piRNA在肝脏相关疾病中的研究进展.pdf

2024年4月第50 卷第2 期现代临床医学JOURNAL OF MODERN CLINICAL MEDICINEApr.2024Vol.50No.2piRNA在肝脏相关疾病中的研究进展舒玉林，陈小红,李昌平1（1西南医科大学临床医学院/西南医科大学附属医院消化内科,四川泸州6 46 0 0 0；2.西藏自治区人民政府成都办事处医院消化内科,四川成都6 10 0 41)【摘要】piRNA是一类平均长度为2 4 31个核苷酸的内源性非编码RNA,在多种人类组织中特异性表达，与PIWI蛋白结合形成piRNA/PIWI复合物,在多个生理病理过程中发挥重要的调节作用。本文就piRNA生物结构、生物学功能及在肝脏相关疾病中的作用进行综述,为挖掘 piRNA 的潜在价值,并将 piRNA应用于该类疾病的早期识别、早期诊断及治疗提供参考。【关键词】piRNA;肝脏相关疾病;研究进展【中图分类号】R575piRNA是2 0 0 6 年于果蝇生殖细胞中发现的一类复杂的小型非编码RNA,其长度大多为2 431个核苷酸 。piRNA是最大的一类非编码小型RNA,包括piRNA-mmu-64162、p i R No me、p i R-8 2 3、p i R-h s a-2 38 2 1、piRNADQ566704等。随着对piRNA的深入研究，发现其在生殖细胞及胚胎发育、干细胞功能维持、种系基因完整性维持、转座子转录沉默、翻译抑制以及癌症发生发展等方面扮演着重要角色 2】。肝炎、肝纤维化、肝癌等肝脏相关疾病发病率日益增高，严重威肋胁人类的生命健康。非编码RNA尤其是piRNA在肝脏相关疾病中的作用机制尚不清楚，但是一些研究指出,分析piRNA与肝脏疾病的关系具有很大的潜在价值。本文就piRNA生物结构、生物学功能及在肝脏相关疾病中的作用进行综述，为挖掘piRNA的潜在价值，并将piRNA应用于该类疾病的早期识别、早期诊断及治疗提供参考。1piRNA1.1piRNA生物结构piRNA是大小约2 4 31个核苷酸的内源性非编码小分子RNA,大多数种系体细胞中的piRNA簇是单向、双链的。多数piRNA的5 端含有尿苷,3 端含有甲基化2-0 H结构,其中3 端T发夹和3 区域的突变影响着piRNA生物发生活性 3-4Argonaute（A G O）蛋白分为AGO亚家族和PIWI亚家族,piRNA的甲基化2-OH结构能与AGO/PIWI家族蛋白的PIWI亚家族特异性结合形成piRNA/PIWI蛋白复合物，进而发挥生物学作用。人类PIWI家族蛋白包含4个成员：PIWI1（H IW I）、PIW I2（H IL I）、PIW I3基金项目：西藏自治区自然科学基金项目（XZ2019ZRG-129)通信作者：李昌平,50 6 8 542 0 9 【文献标识码】AD0I:10.11851/j.issn.1673-1557.2024.02.014（H IW I3）、PIW I4（H IW I2）,而PIWI、A G O、A U B是果蝇PIWI 的编码基因 5 。piRNA主要由转座子、mRNA、l n c R NA 衍生而来。转座子衍生来源的piRNA由2 条基因组链转录,生成piRNA与反义piRNA,mRNA衍生来源的piRNA通常由3 非翻译区加工处理后产生，lncRNA衍生来源的piRNA是从整个转录本中产生6 。piRNA的生物发生主要包括初级扩增、次级扩增2 条途径，也称为“乒乓循环”。初级piRNA通常是含有重复序列的特定基因组构成的单链转录本，该分子没有任何二级发夹等高级结构，此过程一般独立于Dicer的途径。初级piRNA与AGO3或AUB蛋白结合形成piRNA/AGO3或piRNA/AUB复合物后，以此为模板生成新的piRNA,新生成的piRNA以相同的方法合成成熟piRNA，当成熟piRNA或piRNA/PIWI蛋白复合物形成后,可进一步与细胞核中的靶基因结合,从而延迟或沉默靶基因的转录,发挥其生物学功能 7 。1.2piRNA生物学功能转座因子是自我复制的自私DNA序列,几乎可以入侵所有生物的基因组。当转座子插人不当时，可能会导致基因组突变,进而影响基因组的完整性，如染色体复制、重排、缺失等，可能会破坏DNA,导致减数分裂停滞,进而影响干细胞的生长发育。因此,转座因子的激活具有潜在的高致病性 8 。piRNA可由转座因子衍生而来,其主要功能之一是与PIWI 蛋白组装成复合物,参与转座因子的转录相关调控和转录后抑制，进而沉默转座因子，是基因组防御自私DNA的重要组成部分 9。有研究发现,piRNA除参与转座因子沉默外,还对维持干细胞功能、基因表达具131Apr.2024Vol.50No.2有重要的调节作用 10 。piRNA/PIWI蛋白复合物参与维持动物种系干细胞的基因组完整性,通过聚集在转座子元件和甲基化DNA上对基因组中转座子区域发挥作用。逆转录转座子基因由于存在插入诱变的潜在危害，通常被piRNA依赖性和piRNA非依赖性DNA甲基化所沉默 10 。在piRNA/PIWIL1通路中，低甲基化可促进有丝分裂重组，导致染色体缺失、异位重排，破坏干细胞基因组的完整性,而 PIWIL1 的激活可导致低甲基化的全部丢失和高甲基化的特定区域变化 。高甲基化主要发生在启动子区域的CpG岛，在DNA甲基转移酶的调控下,可以使抑癌基因失活,抑制转录,调控癌症等相关疾病的发生发展 12 。除此之外，有研究发现,piRNA可以靶向调节各种内源转录本,通过PIWI切割mRNA或腺苷酸依赖机制，诱导mRNA降解，从而阻碍蛋白质合成 132piRNA 在肝脏相关疾病中的作用2.1piRNA 与肝脏再生肝脏在损伤、缺血和切除后具有很强的再生能力,在肝脏组织再生的过程中,静止的肝细胞在细胞周期启动、进展、分裂及最后静止的不同阶段内发生着一系列病理生理变化 14。在研究小鼠胚胎成纤维细胞、小鼠胚胎干细胞和重编程干细胞中特异性表达的 piRNA 时,发现在胚胎成纤维细胞中几乎观察不到piRNA,通过靶基因预测的结果可以推测piRNA如piR-mmu-64162等可能通过调节细胞衰老,参与再生重编程过程 15。进一步研究大鼠肝脏中的piRNA表达及其对肝脏再生增殖的刺激效应时,发现部分肝切除术后的整个肝细胞增殖周期中,约140 0种piRNA 在大鼠肝脏中表达,其中部分 piRNA 在肝切除术后2 448 h的表达显示为定时变化。该研究表明piRNA在肝脏体细胞中活跃存在,并在器官再生的病理生理过程中起调控、稳定作用 15。通过人和大鼠同源性的piRNA比较,发现大鼠肝再生过程中差异表达的7 2 个piRNA中有16 个在人肝脏中也有表达。因此,推测这16 个piRNA 可能参与肝细胞的增殖过程，但其具体调控机制还需进一步深人研究。2.2piRNA与肝纤维化肝纤维化是肝脏对慢性损伤的一种反应过程，当肝组织受到病毒感染、酒精、胆汁淤积和慢性代谢紊乱等因素损伤时,肝星状细胞被激活后增生,转化为肌成纤维细胞,并合成分泌细胞外基质,细胞外基质在肝脏组织中大量沉积,进而导致肝纤维化、肝硬化改变 16 。有研究发现,在纤维化的肝脏组织中有piRNA的差异性表达，部分piRNA可以直接刺激肝星状细胞生成转化生长因子-1（t r a n s f o r mi n ggrowth factor-1,TGF-1）,刺激细胞外基质生成,从而132现代临床医学JOURNAL OF MODERN CLINICAL MEDICINE参与肝纤维化的发生发展 17 。从肝硬化、低级发育不良结节、高级发育不良结节到肝细胞癌，piRNA中的piR-823 表达水平逐渐升高。有研究发现,TGF-1 在感染piR-823模拟物的肝星状细胞中表达显著增加，而在piR-823抑制物中表达降低 18 。这些实验 16-18 表明piR-823能直接刺激肝星状细胞产生TGF-1。EIF3B是TGF-1翻译启动子的启动子，TCF-1/Smads 通路是主要的纤维化通路之一，上调的piR-823与EIF3B结合形成复合物,募集TGF-1的mRNA并产生TGF-1,激活静止的肝星状细胞，进一步产生piR-823、-平滑肌肌动蛋白及胶原蛋白,如此反复形成恶性循环,致使肝脏纤维化。-平滑肌肌动蛋白及胶原蛋白是细胞外基质的主要成分，而细胞外基质的积累是肝纤维化的发生基础。因此,通过阻断piR-823与肝星状细胞形成恶性循环可能成为治疗肝纤维化的新方向 17 。此外，肝脏发生纤维化时，还有其他piRNA的差异性表达,其致病机制仍需进一步研究。2.3piRNA与药物性肝损伤药物性肝损伤是指因药物本身及其代谢产物直接或间接通过炎症介导、氧化应激等途径损伤肝细胞，其严重程度从轻度血清转氨酶升高到严重肝损伤，严重肝损伤可在药物性肝损伤发作后的几天内发展为急性肝衰竭甚至死亡 18 。通过研究piRNA在乙酰氨基酚诱导的肝损伤中的作用发现,肝脏暴露于乙酰氨基酚后,有57 个piRNA上调,表明piRNA分子具有应激反应性的特征 18 。肝损伤时上调的piRNA中的piR-23210是一种新型的自我保护分子，可以通过与RNA结合蛋白核仁素相互作用,抑制下游细胞色素酶表达,进而防止乙酰氨基酚引起的肝损伤,提示piRNA对乙酰氨基酚肝毒性具有潜在抑制作用 19。血清转氨酶虽一直是评估肝损伤的临床标准，但缺乏特异性，在其他组织如骨骼肌损伤时,也可以异常升高。piRNA在肝脏损伤中可特异性表达,因此在鉴定药物引起的肝损伤的病因方面具有巨大的潜在价值。2.4piRNA 与慢性丙型病毒性肝炎(hepatitis C virus,HCV）H CV是一种具有嗜肝性的正链 RNA病毒，HCV感染是导致肝纤维化、肝硬化、肝细胞癌的主要原因之一 2 0 。有研究证明,piRNA 与多种病毒感染存在关联,如辛德比斯病毒、登革热病毒和塞姆利基森林病毒等 2 1。有研究发现，HCV 和人类免疫缺陷病毒（h u ma n i mmu n o d e f i c i e n c y v i r u s，H IV）可劫持宿主外泌体机制作为感染和逃避免疫系统的额外机制，HIV/HCV 合并感染患者的细胞外囊泡能检测到piRNA,但piRNA在HCV 感染患者中所发挥的作用尚不明确 2 2 。杞梦迪等 2 3 利用小RNA测序分析HCV感染2024年4月第50 卷第2 期2024年4月第50 卷第2 期人肝癌细胞Huh7.5.1细胞的 piRNA表达谱，发现HCV感染后的实验组中有6 3个piRNA呈显著上调、24个显著下调,证实HCV感染诱导了piRNA的差异性表达;同时发现HCV感染诱导了Huh7.5.1 细胞中piR-hsa-23821 及 piR-hsa-11817 的表达,抑制了 piR-hsa-28522及piR-hsa-32260的表达。该研究结果表明piRNA可能在HCV感染及肝癌细胞增殖相关的代谢紊乱和肝脏疾病中发挥重要作用。KEGG通路富集分析显示,差异 piRNA靶基因参与了肿瘤代谢通路、脂质代谢通路、免疫通路等信号通路,进而在HCV感染导致的肝脏疾病中起调控作用。HCV感染与诱导的piRNA差异表达可能存在关联,深入研究HCV感染后特异性表达的piRNA 对靶向治疗HCV具有潜在价值。2.51piRNA与代谢相关性脂肪肝病（metabolicassociated fatty liver disease,MAFLD）M A FL D 是指排除过量饮酒、药物、病毒、自身免疫性等其他明确病因，与代谢功能障碍相关,以脂质在肝细胞内过量沉积为病理特征的常见慢性肝病 2 4。Ma 等 2 5 通过分析MAFLD小鼠模型中piRNA表达谱,在模型组中鉴定出12 8 5个具有差异表达水平的piRNA,其中有6 41个piRNA上调、6 44个piRNA下调，并发现piRNA在“Hippo信号”“Wnt信号”“丝裂原活化蛋白激酶信号”通路中富集；通过生物信息学分析发现，模型组显著上调的piRNADQ566704和piRNADQ723301与Smad2具有潜在的结合位点，而 Smad2 和 Smad3是TGF-1/Smads信号通路中的2 个重要的下游调节因子,主要参与介导组织纤维化过程，因此推测piRNA可能通过介导TCF-1/Smads通路调节MAFLD中肝星状细胞的激活,参与MAFLD肝纤维化的发生发展。2.6piRNA与原发性肝癌原发性肝癌是目前常见的恶性肿瘤,随着其发病率的日益增长,严重威胁人类的生命健康。原发性肝癌目前分为肝细胞癌、肝内胆管癌和混合型肝细胞癌-胆管癌,其中肝细胞癌占大多数 2 6 。有研究发现,在已知的piRNA中,多种piRNA可以在相应的肿瘤组织中特异性表达,进而区分肿瘤恶性组织与非恶性组织 2 7 。通过piRNA不同时段的特异性表达可以区分正常肝组织、硬化肝组织和肝细胞癌组织,许多癌症类型共有的 piRNA 可能代表促进癌症生长的核心基因组,而个别癌症类型特有的piRNA 可能与癌症特异性生物学有关。因此,某些特异性piRNA可能是新的疾病生物标志物,可用于鉴别诊断肝脏病变的良恶性 2 7 。有研究发现,肝脏 piRNA分布在除2 1号染色体外的所有染色体中,某些失调的piRNA可以靶向调控多种信号通路,包括死亡和TNF现代临床医学JOURNAL OF MODERN CLINICAL MEDICINE受体、HIPPO、PI3K/A K T、W n t/-catenin等通路，控制细胞周期调节、端粒酶活性、蛋白质泛素化、DNA 甲基化和细胞调亡，进而影响细胞增殖和死亡、血管生成、侵袭和转移等关键过程,调控肝癌细胞 2 8 。如肝细胞癌中上调的piR-Hepl 促进肝细胞增殖和侵袭,可能是通过与PIWIL2结合，上调PI3K/AKT信号通路中的磷酸化AKT,这是肝细胞癌变中的关键致癌通路 2 9。多种piRNA在癌症和癌旁组织中有差异性表达,具有差异piRNA 的靶基因的 GO 和KEGG途径主要参与细胞黏附、促进肝癌细胞迁移等过程 30 。某些 piRNA 如hsa-piR-013306在肝细胞癌全程中表现出独特的表达模式,直接或间接参与了肝脏的致癌过程,并可能成为代表早期肝癌病变的新标志物。此外，MAEL是piRNA生物发生途径中的关键基因,因其可能在肝细胞的恶性转化中发挥作用而被认为是致癌基因【31。有研究发现,抑制piR-651可诱导癌症细胞在G,/M期生长停滞 13，piR-823过表达可抑制癌症细胞生长 2 3,而抑制 piR-Hep1可降低肝细胞癌HKCI-8细胞水平,证明肝脏某些piRNA在肝细胞癌中既有正向调节作用,又有负向调节作用 32 。piRNA在癌症的发生发展中发挥着重要作用,未来可作为早期诊断肝细胞癌的潜在生物标志物。3小结与展望piRNA是一类种类丰富且具有潜在价值的短链非编码RNA,能在不同组织的不同发育阶段特异性表达,可通过碱基互补配对与DNA结合，通过自身的发夹等高级结构与蛋白质结合，从而调控机体的病理生理过程。目前,piRNA与生殖系统方面的相关研究比较深人，,但在piRNA用于疾病早期识别、早期诊断及治疗等的作用机制研究及临床研究方面还处于初始阶段。未来应加大对 piRNA在肝脏相关疾病中的潜在价值的研究投入，争取产出更多有意义的科研成果,为肝脏相关疾病的诊治提供新途径。参考文献：1YUAN Z H,ZHAO Y M.The regulatory functions of piRNAPIWI in spermatogenesis J.Yi Chuan,2017,39（8):683-691.2 WANG X,RAMAT A,SIMONELIG M,et al.Emerging rolesand functional mechanisms of PIWI-interacting RNAs J.NatRev Mol Cell Biol,2023,24(2):123-141.3 YAMANAKA S,SIOMI M C,SIOMI H.piRNA clusters andopen 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