综述：超越垃圾DNA：非编码RNA在癌症与治疗创新中的新兴作用

《Biomolecules》：Beyond Junk DNA: Emerging Roles of Non-Coding RNAs in Cancer and Therapeutic Innovation

　　

非编码RNA（ncRNAs）是人类基因组中最大的一类调控分子，约占转录本总数的98%，曾被视为“转录噪声”。本综述将聚焦于非编码RNA（ncRNAs）在癌症生物学与治疗创新中新发现的功能。研究人员综述了关于微小RNA（miRNAs）、长链非编码RNA（lncRNAs）和环状RNA（circRNAs）的现有知识，结合其不同的实验和计算研究，并强调了它们在癌症标志特征中的作用机制，如增殖、凋亡抵抗、转移和代谢重编程。研究人员通过检查进行中及已完成的临床试验、递送方法和新兴技术，评估了基于ncRNA的治疗方法的转化前景。本综述旨在区分事实与虚构，提供关于事实的平衡观点，这将有助于指导ncRNA肿瘤学领域的未来研究和临床开发。

1. 引言
下一代测序（NGS）技术揭示，真核生物基因组中高达90%被转录，但仅1.5%至2.0%的转录本编码蛋白质，其余主要为非编码RNA（ncRNAs）。早期对ncRNA功能相关性的质疑源于“转录噪声”假说，但后续证据确立了ncRNAs作为多种细胞过程关键调控因子的地位。ncRNAs根据长度、基因组位置和功能机制分类：小ncRNAs（<200 nt）包括miRNAs、siRNAs和piRNAs，介导转录后基因沉默；长链非编码RNA（lncRNAs；>200 nt）和环状RNA（circRNAs）通过染色质重塑、转录调控和蛋白质隔离等机制参与调控网络。结构ncRNAs包括核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA）、端粒RNA、小核RNA（snRNAs）和小核仁RNA（snoRNAs），分别参与蛋白质合成、端粒保护、mRNA前体加工和rRNA加工。调控ncRNAs包括微小RNA（miRNAs）、piwi相互作用RNA（piRNAs）、短干扰RNA（siRNAs）、环状RNA（circRNAs）和lncRNAs，广泛参与表观遗传调控、直接转录控制、miRNA海绵活性、mRNA稳定性调节和蛋白质相互作用。这些调控ncRNAs的异常表达与疾病发生和进展密切相关，常位于基因组中的“脆弱位点”或致病基因座。铁死亡是一种由脂质过氧化驱动的铁依赖性调节性细胞死亡形式，是癌症治疗的新兴靶点，ncRNAs通过调节铁代谢、脂质过氧化和抗氧化防御相关基因（如SLC7A11、GPX4、ACSL4）来调控铁死亡。ncRNAs具有独特的结构特征：miRNAs表达为保守的发夹前体，circRNAs为共价闭合环状结构，对核酸外切酶具有抗性，lncRNAs折叠成复杂的二级结构如G-四链体和三螺旋。技术进展如单细胞RNA-seq和空间转录组学进一步揭示了ncRNAs的细胞类型特异性和亚细胞定位依赖性功能。lncRNA研究领域自1984年发现首个真核lncRNA H19以来显著发展，1991年发现首个功能性lncRNA Xist介导X染色体失活。随后，MALAT-1、ANRIL、HOTAIR等lncRNA被鉴定为癌症转移预测因子或肿瘤抑制因子。2025年，N6-甲基腺苷（m6A）修饰在RNA代谢和癌症进展中发挥关键作用，影响ncRNA的表达和功能。本综述具有三个特色：（1）整合多组学视角，从转录组学、表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学构建ncRNA调控网络；（2）系统性评估47项临床试验，客观分析治疗方式、递送策略和临床结果；（3）提供批判性平衡分析，区分已确立机制和新假设。

2. ncRNAs的分类与生物发生
ncRNAs的分类基于长度、功能和基因组位置。结构ncRNAs（rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA）与调控ncRNAs（miRNA、siRNA、piRNA、lncRNA、circRNA）被区分。
2.1. LncRNAs（长链非编码RNA）
LncRNAs是长度超过200 nt的转录本，不产生功能性蛋白质，但少数可编码功能性肽段。它们序列保守性和表达水平均较低，存在于所有亚细胞区室，通过调控蛋白质修饰、染色质重塑、蛋白质活性和RNA代谢发挥多种调控功能。大多数lncRNAs被多聚腺苷酸化，由多个外显子剪接而成，由RNA聚合酶II转录，起始于组蛋白H3第4位赖氨酸三甲基化（H3K4me3）。LncRNAs参与基因表达、基因组印记、剂量补偿、染色质修饰、凋亡调控、可变剪接、细胞分化和细胞周期等生物过程，在疾病起始和癌变中发挥重要作用。LncRNAs可分为长链基因间ncRNAs（lincRNAs）、内含子编码转录本（incRNAs）和天然反义转录本（NATs）。与线性lncRNAs不同，circRNAs通过反向剪接生成，具有共价闭合环状结构，无5^′帽或3^′ poly(A)尾，对核酸外切酶降解具有抗性，被视为独立拓扑类别。
2.2. MicroRNAs（微小RNA）
MicroRNAs是长度为18-25核苷酸的单链内源性调控ncRNAs。它们由RNA聚合酶II转录为初级miRNA（pri-miRNA），经加工和转运至细胞质形成前体miRNA（pre-miRNA），最终生成成熟miRNA。成熟miRNA通过与靶mRNA的3^′未翻译区（UTR）完全或部分碱基配对，抑制翻译或促进mRNA降解，从而沉默基因表达。miRNAs在体液中高度稳定，被认为是肿瘤诊断和预后的生物标志物。1993年发现首个miRNA（lin-4），2000年发现let-7，2002年发现miR-15a和miR-16-1在慢性淋巴细胞白血病中频繁缺失。
2.3. Circular RNAs（环状RNA）
CircRNAs是具有闭合环状结构的ncRNA分子，无5^′帽或3^′ poly(A)尾，高度稳定，对核酸酶降解具有抗性。根据来源和功能分为外显子来源circRNAs（ecircRNAs）、内含子来源circRNAs（ciRNAs）和外显子-内含子杂合circRNAs（EIciRNAs）。CircRNAs可作为miRNA海绵、结合RNA结合蛋白（RBPs）、调控转录或编码蛋白质。其生物发生主要通过反向剪接，包括套索驱动环化、外显子跳跃和反向剪接、侧翼内含子互补配对。
2.4. Small Interfering RNAs (siRNAs)（短干扰RNA）
SiRNAs是长度为21-23核苷酸的双链RNA分子，通过RNA干扰（RNAi）途径发挥作用。双链RNA被Dicer酶切割为siRNAs，与Argonaute（Ago）蛋白结合形成RNA诱导沉默复合体（RISC），引导链识别互补mRNA，Ago蛋白切割并降解mRNA，从而沉默基因表达。通过设计特异性siRNA可研究肿瘤相关基因在肿瘤发生和进展中的作用。

3. 非编码RNA在癌症中的机制
3.1. ncRNA介导的表观遗传调控
NcRNAs通过招募染色质修饰复合物、调控DNA甲基化机制和组蛋白修饰模式来调节表观遗传景观。已确立机制包括lncRNA引导的PRC2招募（HOTAIR、ANRIL）和miRNA介导的DNMTs靶向（miR-29家族）。新兴假设包括circRNA介导的染色质可及性调控和ncRNA在三维基因组组织中的作用，需进一步验证。
3.1.1. ncRNAs在癌症中的调控机制
NcRNAs通过四种主要分子机制参与癌症发展：染色质重塑（如HOTAIR和ANRIL结合染色质修饰复合物）、转录调控（通过转录因子和RNA聚合酶II）、转录后加工（miRNA与靶mRNA的3^′ UTR结合）和信号转导（作为分子支架组装信号复合物）。
3.1.2. miRNAs在染色质重塑中的调控机制
MiRNAs通过靶向关键染色质修饰酶和转录因子调控染色质重塑。例如，miR-29靶向DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B，miR-101抑制EZH2表达，调节H3K27me3水平。MiRNAs还可通过靶向组蛋白甲基转移酶（HMTs）或组蛋白去乙酰化酶（HDACs）直接修饰染色质结构，如miR-26a和miR-101抑制PRC2催化亚基EZH2，miR-128家族靶向SUZ12和BMI1。此外，miRNAs可通过靶向转录因子间接调控染色质重塑复合物的招募，如miR-200家族下调ZEB1/ZEB2。LncRNA如HOTAIR与染色质修饰复合物协同作用，而miRNA（如miR-7、miR-206）可抑制HOTAIR表达。DNA甲基化-miRNA反馈循环中，miRNAs通过靶向DNMTs控制DNA甲基化与组蛋白修饰的平衡。
3.2. 转录和转录后控制
3.2.1. miRNA介导的癌基因和肿瘤抑制因子调控
MiRNAs在肿瘤发展中发挥双重调控作用，靶向癌基因（如MYC、KRAS）或肿瘤抑制因子（如PTEN、TP53）。转录凝聚体通过液-液相分离（LLPS）动态调控基因转录，miRNA通过影响mRNA稳定性和翻译效率进一步精细调控。例如，miR-21通过抑制PTEN和PDCD4促进细胞增殖和侵袭，miR-221/222通过靶向p27^Kip1和ERα促进乳腺癌耐药。miR-15a/16-1簇在慢性淋巴细胞白血病中缺失，导致BCL2去抑制。let-7家族靶向RAS和HMGA2，抑制肺癌细胞增殖。反馈循环和表观遗传调控中，miRNA和表观遗传修饰形成双向调控网络，如miR-203在慢性髓系白血病中因ABL1活性被超甲基化沉默。
3.2.2. CircRNAs海绵miRNAs或RNA结合蛋白
CircRNAs可作为竞争性内源RNA（ceRNAs），通过结合miRNA响应元件（MREs）海绵miRNA，或结合RBPs调控其定位、稳定性和活性。例如，ciRS-7（CDR1as）含有超过70个miR-7结合位点，释放EGFR、RAF1和IRS2，激活PI3K/AKT和MAPK通路。circHIPK3海绵miR-124和miR-29b，circCCDC66同时结合miR-33b和miR-93，激活Wnt/β-catenin通路。CircRNA-RBP相互作用方面，circFoxo3结合CDK2和p21^Cip1阻断细胞周期进程，circANRIL结合PES1引起核仁应激和p53激活。核定位的EIciRNA-EIF3J与U1 snRNP和RNA聚合酶II结合促进转录延伸。
3.3. 信号转导与肿瘤微环境
3.3.1. ncRNAs调控Wnt/β-catenin、PI3K/AKT和NF-κB通路
NcRNAs直接或间接调控这些关键信号通路。Wnt/β-catenin通路：miR-34靶向β-catenin，miR-200家族靶向Frizzled受体（FZDs），lncRNA CCAT2和ciRS-7作为ceRNA海绵负调控miRNA。PI3K/AKT通路：miR-126和miR-145靶向PI3K亚基或AKT，miR-21通过靶向PTEN激活信号，HOTAIR和circRNA_001569通过ceRNA机制调控。NF-κB通路：miR-146a和miR-155调控上游激活因子IRAK1和TRAF6，lncRNA NKILA直接结合NF-κB复合物阻止其核转位，circRNAs通过海绵miR-155或miR-146a精细调控炎症信号。
3.3.2. 外泌体ncRNA在细胞间通讯中的作用
外泌体携带ncRNA从肿瘤细胞转移至微环境，激活PI3K/AKT和Wnt/β-catenin信号通路，调控肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、髓源性抑制细胞（MDSCs）和T细胞，促进免疫逃逸。外泌体ncRNAs激活基质金属蛋白酶（MMPs），促进血管生成，通过Snail和ZEB调控因子诱导上皮-间充质转化（EMT）。外泌体ncRNAs作为液体活检生物标志物具有潜力，阻断外泌体生物发生或改变其ncRNA含量可破坏肿瘤微环境串扰。
3.4. 代谢重编程
NcRNAs直接靶向代谢酶mRNA、支架代谢酶复合物，并通过表观遗传酶调节代谢辅因子，积极参与糖酵解（Warburg效应）、谷氨酰胺成瘾和脂质合成。
3.4.1. 糖酵解的ncRNA调控网络
MiRNAs作为分子开关双向调控糖酵解：miR-21通过抑制PTEN激活GLUT1转录并稳定HK2 mRNA，miR-34a抑制c-Myc减少GLUT1和HK2表达，miR-16-5p结合PDK4促进乳酸产生，miR-122抑制LDHA。LncRNAs作为分子枢纽：H19形成G-四链体增强PKM2四聚化，MALAT1通过海绵miR-32-5p和结合VDAC1维持糖酵解。CircRNAs作为海绵调控因子：circHIPK3海绵miR-487a-3p释放GLUT1和HK2抑制，并招募RNA聚合酶II至GLUT1启动子协同c-Myc增强转录。
3.4.2. 谷氨酰胺分解的ncRNA调控机制
MiRNAs调控谷氨酰胺转运和谷氨酰胺酶（GLS）亚型：miR-15a-5p靶向转运体SLC1A5（ASCT2），miR-23a/b调控hnRNPA1改变GLS剪接。LncRNAs作为方向性调控因子：GACAT3促进GLS1转录，CCND2-AS1连接GLS2与PRPS1将谷氨酰胺导向嘌呤合成。CircRNAs作为谷氨酰胺应激反应传感器：circZNF609海绵miR-145-5p并结合SP1促进GLS1转录，产生α-酮戊二酸（α-KG）通过JMJD3去甲基化H3K27me3促进染色质可塑性和生存。
3.4.3. 脂质代谢的ncRNA调控网络
MiRNAs核心调控脂肪酸代谢：miR-33a/b靶向SREBP-1c和FASN抑制从头合成，miR-122靶向CD36和CPT1A抑制脂肪酸摄取和β-氧化，p53诱导的miR-192-5p靶向SCD1。LncRNAs作为时序控制枢纽：LIPCAR促进CD36膜定位增强脂肪酸摄取，ADAMTS9-AS1通过茎环结构结合ABCA1抑制胆固醇输出。CircRNAs通过结构特异性重塑：circFASN竞争性抑制FASN-ACC复合物形成，降低脂肪酸合成效率。
3.5. ncRNAs作为细胞稳态和应激反应的整合因子
NcRNAs协调凋亡、自噬、细胞周期检查点和DNA损伤反应。凋亡和自噬：miR-34a靶向BCL-2和CDK6诱导凋亡，同时抑制ATG4B激活自噬；lncRNA MEG3结合MDM2增强p53依赖性凋亡信号；lncRNA HULC和circRNA-FOXO3通过海绵miRNA稳定MCL-1抑制凋亡。细胞周期和DNA损伤反应（DDR）：let-7靶向细胞周期蛋白和CDKs，miR-221/222抑制p27^Kip1和p57^Kip2促进G1/S转换；lncRNA NORAD作为SFPQ海绵防止DDR基因异常抑制。氧化和缺氧应激：HIF-1α诱导缺氧响应ncRNAs，如lncRNA HIF1A-AS2稳定HIF-1α mRNA，miR-210靶向SDHD转向糖酵解，circRNA-000203海绵miR-26b-5p增强纤维化。
3.6. 非编码RNA在癌症中的双重作用
NcRNA的功能具有时空可塑性，取决于细胞类型、肿瘤分期、微环境和亚细胞定位。细胞类型依赖性：miR-29b在AML中是肿瘤抑制因子，但在乳腺癌中促进转移。肿瘤分期和微环境：外泌体miR-21在早期抑制结直肠癌起始，在晚期诱导M2巨噬细胞表型促进转移。亚细胞定位：核MALAT1调控可变剪接，细胞质MALAT1海绵miR-101；circFOXO3在细胞质中抑癌，在核中促生长。治疗意义：双重性使ncRNA成为具有挑战性的靶点，需要肿瘤亚型特异性和区室特异性递送策略。表3总结了关键ncRNA的分子机制、功能背景和临床转化状态，强调miR-34a和let-7是开发最成熟的治疗类别，但受免疫相关毒性限制；lncRNAs多处于临床前阶段；circRNAs和siRNAs仍处于早期。

4. 治疗创新：从分子到临床
4.1. ncRNA治疗的递送策略
安全高效的递送系统对ncRNA治疗的临床转化至关重要。脂质纳米颗粒（LNPs）是临床最先进的平台，通过静电相互作用保护治疗性寡核苷酸并促进内体逃逸。N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）缀合通过肝脏靶向实现高效递送，已用于FDA批准的siRNA药物。内源性细胞外囊泡（外泌体）具有低免疫原性和穿越生物屏障能力，但存在可扩展性和标准化问题。适配体通过与细胞特异性靶标结合实现靶向递送。化学修饰（如2'-O-甲基化、2'-氟、硫代磷酸酯骨架）提高核酸酶抗性，但可能增加免疫原性。递送载体（如阳离子脂质）可能诱导炎症反应和肝毒性。表4总结了所有已知的ncRNA靶向治疗临床试验，包括MRX34（miR-34a模拟物，因免疫相关不良事件终止）、cobomarsen（miR-155反义寡核苷酸，显示靶点参与和初步临床活性）。临床转化面临四大挑战：稳定性和免疫原性、组织特异性和生物分布、脱靶效应和序列同源性、生产和成本。新兴策略包括工程化外泌体（如iRGD肽修饰）、CRISPR/Cas13d系统用于转录组编辑，以及人工智能（AI）引导的脱靶效应预测和化学修饰优化。
4.2. 人工智能在ncRNA治疗设计中的应用
AI在ncRNA治疗设计中快速扩展，机器学习算法（如深度神经网络和Transformer架构）用于优化ASO/siRNA序列、预测脱靶效应和设计化学修饰。AlphaFold扩展和RNA折叠模型（如RNA结构预测模型）为结构引导设计铺平道路。AI在预测miRNA-靶标相互作用、优化LNA/2'-F修饰模式、设计靶向纳米递送系统和整合多组学数据识别患者亚群方面展现出潜力，但仍需实验验证、深度学习模型可解释性和数据集标准化。

5. 结论
NcRNAs是癌症系统的层级协调因子，跨越表观遗传、转录、转录后、信号和代谢水平。未来十年三大优先事项：情境映射（ncRNA功能如何随肿瘤分期和微环境变化）、机制整合（ncRNA指导的染色质重塑、代谢重编程和免疫逃逸如何协同维持肿瘤异质性）和临床可行性（递送技术能否在肿瘤特异性调控ncRNA同时避免全身毒性）。从“垃圾DNA”到可操作的靶点，但仍需从描述性目录转向定量、基于情境和临床导向的框架。