超长综述 | JBS：非编码RNA在神经退行性疾病发病机理中的功能作用和网络（国人作品）
编译：不二，编辑：十九、江舜尧。
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转录组学分析显示，非编码RNA（ncRNA）在哺乳动物细胞中广泛表达，并在中枢神经系统中大量表达，具有组织和细胞类型特异性的表达模式。此外，在神经退行性病变中ncRNA复杂而动态地调节各种信号通路。已知一些反义转录本和microRNA直接影响神经退行性病变。对于每种疾病ncRNA在发病机制中的作用都是独特的，介导这些功能的ncRNA/miRNA/mRNA相关网络也是如此。因此，进一步了解ncRNA的生物发生和作用有助于发现诊断性生物标记物或开发有效的神经退行性疾病治疗方法。在此，研究人员回顾了迄今为止在主要神经退行性疾病病因学中发现的ncRNA，以及ncRNA与疾病特异性表型相关的机制，如亨廷顿病（HD）中的HTT聚集，帕金森症（PD）中的α-突触核蛋白，阿兹海默症（AD）中的Aβ斑块和高磷酸化Tau。研究人员还总结了已知参与神经退行性疾病的lncRNA/miRNA/mRNA网络，并讨论了ncRNA相关治疗在啮齿动物模型中延缓疾病发病和延长寿命的作用。
论文ID
原名：Functional roles and networks of noncoding RNAs in the pathogenesis of neurodegenerative diseases
译名：非编码RNA在神经退行性疾病发病机理中的功能作用和网络
期刊：Journal of Biomedical Science
IF：5.203
发表时间：2020.04
通讯作者：郭纮志
通讯作者单位：中国台湾中央研究院细胞与个体生物学研究所
DOI号：10.1186/s12929-020-00636-z
主要内容
ncRNA在亨廷顿病（HD）发病机制中的作用
HD是一种单基因进行性神经退行性疾病，由hungtingtin（HTT）基因CAG重复序列的扩增引起。扩增的CAG重复序列编码一种毒性的多聚谷氨酸，它优先杀死GABA能传递神经元。纹状体中棘神经元（MSN）是HD主要易感的细胞类型。许多RNA类型也与HD的病因有关（表1）。在这些RNA中，miRNA-mRNA网络是HD模型中研究最深入、最清楚地调控表型的网络（图1a）。此外，一些lncRNA已经被证明通过染色质抑制因子的募集来调节HD相关的基因转录（图1b）。
图1 参与HD发病机制的ncRNA的细胞功能。
ncRNA在HTT表达/聚集调控中的作用
mHTT聚集是HD的主要表型，ncRNA调控HTT的表达和聚集。一些ncRNA直接调控HTT转录，影响聚集作用。例如，HTTAS-v1（来自HTT的反义RNA）通过dicer依赖性信号通路调节mHTT的表达，并通过RISC依赖性microRNA样机制降低内源性mHTT转录水平。因为在HD脑切片中可以观察到下调的HTTAS-v1，这种反义转录本（NAT）在HD中可能起到保护作用。某些microRNA，包括miR-214、miR-150、miR-146a和miR-125b，直接靶向HTT和mHTT的3’UTR，从而降低HTT在人和小鼠模型中的表达。这些microRNA保护神经元，miR-146a、miR-150和miR-125b在常用的HD模型R6/2小鼠的纹状体中下调。由于miR-125b和miR-150靶向p53，调节p65和NF-κB亚基（RelA/NF-κB）的表达，miR-146a以及miRNA-146a/125b/150依赖性HTT表达的调节机制与HD中的细胞凋亡相关。在转基因HD猴中，HTT受miR-128a直接调控，miR-128a靶向HTT的3’UTR。此外，miR-128a靶向促进HTT转录的转录因子Huntingtin相互作用蛋白1（HIP1）和SP1。因此，miR-128a的下调通过直接和间接机制参与了HTT相关表型的形成。在HD模型中，HTT转录也受ncRNA调控。例如，ABHD11-AS是ABHD11的反义基因，它通过改变mHTT的转录来降低mHTT介导的毒性，并被证明引起HD小鼠模型纹状体的脆弱性。此外，ncRNA参与了HD模型中有缺陷的HTT蛋白降解。多药耐性蛋白1（MDR1）介导的mHTT的清除与HTT的聚集有关，miR-27a参与MDR1的表达。HD中MDR1的下调，可能通过miR-27a增加HTT的表达。miR-196a通过改变体内泛素蛋白酶体系统、胶质增生、cAMP反应元件结合蛋白和几种神经调节途径也降低了mHTT的表达。由于miR-196a在HD中具有保护作用，因此有人提出miR-196a可作为治疗靶点的潜力。
ncRNA对阻遏元件沉默转录因子（REST）的活性和脑源性神经生长因子（BDNF）表达的调节
HD患者中脑源性神经生长因子（BDNF）表达下调，HD模型中BDNF的添加降低了mHTT诱导的神经毒性。BDNF反义RNA（BDNF-AS）通过转录抑制降低BDNF的表达，这涉及多克隆抑制复合物2（PRC2）向BDNF位点的募集和组蛋白H3K27三甲基化的诱导。因此，BDNF-AS被认为在HD的发展中起着重要的作用。在HD模型的前额叶皮质中，miR-10b-5p通过直接的相互作用降低BDNF的表达。miR-10b-5p的上调与BDNF的转录相关。SIRT1的下调是由miR-34a结合SIRT1 mRNA的3’UTR介导的。因此，miR-34a的下调可能在BDNF表达和线粒体生物发生之间提供了一种联系。
在HD中，BDNF的缺失与阻遏元件沉默转录因子（REST）依赖的转录调控有关。REST是神经元特异性转录抑制因子，参与组蛋白H3赖氨酸4（H3K4）的去甲基化。抑制复合物的招募是REST介导抑制的一个重要步骤，辅助因子包括含有SANT结构域的CoREST和BHC110去甲基化酶等。正常情况下，HTT通过与Huntingtin相关蛋白1（HAP1）作用于细胞质复合物来阻止REST介导的转录抑制。这种功能在mHTT中丧失，使得REST在细胞核中组装其阻遏复合物。因此，mHTT允许REST从细胞质转移到细胞核，然后导致BDNF转录抑制和缺失。HAR1是REST的直接靶点，HAR1F/R转录水平的降低导致人类HD纹状体中几个功能未知的重要神经元基因受到抑制。DGCR5是一种受REST调节的lncRNA，DGCR5在HD脑中的下调提示其可能在HD的发生发展中起重要的转录调控作用。MEG3也受REST调控，它与染色质中的PRC2复合物有关。在人类HD脑中发现MEG3下调，可能调节mHTT聚集。miR-9和miR-22被发现以多种基因转录本为靶点，包括HDAC4、coREST和Rgs2。因此，这些miRNA通过抑制coREST表达与HD相关，后者通常促进REST介导的BDNF消耗。因此，miR-22具有神经保护作用，并抑制HD脑中的神经元丢失。在HD小鼠模型中，神经元特异性miR-124下调，REST是这种作用的主要介质。由于miR-124与细胞周期相关，REST似乎参与了HD发病的多种机制。
ncRNA在HD相关凋亡调控中的作用
HTT第1外显子CAG重复序列的扩增是HD的原因，减少扩增重复序列的长度可以提高神经元的存活率。外源表达21核苷酸的小CAG重复RNA（sCAG）调节细胞活力，类似于从HD脑中提取的小RNA。这种sCAG治疗通过靶向mHTT转录物的CAG区域激活Ago2依赖机制，显著降低mHTT介导的神经元死亡。TUG1也可以通过p53调控mHTT的细胞毒性。由于TUG1也与PRC2基因的表观遗传调控复合物结合，因此TUG1的上调可能涉及人类HD大脑中的多个分子途径。此外，在HD小鼠R6/2皮层中，MEG3和NEAT1均上调，通过调节mHTT聚集和TP53的表达降低MEG3和NEAT1的表达。RPS20P22调节RPS20的表达，RPS20P22的减少导致p53在HD脑中的积聚。此外，HD中GABA能神经元的凋亡受多种microRNA调控。例如，miR-34b调节P53的表达，这可能影响mHTT介导的凋亡。miR-34b在HD患者脑和血浆样本中的上调表明它也可能在HD中发挥作用。mHTT在细胞中可以减少miR-432、miR-146a、miR-19a和miR-146a的表达。这些miRNA直接作用于细胞周期基因，如PCNA、CHEK1和CCNA2。值得注意的是，细胞周期失调与CCNA2的表达减少有关，HD细胞中miR-432和miR-146a的外源性表达可挽救细胞周期异常和凋亡。
ncRNA在HD其他发病机制中的作用
在HD脑的纹状体中，低氧化磷酸化和高氧化应激可以降低线粒体功能。有趣的是，miR-196a上调通过其对CBP和PGC-1α的影响调节线粒体功能，并且靶向miR-196a在HD中恢复线粒体功能。此外，miR-196a还以RAN结合蛋白10（RANBP10）的3’UTR为靶点，RANBP10可以增强HD小鼠模型神经元形态发生和细胞内转运。在另一个例子中，miR-132的水平与HD动物模型中Ago2依赖的HTT清除有关，并且添加miR-132可以改善HD小鼠的运动功能和寿命。尽管机制尚不清楚，TUNA的表达与病理疾病的严重程度呈负相关，也就是说，在HD患者中，TUNA的减少与疾病等级的增加相关。此外，与对照组相比，HD脑中LINC00341和LINC00342的表达水平有显著差异。
综上所述，越来越多的证据表明ncRNA在HD的发展中扮演着重要的角色，许多证据来自HD模型（表1）。进一步了解异常ncRNA在HD中的功能作用，有助于揭示HD的发病机制，确定潜在的治疗靶点。
表1 HD中的ncRNA和相关过程
ncRNA在帕金森症（PD）发病机制中的作用
帕金森症（PD）是一种成人发病的神经退行性疾病，约1%的60岁以上的人受到影响。在这种疾病中，运动障碍是由中脑黑质传递到背侧纹状体的A9型多巴胺能神经元选择性丢失引起的。Lewy小体中α-突触核蛋白的神经元内聚集是PD的一个病理特征。约10%的PD遗传患者为SNCA（α-突触核蛋白）、PARK2（Parkin）、PINK1（PTEN诱导激酶1）、PARK7（蛋白脱糖酶DJ-1）、LRRK2（富含亮氨酸重复激酶）或ATP13A2（ATPase 13A型）基因突变。大多数导致PD突变的基因是调节线粒体功能和氧化应激的基因，同样，散发性PD可能是由某些破坏线粒体功能的环境因素引起的，如杀虫剂和重金属。因此，帕金森症通常是用MPTP/MPP+（1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶）或6-OHDA（6-羟基多巴胺）来模拟的，它们诱导多巴胺能传递神经元的线粒体功能障碍和氧化应激。据报道，ncRNA通过影响基因表达和α-突触核蛋白聚集而破坏线粒体功能（表2和图2）。
表2 PD中的ncRNA和相关过程
ncRNA对α-突触核蛋白表达和Lewy小体形成的调控
α-突触核蛋白上调是促进其在Lewy小体中聚集的一个关键事件，已经发现一些ncRNA调节PD中α-突触核蛋白的表达和聚集（图2a）。lncRNA-NEAT1促进α-突触核蛋白的转录，并提高PD中Bax/Bcl比值和caspase 3活性，因此NEAT1似乎参与α-突触核蛋白相关的凋亡。PD患者组织中一些下调的小RNA与α-突触核蛋白的上调和疾病表型有关。miR-34b/c的下调可阻止其靶向α-突触核蛋白的3’UTR，导致α-突触核蛋白的上调。此外，有人提出α-突触核蛋白中的单核苷酸多态性（SNP）降低miR-34b/c的结合能力，从而促进α-突触核蛋白相关PD的发病。热激蛋白（HSP）70参与α-突触核蛋白聚集的清除，miR-16-1介导的HSP70下调与α-突触核蛋白聚集增加有关。另一个microRNA，miR-133b，也降低了α-突触核蛋白的表达、Bax/Bcl比值和pAkt的激活，以促进神经元存活。据进一步报道，miR-133b靶向RhoA抑制轴突生长。值得注意的是，PD患者的全基因组测序未能识别miR-133b中与PD风险相关的突变/多态性。因此，用外源性药物增加miR-133b是PD潜在的治疗策略。
ncRNA网络也参与了PD的发病机制。例如，miR-1277-5p直接作用于α-突触核蛋白（SCNA），降低其表达。LncRNAp21是miR-1277-5p的诱饵，可阻止其靶向SCNA的mRNA。有趣的是，在MPP+诱导的PD模型中，p21/miR-1277-5p/α-突触核蛋白-RNA网络是凋亡所必需的。此外，miR-7通过结合SCNA的3’UTR抑制α-突触核蛋白的表达，这是一种保护细胞免受氧化应激的作用。circSNCA源于SNCA mRNA的CDS，是miR-7的海绵。因此，circSNCA的上调促进了PD模型中α-突触核蛋白的表达和凋亡前基因（CASP3、BAX、PTEN和P53）的表达。因此，circSNCA/miR-1277-5p/α-突触核蛋白网络正调控α-突触核蛋白的表达。根据这一观点，下调circSNCA表达可挽救PPX治疗后的细胞死亡。
ncRNA在PD相关线粒体功能障碍中的调节作用
线粒体功能障碍是帕金森症和多巴胺能神经元变性的主要原因。ncRNA也调节线粒体功能障碍，导致多巴胺能神经元的丢失（图2b）。PTEN介导激酶1（PINK1）是一种线粒体激酶，它的失调和聚集与PD的病理过程有关。当动物接受MPTP治疗时，多巴胺能神经元选择性地吸收该分子，通过线粒体功能受损诱导其变性。NEAT1上调与MPTP浓度呈正相关，促进PINK1蛋白的稳定性。NEAT1还促进自噬，这一点在MPTP治疗的小鼠中表现为LC3-I I/LC3-I水平升高。自噬是以溶酶体为靶点降解细胞质蛋白聚集体和缺陷细胞器的重要途径。自噬的不平衡与细胞内功能失调的线粒体的保留有关，而线粒体的保留是PD神经退行性变的原因之一。由于PINK1对线粒体自噬的诱导至关重要，PINK1的突变与自噬失衡和PD有关。在PD模型中已经发现了一些以PINK1为靶点的小RNA。例如，miR-27a/b可以直接靶向降低PINK1，并抑制受损线粒体的溶酶体降解。
蛋白脱糖酶DJ-1（parkin7）是对抗PD氧化应激的关键。在功能上，DJ-1通过增加miR-221的表达来保护神经元免受凋亡，从而抑制促凋亡的BIM。虽然miR-221的直接靶点在PD中未知，但DJ-1可能通过MAPK/ERK信号通路调节miR-221的转录。在另一个例子中，DJ-1转录物被miR-494靶向并反向调节DJ-1表达，损害细胞的抗氧化防御。
LRRK-2的失调是最常见的PD对激酶的连锁效应之一。在MPTP处理的小鼠模型中，lncRNA-HOTAIR（Hox转录本反义基因间RNA）上调，LRRK2上调并诱导caspase 3依赖性凋亡。通过一些未知的机制，降低HOTAIR可以挽救多巴胺能神经元变性并减少LRRK2的表达。miR-205靶向LRRK2的3’UTR并抑制其表达。MiR-205在PD患者的大脑中下调，包括那些患有散发性疾病或由LRRK2（R1441G）突变引起的家族性的PD患者。miR-205的过表达可以降低LRRK2的表达，并促进细胞模型神经轴突生长。
ncRNA在PD相关凋亡调控中的作用
由于多巴胺能神经元的丢失是PD患者症状的原因，控制细胞毒性的信号通路可能预防神经元丢失（图2c和d）。DNA损伤激活的lncRNA（NORAD）是Chr20q11.23的一个外显子转录本，它能分离PUMILIO蛋白以促进基因组的稳定性。在MPP+处理的细胞中，NORAD下调，促进细胞毒性、caspase3/7活化、ROS生成和LDH释放。慢病毒表达的NORAD保护细胞免受MPP+细胞毒性。另一类ncRNA，半体tRNA（tRH）是tRNA衍生片段（tRF），与PD组织的细胞应激和神经变性有关。此外，已知一些microRNA通过直接抑制基因表达来调节PD相关的凋亡。miR-126参与调节神经元毒性和细胞死亡过程。在6-OHDA处理的PD细胞模型中，miR-126上调并直接靶向p85b、IRS-1、SPRED1来抑制IGF-1/PI3K/AKT信号传导。与其他机制一样，这种作用导致神经毒性。MiR-96在MPTP处理的PD小鼠模型中上调，靶向CACNG5。CACNG5和Bcl2的抑制与iNOS的激活和凋亡有关。此外，在MPTP处理的小鼠中可以检测到miR-342-3p的上调。MiR-342-3p直接作用于Wnt信号通路中的PAK1（p21活化激酶1），并降低谷氨酸转运体亚型1（GLT-1）和L-谷氨酸/L-天冬氨酸转运体（GLAST）的表达水平。这些作用损害了神经元的活性并导致细胞凋亡。在6-OHDA处理的细胞系中，miR-22下调。外源性miR-22过表达显著下调TRPM7，抑制神经毒性，挽救细胞生长。miR-126-5p的下调也与细胞系中PD样毒性有关。由于miR-126-5p通过靶向RAB3IP增加细胞增殖和减少凋亡，这种microRNA可以保护神经元免受凋亡。在MPP+处理的细胞中，miR-7和miR-153均下调。miR-7和miR-153均使mTOR途径的p70S6K/pS6RP/SAPK/JNK轴失活。此外，miR-183上调促进黑质神经元凋亡并抑制OSMR表达。
近年来，对更复杂的RNA网络（lncRNA/microRNA/mRNA）的研究进一步揭示了其对PD细胞凋亡的影响。在MPP+处理的小鼠中，HOTAIR促进细胞凋亡并降低细胞活力。HOTAIR的敲除通过抑制caspase 3活性保护多巴胺能神经元免于死亡。HOTAIR阻止microRNA-126-5p靶向RAB3IP。当RAB3IP促进自噬并参与PD神经元死亡时，这种作用促进细胞凋亡。HOTAIR/miR-126-5p/RAB3IP轴与PD进展有关，其异常被认为是PD的治疗靶点。在MPP+处理的细胞和动物模型中，小核仁RNA宿主基因1（SNHG1）逐渐上调。SNHG1基因敲除降低LC3-II的表达和MPP+诱导的细胞死亡。microRNA-221/222簇在帕PD患者的血液样本中的下调也与PD相关。MicroRNA-221/222促进LC3-II的形成，降低MPP+诱导的神经毒性。SHNG1可以作为miR-221/222的miRNA海绵，并防止靶向p29，p29是mTOR磷酸化和细胞死亡的关键调节因子。LncRNA-p21上调也促进caspase 3的激活，并增加Bcl家族启动的凋亡。TRPM2是一种非选择性的钙离子渗透通道，在PD患者的大脑中上调。已有研究表明miR-625直接作用于TRPM2以阻止其表达。LncRNA-p21作为miR-625的海绵，从而促进TRPM2的表达。这种p21/miR-625/TRPM2调控网络也与PD的发病机制有关。
图2 参与PD发病机制的ncRNA的细胞功能。
ncRNA参与PD发病的其他机制
胶质细胞源性神经生长因子（GDNF）缺失已在PD模型中得到证实，外源性GDNF可促进多巴胺能神经元的存活。GDNF-AS由GDNF mRNA编码，促进GDNF的2倍表达。腺相关病毒（AAV）介导的GDNF-AS改善了单侧6-OHDA损伤小鼠的运动障碍和多巴胺能神经元变性。UCHL1-AS是泛素羧基末端水解酶L1（UCHL1）的反义RNA，并激活其翻译。UCHL1受Nurr1（一种主要的转录因子）的调控，在多巴胺能神经元分化和维持以及脑细胞应激反应中发挥作用。UCHL1突变为一种罕见的早发性帕金森症，其活性的丧失是导致该病的原因。UCHL1-AS的过表达是促进UCHL1翻译和防止神经变性的一种方法。LncRNA-p21通过上调IL-1β、IL-6和TNF-α等机制促进神经炎症。在MPP+处理的原代神经元中，miR-153下调，从而导致p38激活增加和促进神经炎症介导的凋亡。基于IL-1β、IL-6和TNF-α上调，NEAT1也与MPP+治疗后的神经炎症有关。RNA免疫沉淀分析显示NEAT1作为miR-124海绵，促进MPTP处理的细胞凋亡。在BV小胶质细胞中，SHNG1在脂多糖诱导的炎症反应中上调。SHNG1表达的沉默促进miR-7靶向nod样受体蛋白3（NLRP3）的表达，导致NLRP3神经炎症的激活。因此，SHNG1作为miRNA海绵对miR-7的作用促进了BV2小胶质细胞的神经炎症。
在PD患者的脑脊液、血清和皮质中，除了lncRNA和microRNA的参与外，tRNA衍生片段（tRF）也存在。因此，tRF测序结果可以潜在地用作PD的生物标记物。对PD患者的白细胞和脑样本的转录组分析已被用于鉴定几种PD相关的lncRNA。例如，患者白细胞、杏仁核和黑质中的U1剪接体lncRNA和RP11-462G22.1上调。计算机预测表明，这些lncRNA可能起到保护miRNA诱饵的作用，并阻止其互补miRNA的功能。这两种lncRNA可能作为21种不同miRNA的诱饵，提示它们可能作为竞争性内源性RNA（ceRNA）在PD发病过程中调节RNA转录。
ncRNA在阿尔茨海默症（AD）发病机制中的作用
阿尔茨海默症（AD）是老年痴呆症最常见的病因，影响着全世界的人口。AD的脑容量减少主要是海马变性所致，其主要病理特征包括胞外淀粉样β（Aβ）斑块和神经纤维缠结中的高磷酸化Tau。晚期AD患者常出现进行性记忆丧失和急性认知功能障碍。本文总结了近年来ncRNA参与AD模型的研究，这些研究表明ncRNA在AD的发病机制中起着多种重要作用（表3，图3和图4）。
表3 AD中的ncRNA和相关过程
ncRNA对Aβ产生和积累的调控作用
Aβ肽的产生伴随着分泌/释放和细胞外沉淀。淀粉样前体蛋白（APP）是一种跨膜蛋白，通过β-位点APP裂解酶-1（BACE1）和γ-分泌酶的顺序裂解来产生Aβ。一些ncRNA类型通过促进翻译（图3a）、干扰清除（图3b）或调控分泌酶裂解（图3c）来调节AD模型中Aβ的细胞外积累。
ncRNA-BC1，通过与脆性X综合征蛋白（FMRP）结合诱导APP mRNA翻译，BC1下调可诱导携带突变APP的转基因小鼠Aβ肽积累和空间学习记忆障碍。LncRNA-17A的上调与Aβ的分泌和Aβ42的产生有关。Aβ42对神经元的毒性大于Aβ40，分泌的Aβ42/40比值与患者样本中AD的高风险相关。此外，给予Aβ42可以刺激lncRNA-17A的表达，促进自噬、神经变性和GABAB信号的失活，这是由于基于选择性剪接的GABAB受体亚型开关而发生的。SORL1-AS的上调可以通过改变mRNA剪接降低SORL1的表达，从而损害APP处理过程。LRP1-AS是低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1）的反义RNA，通过直接结合Hmgb2阻断Srebp1a依赖的LRP1转录，阻断LRP1介导的Aβ清除。因此，AD脑中LRP1-AS的上调与促进Aβ的形成和降低清除率有关。在APPswe/PSEN1ΔE9小鼠模型中，MIAT还通过对LRP1表达的影响调节Aβ的清除。MIAT下调促进miR-150-5p/VEGF介导的纤维形成，减少脑微血管数目，减少紧密连接蛋白的表达。因此，在小鼠模型中，MIAT的丢失增加了Aβ40和Aβ42水平，相应地增强了神经元的丢失。miRNA-106b与APP生成相关，在AD患者的组织中下调。MiRNA-200b/200c通过抑制胰岛素受体底物1（IRS-1）的核糖体蛋白S6激酶B1（S6K1）依赖性磷酸化来抑制丝氨酸残基处IRS-1的信号传导，从而减少脑内Aβ分泌和胰岛素抵抗。miRNA-33通过促进ATP结合盒转运体A1（ABCA1）的表达和ApoE的脂质化增强Aβ清除。miR-33的缺失与APPswe/PESN1ΔE9小鼠的AD病理学有关。
由于Aβ的分泌促进细胞外沉淀，因此Aβ分泌的调节是斑块形成的重要因素。ncRNA也参与了AD的调节机制（图3c）。分泌酶是Aβ分泌的关键，BACE-1活性的调节影响Aβ分泌和斑块的形成。BC200是突触后树突状微区的翻译调节因子，调节突触的长期可塑性。BC200的上调促进了AD死后脑组织BACE-1活性和可塑性衰竭。此外，BC200上调通过直接促进BACE-1的表达和随后的细胞活性损伤增强Aβ42的表达。神经母细胞瘤分化标志物29（NDM29）水平因炎症反应而升高。在AD患者的大脑中，NDM29上调通过BACE1和γ-分泌酶诱导APP合成并促进其分裂。上调BC200或NDM29可增加Aβ分泌和Aβ42/40比值。BACE1-AS是从11号染色体（11q23）BACE1位点的反义链转录的保守RNA。BACE1-AS通过稳定BACE1 mRNA增加BACE1的表达，防止miR-485-5p介导的降解。BACE1-AS的上调导致AD脑组织和小鼠模型中Aβ42水平升高。BACE1-AS和miR-485-5p竞争性地调节BACE-1，两者的失调与AD脑区BACE1表达增加有关。CDK5R1编码p35，是CDK5的激活因子。miRNA-15/107通过直接靶向其3’UTR负调节CDK5R1的表达。利用AD脑切片，CDK5R1增加了p35/CDK5的水平，从而增强了CDK5的活性并调节BACE-1的表达。进一步的研究将microRNA与直接靶向miR-29a/29b1/c等分子的BACE-1表达降低联系起来。miR-29a/29b1/c的下调导致AD患者外周血、死后脑组织和SAMP小鼠模型中Aβ的积聚。miR-16可降低BACE1的表达，减轻Aβ介导的神经毒性。miR-338-5p也通过靶向其mRNA来调节BACE-1的表达，这种microRNA的表达导致脑组织中Aβ的形成增加。下调miR-29a/29b1/c、miR-338-5p和miR-16均与Aβ介导的体内外神经毒性增加有关。在这些小RNA中，miR-338-5p还调节NF-kB信号并促进神经炎症。小鼠模型的体内研究也表明miR-34a通过促进BACE-1的表达和β-分泌酶的活性促进Aβ的积累。MiR-128通过影响γ-过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARγ）的表达进一步降低Aβ的表达和炎症反应。Sirt1是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性脱乙酰酶，调节Aβ的产生，miR-132/212通过直接靶向Sirt1与Aβ的产生相关。miR-132/212的下调不能减少Aβ的产生，并且与携带PSEN1（pslm146v）、APP（APPSwe）和Tau（TauP301L）表达结构的三转基因小鼠模型中的AD发病有关。
图3 参与AD中APP表达和Aβ积累的ncRNA。
ncRNA在tau表达调控和翻译后修饰（PTM）中的作用
微管相关蛋白Tau（Tau/MAPT）在神经元中高度表达，具有微管稳定功能。神经纤维缠结是AD的主要病理征象之一，由Tau（pTau）磷酸化过度引起。尽管pTau的起源尚不清楚，但它常常伴随着Aβ的积累而被观察到。ncRNA的一个子集促进激酶活性，从而导致pTau（图4a）。NEAT1被证明是miR-107的microRNA诱饵，miR-107在AD脑组织中下调。NEAT1的上调对应于miR-107活性的增加，并有助于Aβ表达、pTau和神经元死亡的增强。miRNA-124具有神经保护作用，这是由于在AD小鼠模型中BACE-1表达减少和Aβ分泌进一步减少所致。NEAT1也是miR-124的负调节因子，促进BACE-1的表达。因此，在AD小鼠模型中，NEAT1的上调与Aβ分泌和pTau均相关。此外，Tau上调可能增加pTau的频率，microRNA已被证明影响Tau水平间接调节pTau。miRNA-132/212通过直接靶向Tau mRNA调控三联转基因AD小鼠Tau的表达。miRNA-132/212的下调与GSK-3β介导的pTau增加有关。miRNA-106b靶向Fyn（Src家族酪氨酸激酶），进而调节Tau磷酸化，因此miRNA-106b的下调与Fyn上调和促进pTau形成有关。
ncRNA在AD相关凋亡调控中的作用
已知有许多ncRNA亚型调节AD神经变性所涉及的细胞通路（图4b）。SOX21的反义转录本（SOX21-AS）降低Frizzled 3/5（FZD3/5）介导的Wnt信号并触发氧化应激的产生。这种增加的氧化应激随后促进AD模型中海马神经元的凋亡。EBF3反义转录本（EBF3-AS）降低早期B细胞因子3（EBF3）mRNA表达，促进细胞死亡。在AD小鼠模型和Aβ处理的细胞中，EBF3-AS上调可促进细胞凋亡。NAT-RAd18是RAd18的反义转录本。在Aβ40治疗大鼠皮层神经元后，上调的NAT-RAd18通过降低RAd18的表达促进DNA损伤，导致皮层神经元死亡。在微量注射Aβ25-35的大鼠模型中，MEG3下调。外源性MEG3通过抑制PI3K/Akt信号通路和抑制海马神经元凋亡对神经元起到保护作用。MEG3还可以降低Aβ的表达，减轻氧化应激和炎症引起的损伤。利用AD的死后组织，研究人员发现NEAT1、HOTAIR和MALAT1都通过调控miR-15/107家族的表达来负调节CDK5R1/p35复合物并促进细胞死亡。
microRNA也与AD相关的凋亡有关。Bcl2是一种主要定位于线粒体的抗凋亡蛋白，其表达通过对抗caspase-9引发的凋亡来保护细胞活性。miRNA-34a通过直接靶向其3’UTR负调节Bcl2的表达。在AD转基因小鼠中，Bcl2下调导致caspase 3激活和神经变性。此外，miR-25直接靶向与海马神经元增殖相关的KLF2和Nrf2。给予Aβ42上调miR-25促进小鼠模型细胞死亡。在AD小鼠模型中，血红素氧合酶1（HMOX1）的上调与认知功能和miR183-5p的下调有关。在AD小鼠中，miR-873-5p过表达靶向HMOX1的mRNA并损害认知功能。因此，miR-873-5p被认为是中枢神经系统的保护因子。TGF-β信号通路在AD发病中起关键作用，miR-106b直接作用于TGF-β-II mRNA的3’UTR。miR-106b依赖的TGF-β信号降低Smad2/3和Smad6/7的磷酸化以促进APPswe/PSΔE9 AD小鼠的神经变性。Toll样受体（TLR）是一种天然免疫受体，已被证明能加速和传播脑源性因子引起的中枢神经系统损伤。在AD小鼠模型中，TLR7被细胞外let-7激活并促进神经变性。AD患者脑脊液中let-7含量高于正常人，因此miRNA let-7被认为是TLR7介导的AD损伤的重要激活因子。
图4 在AD发病机制中调节pTau和细胞死亡的ncRNA的细胞功能。
ncRNA在其他AD发病机制中的作用
Alu衍生RNA（P3Alu）激活视网膜色素上皮ERK1/2信号和NLRP3炎症小体的形成。其他Alu-RNA、BC200和NDM29也在AD发病过程中上调并参与信号传导。因此，Alu诱导的炎症可能促进神经变性。BDNF-AS是BDNF保守的非编码反义RNA转录本。BDNF-AS通过调节BDNF位点的H3K27me3并将EZH2募集到BDNF启动子区域来抑制BDNF转录。敲除BDNF-AS可恢复BDNF转录并促进神经轴突生长。由于NEAT1上调与AD的多种信号通路有关，因此它是AD的生物标志物和潜在的治疗靶点。
ncRNA在其他神经退行性疾病发病中的作用
额颞叶痴呆（FTLD）是一种常见的皮质性痴呆，发病年龄在65岁以前。大约一半的FTLD病例与TDP43包涵体有关，TDP43包涵体也是肌萎缩侧索硬化（ALS）的特征。因此，FTLD和ALS可归类为TDP43蛋白病。ALS和FTLD最常见的遗传原因是C9orf72突变，包括在内含子1中的六核苷酸重复扩增（HRE）GGGGCC（G4C2）。HRE-ncRNA以G-四链（G4）结构组装，通过分离RAN的GTPase激活剂（RANGAP1）破坏蛋白质的核导入，RANGAP1是RAN依赖性蛋白质/RNA核导入和核导出所必需的。在有HRE的细胞中观察到TDP43的细胞质积聚，可以通过破坏HRE-RANGAP1与TMPyP4的相互作用来挽救。HRE也可以通过随机非ATG启动的翻译转化为几种不同的毒性二肽，导致神经退行性病变。HRE翻译受CDC73/PAF1复合物（PAF1C）的调节，PAF1C是RNA聚合酶II的转录调节因子，这一机制能促进苍蝇和小鼠模型的神经变性。使用死后ALS/FTLD患者的组织，TDP43与snRNA U12和ncRNA Hsrw的上调相关，两者都与ALS/FTLD的神经变性有关。机制上，U12 snRNA和Hsrw的上调是由TDP43和转录延长因子ELL2之间的相互作用引起的。在FTLS-TDP/ALS死后组织中使用iCLIP，也表明NEAT1与TDP43和FUS/TLS相互作用。由于NEAT1是斑块形成的必要条件，NEAT1+斑块可能与ALS和FTLD的病因有关。在另一个例子中，核糖核酸酶-血管紧张素裂解从tRNA中产生tiRNA，这些tiRNA以G4结构组装，并通过置换mRNA帽结构中的eIF4F来抑制翻译。翻译抑制因子Y-box 1（YB-1）与tiRNA相互作用并被其稳定。这种相互作用导致应激颗粒的形成并促进运动神经元的退化。在ALS中，CCND1的反义转录本（ncRNACND1）通过向CCND1启动子区募集FUS/TLS并抑制CREB结合蛋白和p300组蛋白乙酰转移酶活性来抑制CCND1的转录。FUS/TLS错定位是FUS相关ALS亚型的一种表型，CCND1在DNA损伤反应中起重要作用。因此，ncRNACND1介导的CCND1下调与FUS相关ALS细胞模型中的DNA损伤和凋亡有关。
此外，在FUS-P517L ALS小鼠模型中发现了失调的ncRNA（Lhx1as、lncMN-1和lncMN2），但其结果尚不清楚。CircRNA在来源于ALS-iPSC的FUS突变细胞和运动神经元中也是失调的，但是这些CircRNA的功能作用仍然不清楚。在ALS患者的样本中，ncRNA的表达谱揭示了ALS的发病机制是如何根据疾病的遗传基础而变化的。在FUS突变患者中，PAXBP-AS是PAX3/PAX7结合蛋白（PAXBP）的反义转录本，PAXBP是调节染色体结合的转录因子。PAXBP-AS对PAX3/7通路的调节参与了FUSALS的形成。在ALS-TDP43患者中，与健康受试者相比，SNAP25-AS下调。由于SNAP25调节突触囊泡加工和轴突修复，这些细胞过程可能受到ALS运动神经元TDP43突变的负面影响。在ALSSOD1中，线粒体肌酸激酶（MtCK）及其反义转录本（CKMT2-AS）与线粒体功能障碍和随后的运动神经元变性有关。在散发性ALS中，IER3-AS通过促进NF-κB的表达参与调节细胞存活，NF-κB对凋亡的调节在散发性ALS中是重要的。ZBTB11-AS可能参与DNA结合和转录调控，这是基于其靶靶向ZBTB11的功能。尽管上述反义转录本的功能影响尚不清楚，但相应的sense-RNA参与的调控途径为研究ALS的致病机制提供了起点。
microRNA也参与ALS的发病机制。胞质神经纤维聚集是ALS的一个主要特征，而失调的神经丝蛋白可能是ALS的潜在诊断生物标记物。在ALS脊髓组织中检测到神经纤维三联体M蛋白（NEFM）和神经纤维三联体H蛋白（NEFH）的上调。NEFM被miR-92a-3p和miR-125b-5p降低，NEFH 3’UTR被miR-124-3p、miR-92a-3p、miR-20b-5p和miR-223b-3p靶向，miRNA的下调改变了神经纤维表达，导致ALS中致病性聚集物的形成。肿瘤抑制基因NDRG2和miR-375-3p在携带Vps54突变的散发性ALS小鼠模型中表达失调。上调的NDRG2增加活性氧的形成并促进p53的活性。有趣的是，miR-375-3p对p53的靶向性不足导致NDRG2和活性氧生成的上调。在FUSP525L运动神经元中，miR-375通过靶向p53和ELAVL4保护运动神经元免于凋亡。重要的是，一些研究表明，在ALS/FTLD实验模型中，小RNA可以改变寿命。例如，AAV介导的miR17-92簇的表达延长了SOD1G93A小鼠的寿命。该miRNA簇以E3泛素连接酶为靶点，调节PTEN的泛素化，从而确定蛋白质的亚细胞位置。通过这种机制，miR17-92能够调节ALS中运动神经元的脆弱性。在另一个例子中，抑制miR-155（在ALS啮齿动物模型和患者脊髓中上调），主要通过阻断miR-155在小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元中的功能来提高SOD1G93A啮齿动物模型的存活率。在ALS-SOD1G93A啮齿动物模型中的另一项研究表明，miR-155调节小胶质细胞生存基因的表达，包括P2ry12、Tmem119、Olfml3、Egr1、Atf3、Jun、Fos、Mafb和Tgfbr1。miR-155反义寡核苷酸成功地抑制了脊髓和脑miRNA的功能，提高了存活时间，提示miR-155可能是ALS可行的治疗靶点。此外，microRNA可能在细胞外小泡中转运，并可能将致病因子传播到邻近细胞。在ALS中，上调miR-218从运动神经元向邻近的星形胶质细胞转运，足以下调EAAT2。用反义寡核苷酸阻断miR-218可挽救EAAT2的表达，减轻小鼠脑星形胶质细胞增生。运动神经元和肌肉组织之间的神经肌肉突触是运动神经元和肌肉功能所必需的。miR-206的外源表达通过调节组蛋白去乙酰化酶4的表达和成纤维细胞生长因子的信号传导减缓ALS的进展。针对运动神经元损伤，miR-206可以促进神经肌肉突触的代偿反应，并恢复神经肌肉连接的功能。脊髓性肌萎缩症（SMA）是一组由基因突变引起的神经肌肉疾病，影响运动神经元的存活。U1 snRNA（U1）是调节前mRNA剪接的关键，其变异snRNA（vU1）与U1表达呈负相关。与健康对照组相比，SMA-iPSC来源的运动神经元vU1/U1比例失调。SMA受试者中也观察到vU1 snRNA上调，因此vU1可能参与SMA的发病机制。脊髓小脑共济失调2型（SCA2）是由共济失调2型（ATXN-2）的CAG扩增引起的。有趣的是，具有CAG重复序列的ATXN2-AS转录本形成RNA病灶，诱导小脑Purkinje细胞caspase3/7依赖性凋亡。
总的来说，越来越多的研究表明ncRNA在许多类型的痴呆症和低运动神经元疾病中有助于神经退行性病变。因此，基于ncRNA的治疗可能有可能改善寿命和疾病症状。已知参与上述疾病的ncRNA汇总在表4中。尽管目前还没有有效的药物治疗这些疾病，但动物模型的研究结果有望为未来的治疗发展提供潜在的靶点。
表4 其他神经退行性疾病中的ncRNA和相关过程
总结与展望
越来越多的证据表明ncRNA在中枢神经系统中起着重要的作用，并调节神经退行性病变。研究人员总结了最近的研究，阐明了ncRNA在神经退行性疾病中的不同作用，包括HD、PD、AD、ALS、FTLD、SCA2和SMA。基于ncRNA的神经退行性疾病治疗方法的发展可能代表了一种新的、潜在有效的治疗策略，这也可能进一步加深研究人员对ncRNA生物学的理解。最近关于神经退行性疾病中ncRNA的研究主要集中在作为诱饵的miRNA和/或转录调节因子。系统生物学和生物信息学的方法将需要解开更广泛的ncRNA和复杂的RNA网络在每个疾病状态中的功能作用。此外，通过新技术，如单细胞测序和空间转录组测序，可以获得对RNA表达的空间背景有价值的见解。最后，可以开发新的药物递送技术，有效地将ncRNA靶向特定区域。例如，寡核苷酸修饰可用于改善基于RNA的药物的靶向性和药代动力学。尽管ncRNA的二级结构可能是其作为药物开发的一个障碍，但化学修饰的类似物可以用来克服这一限制。希望基于ncRNA的治疗有一天能成为预防毁灭性神经退行性疾病患者发病和延长生存期的新药。
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