biomed Res Int, 2018, 2018: 8181374.
