任 俊(綜述),湯黎明(審校)
(南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州第二人民醫(yī)院普外科,江蘇常州213003)
MicroRNA(miRNA)包含19~24個核苷酸的非編碼小分子RNA,于1993年首次由Lee等[1]在研究漂亮新小桿線蟲的發(fā)育時發(fā)現(xiàn)的,lin-4基因雖不編碼蛋白質(zhì),但其能夠轉(zhuǎn)錄形成含有22個核苷酸的片段,而這一片段能夠與lin-14 mRNA的3'端非翻譯區(qū)通過堿基互補配對的方式結(jié)合,從而抑制其翻譯。起初這一新穎的基因調(diào)節(jié)方式并未被人們所重視。2000年,Reinhart等[2]在線蟲中發(fā)現(xiàn)了另外一個和其發(fā)育相關(guān)的時間相關(guān)性基因let-7,同年在人類、果蠅等動物中相繼發(fā)現(xiàn)了let-7的同源基因,這些基因在各自的生物發(fā)育過程中也起著重要的調(diào)節(jié)作用。2001年三個實驗室的研究人員在Science雜志先后報道了從線蟲、果蠅以及人類中克隆出了幾十個類似 lin-4、let-7 的小分子 RNA,統(tǒng)稱為“miRNA”[3-6]。隨后這一類小分子RNA引起了全世界學(xué)者的關(guān)注,現(xiàn)就miRNA在腫瘤中的最新研究進展予以綜述。
隨著越來越多的miRNA在眾多物種間的發(fā)現(xiàn),2003年由全世界知名miRNA研究機構(gòu)聯(lián)合制訂了不同物種中新發(fā)現(xiàn)的miRNA命名及注釋準(zhǔn)則[7]。該準(zhǔn)則包含表達標(biāo)準(zhǔn)和生物起源準(zhǔn)則兩個方面。表達標(biāo)準(zhǔn):①在標(biāo)本中通過原位雜交技術(shù)檢測到獨特的22堿基的RNA轉(zhuǎn)錄物。②這一RNA的序列必需由切割RNA相應(yīng)的cDNA庫所鑒定。生物起源準(zhǔn)則:①候選miRNA的前體必須含有22個堿基成熟miRNA序列構(gòu)成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。②候選miRNA及其前體發(fā)夾結(jié)構(gòu)在生物體中必需有系統(tǒng)發(fā)育的保守性。③Dicer酶是候選miRNA前體產(chǎn)生所必需的,通常在Dicer酶活性降低的生物體中均有miRNA前體的過度積累。這一準(zhǔn)則降低了不同研究機構(gòu)間miRNA定義的偏差,有利于研究的開展。目前,這一準(zhǔn)則也有所變化,如miRNA產(chǎn)生的Dicer酶及進化保守需求已不再作為篩選條件。
miRNA的產(chǎn)生先后經(jīng)歷了核內(nèi)、胞質(zhì)加工階段,其初始轉(zhuǎn)錄物(pri-miRNA)在細胞核內(nèi)的RNA聚合酶Ⅱ的作用下產(chǎn)生。隨后在DROSHA酶的作用下剪切成含有60~75個核苷酸的前體RNA(pre-miRNA),接著在核表面的轉(zhuǎn)運蛋白exportin5的作用下被轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì),并在Dicer酶的作用下剪切成為含有19~24個堿基長度的雙鏈miRNA。隨后雙鏈打開,其中一條鏈通常與靶mRNA的3'-非翻譯區(qū)(UTR)結(jié)合形成“RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體”,進而導(dǎo)致該mRNA的裂解或翻譯阻斷,與其互補的另一條單鏈則被降解[6-7]。miRNA導(dǎo)致靶mRNA裂解或翻譯阻斷的兩種不同結(jié)果取決于miRNA的“種子序列”(5'端第2~8個堿基)與mRNA3'-UTR堿基的互補配對程度,匹配度高時導(dǎo)致該mRNA降解,匹配度低時則只能導(dǎo)致其翻譯阻斷。每一個miRNA都有成百上千的作用靶點,其與蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)因子不同,能在較高層次調(diào)節(jié)多種生物學(xué)功能,且miRNA在物種間具有較高的保守性、時序性以及組織特異性,提示miRNA可能參與決定細胞、組織的功能特異性。
3.1 miRNA表達的檢測 目前研究miRNA表達水平的方法主要有測序、miRNA芯片以及實時熒光定量PCR。微陣列技術(shù)也稱生物芯片或者基因芯片技術(shù),其特點是高通量,能在較短時間內(nèi)分析樣本間miRNA表達的倍數(shù)變化[8]。RT-PCR的方法雖然檢測效率較低,但因其簡便、快速,因此在實際研究中也得到了廣泛應(yīng)用,但miRNA長度很短,用傳統(tǒng)的PCR方法檢測很容易導(dǎo)致非特異性擴增。2005年,Chen等[9]報道的莖環(huán)引物RT-PCR法很好的解決了這一難題,設(shè)計好的莖環(huán)狀引物5'端以6個堿基與目的miRNA分子的3'端互補結(jié)合,在反轉(zhuǎn)錄酶的作用下轉(zhuǎn)錄形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)的cDNA,以其為模板可進行傳統(tǒng)的熒光定量PCR。這一方法不僅增強了PCR的特異性還提高了效率。原位雜交技術(shù)目前也廣泛用于miRNA的研究,其優(yōu)勢在于可以對miRNA在細胞或組織中的表達進行定位,但提供的定量信息較少。以上方法主要關(guān)注miRNA的表達與定量,并僅局限于研究那些序列信息或二級莖環(huán)結(jié)構(gòu)信息已知的miRNA,無法發(fā)現(xiàn)和尋找新的miRNA。而近年興起的miRNA測序技術(shù)突破了目前研究技術(shù)手段上的局限性,使研究人員能夠直接對樣本中指定大小的所有miRNA分子進行高通量測序,在無需任何序列信息的前體下研究miRNA的表達譜并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)和鑒定新的miRNA分子,這是傳統(tǒng)的研究方法所無法比擬的。
3.2 miRNA靶基因的尋找 隨著越來越多的miRNA被發(fā)現(xiàn),尋找這些miRNA的作用靶點以明確它們在細胞中的作用機制一直是研究的重點。目前常用的生物信息學(xué)預(yù)測方法是根據(jù)miRNA與mRNA3'-UTR結(jié)合的序列及熱力學(xué)特點而衍生出的,其中由Bartel[7]研究小組建立的Target Scan軟件是目前使用最為廣泛的miRNA靶基因預(yù)測軟件,其他較為常用的有miRanda、PicTar、RNAhybrid、DIANA-microT 等。對于生物信息學(xué)方法預(yù)測的靶標(biāo)基因,需再借助熒光素酶報告基因系統(tǒng)、miRNA獲得或缺失性實驗進一步確認(rèn)。
傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為腫瘤的發(fā)生是由編碼蛋白的基因或者抑癌基因功能變化所致。而近年來眾多研究表明這一類非編碼小分子RNA也就是miRNA在腫瘤中也起著與蛋白編碼基因類似的功能,它們參與了一些與腫瘤發(fā)生相關(guān)的重要細胞的生物學(xué)過程[10]。
4.1 常見的抑癌miRNA及其作用機制 最早關(guān)于miRNA與腫瘤的研究是2002年由Calin等[11]提出的,研究顯示位于非編碼基因DLEU2內(nèi)含子區(qū)域的miR-15a、miR-16-1在絕大多數(shù)慢性淋巴細胞白血病患者中表達下調(diào)或者完全缺失,提示miR-15a、miR-16-1的表達在維持B淋巴細胞穩(wěn)態(tài)中起著不可或缺的作用。隨后,Cimmino等[12]研究發(fā)現(xiàn)這兩種miRNA能夠下調(diào)原癌基因Bcl-2的表達,從而增加B細胞的凋亡,抑制其增殖,明確了其在慢性淋巴細胞白血病中的抑癌基因角色。Fabbri等[13]更深層次地揭露了miR-15a、miR-16-1基因簇在慢性淋巴細胞白血病中的作用機制,研究顯示miR-15a、miR-16-1基因簇的缺失不僅活化了抗凋亡基因Bcl-2的表達,而且也上調(diào)了抑癌因子TP53的表達,因此在一定程度上減緩了腫瘤生長。TP53的表達上調(diào)活化了miR-34b/c,從而降低了ZAP70的表達,但之前有報道ZAP70低表達的慢性淋巴細胞白血病患者從診斷到必須治療的時間明顯高于對照組[14],進一步肯定了miR-15a、miR-16-1基因簇缺失患者腫瘤成惰性生長的說法。miR-15a、miR-16-1的抑癌效應(yīng)不僅在于對原癌基因Bcl-2的下調(diào)作用,還有報道其與miR-34協(xié)同誘導(dǎo)非小細胞肺癌細胞阻滯在G1~G0期[15];miR-34家族三個成員miR-34a/b/c均受抑癌基因p53調(diào)控轉(zhuǎn)錄。Cole等[16]研究顯示,miR-34a通過抑制 MYCN 的表達可抑制神經(jīng)母細胞瘤的生長。let-7家族成員位于與多種腫瘤(如肺癌、卵巢癌、乳腺癌、宮頸癌等)相關(guān)的脆性位點,有研究表明let-7a在肺癌組織中低表達與肺癌患者術(shù)后低生存期呈正相關(guān),而且過表達之后能夠顯著抑制肺癌細胞的克隆形成能力[17]。最新研究表明,let-7b在非小細胞肺癌病患者血漿中的表達,也低于正常水平,并且其低表達與腫瘤惡性程度呈正比,為肺癌患者的預(yù)后判斷提供了新思路[18]。上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化起初被認(rèn)為與胚胎發(fā)育有關(guān),近年來研究表明上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化還參與腫瘤的形成及轉(zhuǎn)移過程[19]。miR-200/141家族屬于上皮特異性的miRNA,大量研究表明這一家族成員通過抑制E-鈣粘連蛋白轉(zhuǎn)錄抑制子ZEB1、ZEB2的表達,從而抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程[20],miR-200/141依靠這一主要機制以及其他機制抑制了多種腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移等惡性生物學(xué)行為,如膀胱癌[21]、乳腺癌[22]、肺癌等[23]。
4.2 常見的致癌miRNA及其作用機制 miR-17-92基因簇位于13q31,He等[24]采用特定的微陣列技術(shù)檢測出65%的B細胞淋巴瘤樣本中miR-17-92多順反子表達上調(diào),隨后為了驗證這一上調(diào)的多順反子能夠?qū)е履[瘤形成,在轉(zhuǎn)MYC基因誘導(dǎo)的B細胞淋巴瘤模型小鼠中通過反轉(zhuǎn)錄病毒的方法過表達造血干細胞中的miR-17-92后,miR-17-92協(xié)同MYC加速了腫瘤的形成,提示其抑癌基因的功能。越來越多的證據(jù)表明,miR-17-92 在大腸癌[25]、多發(fā)性骨髓瘤[26]、肺癌[27]、乳腺癌[28]等腫瘤中均起著抑癌基因的功能。早期已有實驗證明miR-21能夠抑制凋亡而促進腫瘤生長,Chan等[29]在惡性膠質(zhì)瘤中敲低miR-21后,可激活細胞凋亡 caspases途徑。Hatley等[30]進一步研究表明,miR-21可不僅通過抑制程序性細胞死亡因子4這一凋亡因子的表達,也可通過下調(diào)SPRY2進而激活原癌基因Ras下游的MEK/ERK,最終引起miR-21自身轉(zhuǎn)錄從而抑制凋亡,促進增殖。miR-155由BIC基因編碼,是最早發(fā)現(xiàn)的致癌miRNA之一,最初發(fā)現(xiàn)其在兒童Burkitt's(伯基特)淋巴瘤中表達上調(diào),目前眾多研究表明其在霍奇金病、慢性淋巴細胞白血?。?1]、急性髓性白血病[32]、肺癌、乳腺癌[33]以及胰腺癌[34]等腫瘤中均高表達,且起著致癌基因的作用。機制研究表明,miR-155通過下調(diào)Ship和c/EBPβ的表達導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng),最終導(dǎo)致前B細胞的蓄積以及急性成淋巴細胞性白血病的形成[35]。miR-221/222也是較為常見的致癌miRNA之一,其表達上調(diào)與多種腫瘤細胞的增殖[36]、凋亡[37]、侵襲能力有關(guān)。Garofalo 等[38]報道肝細胞生長因子受體可通過轉(zhuǎn)錄活化c-Jun而上調(diào)miR-221/222的表達,上調(diào)的miR-221/222通過作用于PTEN、TIMP3而拮抗腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體引起的凋亡,并且能夠增強肺癌、肝癌細胞的惡性生物學(xué)特性。Pineau等[39]在人體肝癌組織標(biāo)本以及肝癌細胞系中的實驗進一步證實了以上觀點,還發(fā)現(xiàn)miR-221/222通過下調(diào)細胞周期依賴性激酶抑制子p27Kip1的表達而增強肝癌細胞的增殖能力。
4.3 miRNA與腫瘤診斷 miRNA的表達譜與腫瘤的胚胎起源密切相關(guān),并且其表達呈現(xiàn)組織特異性,因此,miRNA可以作為有效的腫瘤診斷標(biāo)志物。近年越來越多的證據(jù)表明循環(huán)中的miRNA可作為無創(chuàng)的、敏感的腫瘤診斷標(biāo)志物。Heneghan等[40]研究表明乳腺癌患者血液循環(huán)中miR-195的表達水平與腫瘤大小、分期有關(guān),并且在腫瘤切除術(shù)后2周能夠恢復(fù)到正常水平,而其表達水平在其他(如前列腺、結(jié)腸、腎臟等)腫瘤患者血液中并沒有升高。Ng等[41]最新研究顯示,miR-17-92基因簇中的 miR-17-3p、miR-92在結(jié)直腸癌患者血漿中表達水平明顯升高,可作為腫瘤早期診斷指標(biāo),并且這兩個指標(biāo)還可以用來區(qū)分炎癥性腸疾病、胃癌以及正常人群。Yanaihara等[42]篩選出 12 種 miRNA(miR-17-3p、miR-21、miR-106a、miR-146、miR-155、miR-191、miR-192、miR-203、miR-205、miR-210、miR-212、miR-214),可以用來診斷非小細胞肺癌。Rabinowits等[43]在臨床病例中進一步對這12種miRNA進行研究,發(fā)現(xiàn)miRNA的表達譜可以精確地區(qū)分肺癌患者和正常人群,可以作為肺癌早期大規(guī)模篩查的有效手段。
4.4 miRNA與腫瘤治療 miRNA在腫瘤中異常表達,而功能研究表明miRNA通過轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)機制影響基因的表達從而起著致癌或者抑癌基因的功能,因此miRNA以及其靶基因可以作為有效的藥物作用靶點。目前最有潛力的治療手段是miRNA類似物(miRNA mimic)以及反miRNA寡聚核苷酸類。近年來有研究表明,在小鼠或者靈長類動物中通過全身給予反miR-122的寡聚核苷酸類可以改變肝臟脂類代謝以及減少乙型肝炎病毒的復(fù)制,從而減輕肝臟損傷,并且無明顯不良反應(yīng)[44-45]。miR-26a在肝細胞癌中呈低表達,并且在多種腫瘤中發(fā)揮著抑癌基因的功能,Kota等[46]通過腺病毒感染給肝癌模型小鼠全身給予miR-26a后發(fā)現(xiàn)減小了腫瘤體積。隨著研究的深入,miRNA可能成為腫瘤治療新手段。
miRNA的研究對于揭示腫瘤的發(fā)病機制意義重大,目前miRNA已成為腫瘤研究領(lǐng)域中的熱點,越來越多的miRNA被發(fā)現(xiàn)在腫瘤中表達失調(diào),并且其與腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機制也逐漸明晰。目前有關(guān)miRNA的研究雖已取得較大進步,但仍存在很多問題:①大量的miRNA尚未被發(fā)現(xiàn),其作用機制尚未被揭示。②鑒于miRNA作用靶點眾多,不同的miRNA可作用于相同的靶點,因此完整揭示miRNA的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)顯得較為困難。③血液循環(huán)中的miRNA可作為腫瘤患者的診斷指標(biāo),但這些miRNA是如何進入循環(huán),循環(huán)中的miRNA是否在疾病發(fā)展中存在作用?如何安全、有效、靶點特異性地使用miRNA類似物或者反miRNA寡聚核苷酸類治療腫瘤仍需進一步研究。隨著這些問題的解決,miRNA必將為人類抗腫瘤治療注入新的活力。
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