基因與基因體學 科學報導

lncRNA 調控動脈粥狀硬化中膽固醇的傳送與堆積

  動脈粥狀硬化 (atherosclerosis) 是一種動脈遭斑塊 (plaque) 阻塞的疾病。因為脂肪和膽固醇堆積與內皮增生而產生的動脈阻塞,可能導致局部缺血、中風、心肌梗塞或死亡。通常認為動脈粥狀硬化的起因是低密度脂蛋白 (low density lipoprotein, LDL) 在充氧血管中氧化為氧化低密度脂蛋白 (oxidized LDL, OxLDL) 後,巨噬細胞 (macrophage) 會吞噬 OxLDL 並於胞內囤積產生油滴。這些形成大量油滴囤積的巨噬細胞會轉化為泡沫細胞 (foam cell) 並聚集在動脈內皮細胞周圍。大量聚集泡沫細胞會導致周遭組織的發炎反應 (inflammation),隨著細胞大量浸潤與內皮細胞的增生,脂肪、免疫細胞、內皮細胞、死亡細胞、膠原蛋白 (collagen) 混雜組合,最終形成動脈粥狀硬化斑塊 [1]。

  體內由肝臟製造的載脂蛋白 (apolipoprotein A1, ApoA1) 是血清中高密度脂蛋白 (high density lipoprotein, HDL) 的主要成分,也是清除動脈斑塊的重要成份。在動脈粥狀硬化的模型中,ApoA1 經過動脈中的斑塊時會接合泡沫細胞上的轉運蛋白 ABCA1 [註],同時接收由泡沫細胞傳出的膽固醇。透過 ApoA1 的包裹與運送,能將膽固醇由泡沫細胞中移除,並運送至肝臟做進一步的處理。也因此,泡沫細胞如何調控 ABCA1 的表現成為重要的問題 [1]。

  • 註:ABCA1 (ATP-binding cassette transporter A1),亦被稱為 CERP (cholesterol efflux regulatory protein)。

  ABCA1 是細胞中調控磷脂質與膽固醇動態平衡 (homeostasis) 的重要轉運蛋白。在過去的研究中,科學家已經了解巨噬細胞中的肝 X 受體 (liver X receptor, LXR) 在受到膽固醇刺激後能提升 ABCA1 的表現量,協助運出胞內囤積的膽固醇。LXR 能夠偵測胞內的膽固醇含量,並直接促進與膽固醇處理相關的基因之轉錄作用。然而一直令科學家不解的是,同樣在膽固醇與脂質囤積的巨噬細胞及肝臟中有不同的 ABCA1 表現量。如果 ABCA1 直接受到 LXR 的調控,為何一樣的 LXR 刺激會導致不同的 ABCA1 表現?

  為了回答這個問題, Tamer Sallam 與他的團隊 [2] 透過分析 LXR 刺激下的小鼠腹腔巨噬細胞的轉錄體,找到了 Abca1 基因下游不遠處的一段 long none-coding RNA (lncRNA) 會在 LXR 刺激時產生,並將之命名為 MeXis (macrophage-expressed LXR-induced sequence)。這一段 MeXis 序列只能在 LXR 刺激下的巨噬細胞中發現,而不會在肝臟中表現。當 MeXis 被基因剔除 (knockout) 時,可以觀察到巨噬細胞 Abca1 mRNA 表現量的下降,同時 ApoA1 的膽固醇運送量也降低。相對而言,當 MeXis 被穩定的過量表現時,Abca1 的表現量也會顯著提升。有趣的是,LXR 調控的下游基因僅有 Abca1 受到 MeXis 的存在的調控,顯示 Abca1 是 MeXis 的特定調控目標。

  在 MeXis -/- 的基因剔除鼠中可以發現,僅有巨噬細胞降低膽固醇的輸出量,且囤積在胞內的膽固醇比控制組多,但肝臟卻不會。進一步透過病毒強迫肝臟細胞表現 MeXis 的話,也能觀察到 Abca1 的表現量上升,說明 Abca1 的表現倚賴 MeXis 存在與否的調控,這也是巨噬細胞能夠有別於肝臟細胞表現 ABCA1 的原因。在動脈粥狀硬化的小鼠模式 (Ldlr -/-) 中,移植 MeXis -/- 的骨隨能夠比控制組的骨髓移植觀察到更多的發炎現象,也會有更多的巨噬細聚集於動脈硬化斑塊處。

  進一步的實驗發現,MeXis 會協助帶領細胞核中的 DDX17 (probable ATP-dependent RNA helicase DDX17, p72) 靠近 Abca1 的基因位置,並增加 Abca1 的轉錄量。這些現象並非只能在小鼠模型中發現,在人類的細胞分析中也可以觀察到類似的系統。大規模的人類基因組分析中也可以發現類似 MeXis 的轉錄片段中,單一核甘酸差異的基因多型性 (single nucleotide polymorphism, SNP) 與心血管疾病相關。

  這些研究顯示 lncRNA 在動脈粥狀硬化中扮演了調控泡沫細胞之膽固醇運出的重要角色(泡沫細胞由巨噬細胞所形成)。雖然以上的結果並不能完全解釋在 LXR 刺激下 ABCA1 在不同細胞中表現量的差異,但卻是首次將 lncRNA 帶入調控機制的討論中,將來也有望成為動脈粥狀硬化的治療關鍵 [3]。

圖片說明:巨噬細胞在不同時期的動脈粥狀硬化都扮演重要的角色,從初期的發炎開始,到後期被壞死細胞激發,都與巨噬細胞誘發的發炎與促進的複雜免疫反應有關。如果出現嚴重的血栓,將會與動脈硬化共同造成急性動脈阻塞。 圖片來源:Moore, K., & Tabas, I. (2011). Macrophages in the Pathogenesis of Atherosclerosis. Cell, 145(3), 341-355. doi:10.1016/j.cell.2011.04.005

參考文獻:

  1. Moore, K., & Tabas, I. (2011). Macrophages in the Pathogenesis of Atherosclerosis. Cell, 145(3), 341-355. doi:10.1016/j.cell.2011.04.005
  2. Sallam, T., Jones, M., Thomas, B. J., Wu, X., Gilliland, T., Qian, K., … Tontonoz, P. (2018). Transcriptional regulation of macrophage cholesterol efflux and atherogenesis by a long noncoding RNA. Nature Medicine24(3), 304-312. doi:10.1038/nm.4479
  3. Fernández-Ruiz, I. (2018). Atherosclerosis: A new role for lncRNAs in atherosclerosis. Nature Reviews Cardiology15(4), 195-195. doi:10.1038/nrcardio.2018.18

撰文|蔡宗霖
審稿|藍冠鈞

About the author

蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在後天免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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