非編碼 RNA（ncRNA）是指不通過編碼蛋白質發揮功能的RNA，研究較多的非編碼RNA包括lncRNA、miRNA、circRNA等。近日Cell期刊中發表了一篇關于ncRNA的綜述，題為”Small and long non-coding RNAs: Past, present, and future[1]”,詳細說明了兩種常見的非編碼RNA（lncRNA和miRNA）的研究歷程、作用方式等進行了詳細描述，包括對小RNA作為轉錄后阻遏因子的作用機制，以及以XIST、NEAT1等為例說明了lncRNA的順式反式調控，以及與RNA結合蛋白 （RBP）的相互作用等調控方式。作者認為，盡管小RNA的研究在近30年來已取得了豐富的研究結果，但關于新的ncRNA的種類、修飾以及在單分子和高分辨率水平上的研究一定會帶來其他激動人心的研究成果。

本期為各位老師帶來一篇關于小RNA及lncRNA研究的高分經典案例解讀，希望能為各位老師后續研究激發新的研究思路~

中文題目：Klotho衍生肽1通過轉錄后調控恢復Klotho表達抑制纖維化腎臟細胞衰老

英文題目：Klotho-derived peptide 1 inhibits cellular senescence in the fibrotic kidney by restoring Klotho expression via posttranscriptional regulation[2]

合作單位：南方醫科大學

發表期刊：Theranostics?

影響因子：12.4

百邁客生物為該研究提供了miRNA測序服務。

研究背景

慢性腎病（CKD）是一種持續 3 個月以上的腎功能不全病癥，特征通常是細胞衰老增加、表觀遺傳重編程、持續的成纖維細胞活化和持續的細胞外基質（ECM）產生，與老年腎臟存在很多相似之處，因此，CKD現在被認為是一種腎臟過早和加速衰老的狀態。抗衰老蛋白 Klotho 屬于由α和β亞型組成的單跨膜蛋白小家族，腎損傷會導致Klotho表達下調，Klotho 缺乏可導致高磷血癥、腎小管細胞衰老和腎纖維化等，進一步加速 CKD的進展，因此Klotho 被認為是腎臟疾病診斷和預后的潛在生物標志物和治療靶點。

然而由于Klotho 是一種大型跨膜蛋白，臨床生產成本高且難度大，因此作者團隊在前期報道了Klotho衍生肽1（KP1） 的發現，可通過結合TGF-β 受體2（TβR2） 并抑制 TGF-β/Smad3 信號轉導來減輕腎纖維化，且生產上會更便捷經濟，有可能替代 Klotho 進行臨床轉化，為了進一步研究 KP1 在保護腎臟中的作用，作者在本篇研究中檢查了其對細胞衰老的影響。

材料方法

材料：8-10周齡雄性C57BL/6小鼠假手術組（sham）、單側缺血再灌注損傷（UIRI）組別小鼠和治療組別小鼠（UIRI + KP1）共三組小鼠腎臟組織；

方法：miRNA測序+雙熒光素酶報告基因檢測+RNA 熒光原位雜交等

研究結果

WB檢測了許多細胞衰老標志物如p21、p16和γ-H2AX的表達，結果表明了UIRI 誘導纖維化腎中對應標志物的表達，而KP1明顯消除了這種誘導。此外針對其內源Klotho 的檢測也證明UIRI 導致腎臟中Klotho 的丟失而KP1在很大程度上恢復了它們的表達，單側輸尿管梗阻（UUO）誘導的 CKD 模型以及體外細胞模型中也出現了類似的結果，此外，UIRI 還導致 Klotho mRNA 的顯著下調。然而，KP1 不影響 Klotho mRNA 的穩態水平，說明KP1通過獨立于轉錄調控的機制誘導 Klotho。

此外，通過流式細胞術進行的細胞周期分析表明，TGF-β1 孵育后的衰老原代腎小管細胞停滯在 G1 期，這被 KP1 處理抵消，證明了KP1阻斷細胞衰老的能力，而在可以阻斷新mRNA合成的放線菌素D（ActD）存在下與 TGF-β1 孵育后 12 小時和 24 小時，KP1 不會影響 Klotho mRNA 水平，進一步證實了 KP1 誘導 Klotho 蛋白表達而不影響其mRNA和蛋白質穩定性。

由于 KP1 不影響 Klotho mRNA 水平和蛋白質穩定性，作者開始探索 KP1 是否通過miRNA調節 Klotho 蛋白，在 UIRI 腎臟中鑒定到了68個上調miRNA，在注射 KP1 后恢復到基線，其中 10 個與 Klotho mRNA 的 3′-UTR 特異性結合，其中miR-223-3p表現非常明顯，且在對公共轉錄組數據集分析后發現，miR-223-3p 與 Klotho 水平呈負相關，支持了 miR-223-3p 與 Klotho 調節的相關性。

為了證實 miR-223-3p 在 Klotho 表達中的調節作用，作者進行了雙熒光素酶報告基因測定，轉染 miR-223-3p 模擬物降低了含有野生型未突變型 Klotho mRNA 序列的報告基因的熒光素酶活性，表明 miR-223-3p 可以特異性靶向 Klotho mRNA，抑制其活性，用miR-223-3p轉染HK-2細胞進一步證明miR-223-3p抑制 HK-2 細胞中 Klotho 蛋白的表達。體內模型原位雜交驗證了miR-223-3p 在 UIRI 腎腎小管上皮中被誘導，而KP1抑制了miR-223-3p表達，結合免疫熒光染色結果證明了KP1 可以通過在體內抑制 miR-223-3p 來恢復 Klotho 表達，在體外的HK-2 細胞中的miR-223-3p及其拮抗劑轉染實驗也呈現出了相同的結果。

為了進一步驗證實驗結果，作者對小鼠模型靜脈注釋miR-223-3p 表達質粒和 KP1構建體內表達模型，結果顯示，miR-223-3p 的過表達加劇了 p16 、 γ-H2AX 、纖連蛋白、 I 型膠原和 α-SMA 的表達，所有這些都被 KP1 抑制，而miR-223-3p拮抗素的注射同樣消除了 UIRI 小鼠中的 p21、p16 和 γ-H2AX、纖連蛋白、膠原蛋白 I 和 α-SMA，恢復了腎功能。而 KP1、SB431542 （TβR1/2 抑制劑） 和 SIS3 （p-Smad3 抑制劑） 處理 TGF-β1 刺激的 HK-2 細胞結果進一步闡明了，KP1 通過阻斷 TGF-β1/Smad3/miR-223-3p 信號傳導來恢復 Klotho 表達并防止細胞衰老。

由于 miRNAs 和 lncRNAs 經常相互作用并相互調節，作者搜索了幾個 lncRNA-miRNA 相互作用數據庫，并預測 miR-223-3p 和 lncRNA-TUG1 （牛磺酸上調基因 1） 具有推定的結合位點，雙熒光素酶報告基因測定驗證了miR-223-3p 降低了野生型TUG1報告基因的熒光素酶活性，且在 HK-2 細胞中過表達 miR-223-3p 抑制了 lncRNA-TUG1，而KP1則消除了這個效果，TGF-β1抑制了HK-2細胞中lncRNA-TUG1的表達，而KP1、SB43154或SIS3則消除了此類效果，這些結果表明lncRNA-TUG1受TGF-β/Smad信號傳導的調節。而LncRNA-TUG1 沉默也降低了 Klotho 蛋白，但沒有降低其 mRNA 水平，說明miR-223-3p 可以與 lncRNA-TUG1 相互作用，形成競爭性內源性 RNA （ceRNA） 網絡，從而放大其在調節 Klotho 表達和細胞衰老中的作用。體內UUO和UIRI 模型中都驗證了這一點。

綜上所述，miR-223-3p 和 lncRNA-TUG1 協同工作，導致 Klotho 丟失、細胞衰老和腎纖維化，所有這些都被 KP1 緩解。KP1 是一種新發現的 Klotho 衍生肽，通過恢復 Klotho 表達來抑制細胞衰老，KP1 的這種作用由 miR-223-3p 和 lncRNA-TUG1 介導的轉錄后調節運作。通過恢復 Klotho 表達，KP1 充當 Klotho 誘導劑，并具有廣泛的腎保護特性，例如抗氧化、抗衰老和干細胞保護，有望將KP1轉化為 CKD 患者的臨床治療。

思路發散

本研究中利用miRNA測序、公共lncRNA數據庫以及公共轉錄組數據集共同分析出了miRNA與lncRNA共同構建ceRNA網絡在轉錄后水平調控蛋白表達的作用機制，對于較新的研究來說，可以直接通過全轉錄組，利用同一來源組織構建兩個文庫（lncRNA及小RNA文庫）得到包括lncRNA、miRNA、mRNA以及circRNA的結果，由此可分析出更可靠的相關性調控網絡，便于篩選關鍵非編碼RNA。

參考文獻：

[1] Chen LL, Kim VN. Small and long non-coding RNAs: Past, present, and future.Cell. 2024 Nov 14;187(23):6451-6485. doi: 10.1016/j.cell.2024.10.024. PMID:39547208.

[2] Zhang X, Li L, Tan H, Hong X, Yuan Q, Hou FF, Zhou L, Liu Y. Klotho-derived peptide 1 inhibits cellular senescence in the fibrotic kidney by restoring Klotho expression via posttranscriptional regulation. Theranostics. 2024 Jan 1;14(1):420-435. doi: 10.7150/thno.89105. PMID: 38164143; PMCID: PMC10750200.