陳國(guó)慶 趙志偉 曹 霞 羊惠君

1(武漢體育學(xué)院健康科學(xué)學(xué)院,武漢430079)

2(四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室,成都610041)

MicroRNA是一類長(zhǎng)度約為21至23個(gè)核苷酸的調(diào)控性小分子RNA,至1993年A nbros等人在線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)第一個(gè)microRNA分子lin-4以來(lái),microRNA的功能及其作用機(jī)制引起人們極大的重視,是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。絕大多數(shù)microRNA來(lái)源于基因組中的非編碼序列,microRNA的發(fā)現(xiàn)也使得人們得以重新認(rèn)識(shí)基因組結(jié)構(gòu)和功能,早先被認(rèn)為是垃圾DNA的內(nèi)含子、間隔序列、重復(fù)序列等也開(kāi)始引起研究人員的注意。迄今為止,人們?cè)跀M南芥、線蟲(chóng)、果蠅、小鼠、人類等多種生物中發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)microRNA分子,這些microRNA分子參與了包括發(fā)育、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞能量代謝等多種生理過(guò)程以及心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖尿病、腫瘤等多種病理過(guò)程[1]。microRNA的發(fā)現(xiàn)為基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制提供了一個(gè)全新的模式和更為復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

1 MicroRNA的合成及其作用機(jī)制

microRNA大部分來(lái)源于基因間隔序列,以單拷貝、多拷貝或者基因簇的形式分布,此外還有約25%的microRNA基因位于基因內(nèi)含子區(qū)域,以多順?lè)醋拥男问脚c宿主基因共同轉(zhuǎn)錄。成熟的microRNA分子的形成過(guò)程包含若干個(gè)步驟:microRNA基因通過(guò)RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄合成原始microRNA(pri-microRNA),pri-microRNA 具有 5′端的帽子、3′端的polyA尾的結(jié)構(gòu)特征;pri-microRNA經(jīng)過(guò)兩次酶的剪切產(chǎn)生成熟的microRNA。動(dòng)物pri-microRNA第一次剪切在細(xì)胞核內(nèi),經(jīng)Dorsha酶切產(chǎn)生大小約為70個(gè)核苷酸并形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)的 microRNA前體(pre-microRNA);pre-microRNA通過(guò)Ran-GTP依賴性核漿轉(zhuǎn)運(yùn)子Exportin5從核內(nèi)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)中。在細(xì)胞質(zhì)中,Dicer酶將pre-microRNA剪切形成一個(gè)不完全配對(duì)的雙鏈的RNA片段即 microRNA和 microRNA*雙體,其中一條形成成熟的21-23個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的microRNA分子,另一條則可能迅速降解。成熟的microRNA形成RNA誘導(dǎo)復(fù)合體(RNA-induced silencing comp lex,RISC),從而引起靶基因m RNA降解或翻譯抑制[2]。

2 MicroRNA的生物學(xué)功能

當(dāng)前的研究已經(jīng)提示 microRNA具有廣泛的基因調(diào)節(jié)功能,他能對(duì)基因活動(dòng)的各個(gè)層面進(jìn)行調(diào)節(jié)參與一系列的生物學(xué)進(jìn)程如胚胎的發(fā)育、細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡、能量代謝等。

2.1 調(diào)控細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡涉及一系列基因的激活、表達(dá)及其調(diào)控作用。細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)涉及諸多的疾病。近年來(lái),隨著人們對(duì)microRNA研究的興起,人們發(fā)現(xiàn)microRNA在細(xì)胞凋亡的調(diào)控中起著至關(guān)重要的作用。

調(diào)控細(xì)胞凋亡各個(gè)信號(hào)通路的研究最先在線蟲(chóng)和果蠅等模式生物中展開(kāi)。Xu等人研究發(fā)現(xiàn)m iR-14可作用于d rice基因,而d rice基因編碼的蛋白質(zhì)能夠調(diào)控細(xì)胞凋亡和脂質(zhì)代謝,m iR-14功能缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞大量死亡,miR-14過(guò)量表達(dá)會(huì)抑制細(xì)胞死亡[3]。microRNA不僅在模式生物中表現(xiàn)出其對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)控,在人類的研究中同樣也證實(shí)microRNA對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)功能。Chan等人發(fā)現(xiàn)人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞m iR-21高表達(dá),其表達(dá)與細(xì)胞的抗凋亡特性有關(guān)。采用m iR-21反義核苷酸抑制該microRNA的功能,能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡,其作用可能與p53、TGF-β以及線粒體凋亡通路有關(guān)[4-5]。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn),miR-21通過(guò)抑制細(xì)胞骨架分子Tropomyosin-1(TPM 1)的表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生[6]。Cheng等人也發(fā)現(xiàn)抑制miR-1d、miR-7 、miR-148 、miR-204 、miR-210 、miR-216 、m iR-296這些microRNA的功能,能夠明顯提高Caspse-3的活性,而抑制miR-214則顯著降低Caspse-3的活性[7]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具有確切靶基因的與細(xì)胞凋亡有關(guān)的microRNA分子還有miR-15和m iR-16。他們作用于抗凋亡蛋白bcl-2基因。Calin等人發(fā)現(xiàn)68%的慢性淋巴細(xì)胞白血病細(xì)胞中m iR-15和miR-16表達(dá)下調(diào),隨后Cimmino等人進(jìn)一步證實(shí)miR-15a和miR-16-1的表達(dá)與慢性淋巴細(xì)胞白血病細(xì)胞bcl-2的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。在bcl-2高表達(dá)的細(xì)胞中轉(zhuǎn)入miR-15a或miR-16-1,都可導(dǎo)致bcl-2蛋白表達(dá)水平下調(diào),但不影響其mRNA表達(dá)的水平。從而證實(shí) m iR-15a或 miR-16-1是通過(guò)抑制bcl-2蛋白的翻譯調(diào)控細(xì)胞凋亡[8]。另一個(gè)已經(jīng)被證實(shí)的與細(xì)胞凋亡相關(guān)的microRNA是miR-17-92家族。m iR-17-92家族包括 m iR-15-5p、miR-18、miR-19a、miR-19b、m iR-20和 miR-92。研究發(fā)現(xiàn),miR-17-92家族的microRNA分子的表達(dá)受c-m yc基因的控制,增加c-myc基因的表達(dá)能上調(diào) m iR-17-92的表達(dá)。c-myc基因促進(jìn)細(xì)胞增殖,是通過(guò)E2F1起作用,而且c-myc能促進(jìn)E2F1的表達(dá)。但是細(xì)胞中E2F1的表達(dá)水平過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。因此為了平衡E2F1的功能,m iR-17-92家族中的有2個(gè)microRNA分子能抑制E2F1的表達(dá),從而精確控制著細(xì)胞增殖,促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[9-10]。然而microRNA對(duì)于調(diào)控細(xì)胞增殖或凋亡的功能有時(shí)也會(huì)因組織不同而有所差異,甚至是完全相反。如Cheng等人發(fā)現(xiàn)抑制Hela細(xì)胞miR-21和 m iR-24的表達(dá)可刺激 Hela細(xì)胞增殖[11],說(shuō)明miR-21在Hela細(xì)胞中的作用是抑制增殖,而在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中卻是抑制凋亡。其原因可能與不同的細(xì)胞中增殖和凋亡的信號(hào)通路有所不同,而microRNA分子又有多個(gè)作用靶點(diǎn),因此導(dǎo)致這種功能上的差異。

2.2 調(diào)控細(xì)胞增殖

Cheng等人在H ela細(xì)胞和A 549細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)19個(gè)不同的microRNA分子與細(xì)胞增殖有關(guān)[11]。其中最具代表性的是let-7家族的microRNA分子。let-7家族事序列相對(duì)保守的microRNA分子,最早在線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn),主要功能是異時(shí)性調(diào)控線蟲(chóng)的發(fā)育[12]。在對(duì)非小細(xì)胞肺癌的研究中發(fā)現(xiàn),let-7表達(dá)低的患者術(shù)后生存率顯著較低,回歸分析結(jié)果表明let-7表達(dá)水平是獨(dú)立于腫瘤病理分期的預(yù)測(cè)腫瘤預(yù)后的因素[13]。Song等人在小鼠乳腺癌細(xì)胞中的研究也發(fā)現(xiàn)let-7表達(dá)下調(diào)可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖[14]。目前已經(jīng)確定的let-7的靶基因主要是ras和hmga2[15]。其他與細(xì)胞增殖有關(guān)的microRNA 分子還有 m iR-146、miR-221、miR-222。這些microRNA分子共同作用于kit癌基因,通過(guò)抑制kit癌基因的表達(dá),抑制細(xì)胞增殖[16-17]。其他的如miR-372、miR-373可通過(guò)抑制p53下游的腫瘤抑制基因lats2表達(dá),促進(jìn)細(xì)胞增殖[18]?？偟膩?lái)說(shuō),microRNA分子調(diào)控細(xì)胞增殖主要是通過(guò)調(diào)控控制癌細(xì)胞增殖的癌基因或抑癌基因而實(shí)現(xiàn)的。

2.3 調(diào)控細(xì)胞分化與發(fā)育

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多microRNA分子在調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、器官形成和機(jī)體發(fā)育等過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在線蟲(chóng)中,lin-4有兩個(gè)靶基因lin-14和lin-28。lin-14編碼的核蛋白可調(diào)控線蟲(chóng)從L1期向L2期轉(zhuǎn)化,lin-28編碼的蛋白則可使線蟲(chóng)從L2期向L3期轉(zhuǎn)化。lin-4表達(dá)缺失可導(dǎo)致線蟲(chóng)發(fā)育受阻。其他的如let-7與lin-4一樣,參與線蟲(chóng)發(fā)育的時(shí)序調(diào)控[12]。在哺乳動(dòng)物中,miR-181調(diào)控B細(xì)胞的分化[19-20],miR-155和miR-146參與T細(xì)胞和B細(xì)胞的發(fā)育[21-21]。miR-143則調(diào)控脂肪細(xì)胞的分化[23],miR-1、miR-133、miR-206和 miR-208則與心肌細(xì)胞的分化有關(guān)[24-29]。

3 MicroRNA與腫瘤

在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中,microRNA通過(guò)調(diào)節(jié)癌基因或抑癌基因的表達(dá),參與癌細(xì)胞重要的細(xì)胞生物程序的調(diào)控,間接起著“癌基因或抑癌基因”的功能。microRNA對(duì)腫瘤細(xì)胞的調(diào)控主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 MicroRNA調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖

在對(duì)Hela細(xì)胞和A 549細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn),有19microRNA都能夠促進(jìn)細(xì)胞的增殖,其中l(wèi)et-7家族是調(diào)控細(xì)胞增殖的microRNA中的典型代表[11-12]。let-7家族是一類高度保守的 microRNA分子,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有8個(gè)成員,在肺癌、乳腺癌等腫瘤中表達(dá)下調(diào),通過(guò)外源性的轉(zhuǎn)染let-7可以抑制細(xì)胞的增殖[14-16]。此外,與腫瘤細(xì)胞增殖相關(guān)的microRNA 還有 m iR-221、miR-222和 miR-146,這3個(gè)microRNA分子可以通過(guò)作用于kit基因抑制細(xì)胞增殖[17]。

3.2 調(diào)控腫瘤細(xì)胞的凋亡

目前已經(jīng)證實(shí)的與腫瘤細(xì)胞凋亡相關(guān)的microRNA 分子主要有 miR-148、miR-204、miR-210、miR-216、miR-15、miR-16、miR-17-92 等,這些 microRNA分子通過(guò)作用于凋亡相關(guān)蛋白如Caspase 3、bcl-2、c-myc調(diào)控細(xì)胞的凋亡[3-11]。

3.3 調(diào)控與腫瘤轉(zhuǎn)移相關(guān)的細(xì)胞黏附分子的表達(dá)

細(xì)胞黏附分子在腫瘤的轉(zhuǎn)移與侵襲中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)這類分子同樣也受microRNA分子的調(diào)控,例如 miR-200a與 E-cadherin,miR-328與CD44等,細(xì)胞黏附分子受相關(guān)的microRNA調(diào)控,當(dāng)這些microRNA表達(dá)下調(diào)時(shí),可導(dǎo)致細(xì)胞黏附分子表達(dá)上調(diào),導(dǎo)致腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移[30-31]。此外,microRNA還參與調(diào)控腫瘤的血管生成、腫瘤發(fā)生相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)等。

3.4 作為抑癌基因的microRNA

Calin等人首先發(fā)現(xiàn)microRNA可以起到腫瘤抑制作用。他們?cè)谘芯柯粤馨托桶籽r(shí)發(fā)現(xiàn)該腫瘤發(fā)病與13q14位點(diǎn)缺失高度相關(guān)。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域包含2個(gè)microRNA分子miR-15a和miR-16-1,大約有68%的慢性淋巴型白血病患者存在該2個(gè)microRNA分子表達(dá)缺失,因此認(rèn)為m iR-15a和m iR-16-1可能作為抑癌基因發(fā)揮作用。miR-15a和m iR-16-1通過(guò)抑制BCL-2的表達(dá)發(fā)揮其抑制腫瘤發(fā)生的功能[11]。此外,let-7家族microRNA分子也被認(rèn)為是重要的抑癌基因,let-7可抑制RAS蛋白的表達(dá)。RAS蛋白是膜相關(guān)的GTPase信號(hào)蛋白,調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化,是公認(rèn)的癌基因。在肺癌中,let-7表達(dá)缺失,RAS蛋白高表達(dá),體外研究發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)增加let-7的表達(dá)可抑制RAS蛋白的表達(dá),抑制細(xì)胞增殖[16-18]。

3.5 作為癌基因的microRNA

Kosik等人在研究膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中異常表達(dá)的microRNA分子時(shí)發(fā)現(xiàn)m iR-21具有癌基因的功能。在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中,m iR-21的表達(dá)水平遠(yuǎn)高于正常組織。抑制miR-21的表達(dá)后導(dǎo)致級(jí)聯(lián)反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。m iR-21在多種腫瘤中均有高表達(dá),如乳腺癌、結(jié)腸癌、肺癌、胰腺癌、胃癌和前列腺癌等。目前已經(jīng)確認(rèn)的m iR-21的靶基因有 TM P1、PTEN等[4-6]。miR-17-92簇是研究比較多的一組在多種惡性腫瘤中表達(dá)上調(diào)的microRNA分子。miR-17-92簇表達(dá)上調(diào),與E2F3、c-myc等協(xié)同參與腫瘤的發(fā)生,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖,其中,m iR-17與miR-20a具有抗凋亡的功能。H ossain等在乳腺癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)抑癌基因AIB1受到m iR-17-5p的調(diào)控,miR-17-5p抑制AIB1m RNA的翻譯,使得乳腺癌細(xì)胞獲得異常的細(xì)胞增殖能力[9-10]。

4 小結(jié)

隨著對(duì)microRNA功能和作用機(jī)制研究的不斷深入,人們發(fā)現(xiàn)microRNA與其所調(diào)控的靶基因之間存在復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),一個(gè)microRNA分子可能調(diào)控多個(gè)基因的表達(dá),一個(gè)基因也可能接受多個(gè)microRNA分子的調(diào)控。而microRNA自身的表達(dá)也受多種機(jī)制的調(diào)控,在細(xì)胞內(nèi),microRNA既可通過(guò)調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo),同時(shí)其自身的表達(dá)也受細(xì)胞內(nèi)某些信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)控,可能形成一個(gè)封閉的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)調(diào)控環(huán)路。深入研究microRNA相關(guān)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),將有助于進(jìn)一步揭示腫瘤的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制,也為腫瘤的治療提供新的視角。

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