微小RNA在腫瘤干細(xì)胞中的作用

張婷婷，盧朝輝，陳 杰

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院病理科，北京 100730

·綜述·

微小RNA在腫瘤干細(xì)胞中的作用

張婷婷，盧朝輝，陳 杰

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院病理科，北京 100730

腫瘤干細(xì)胞是腫瘤中具有干細(xì)胞特征的細(xì)胞群，其具有自我更新能力、無限增殖能力和形成腫瘤中各種組分的多向分化潛能，在腫瘤的形成、發(fā)展、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)中發(fā)揮重要作用。微小RNA是一種內(nèi)源性非編碼小分子RNA，通過與靶基因的互補(bǔ)配對調(diào)控基因表達(dá)，廣泛參與多種腫瘤的進(jìn)程。本文主要綜述微小RNA在腫瘤干細(xì)胞中的作用。

微小RNA；腫瘤干細(xì)胞；細(xì)胞信號通路

ActaAcadMedSin,2012,34(2):174-177

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和復(fù)發(fā)是一個復(fù)雜的過程，牽涉到諸多信號通路和分子機(jī)制，腫瘤干細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，為目前的研究提供了一個全新的視角。微小RNA通過與靶基因序列的特異性相互作用從細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄或翻譯水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)，廣泛參與細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。近年研究表明微小RNA與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[1]。有研究報道微小RNA也可作用于腫瘤干細(xì)胞，在腫瘤的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用[2]。

腫瘤干細(xì)胞

腫瘤干細(xì)胞學(xué)說腫瘤干細(xì)胞學(xué)說認(rèn)為：腫瘤來源于數(shù)量極少的具有干細(xì)胞特征的細(xì)胞群—即腫瘤干細(xì)胞，腫瘤干細(xì)胞具有旺盛的自我更新能力、無限增殖能力和形成腫瘤中各種組分的多向分化潛能，這種細(xì)胞的存在可以促進(jìn)腫瘤的形成、發(fā)展、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)，并且腫瘤的耐藥性也可能與腫瘤干細(xì)胞有關(guān)。對于腫瘤干細(xì)胞的來源，目前還存在分歧。一種理論認(rèn)為腫瘤干細(xì)胞來源于組織中的正常干細(xì)胞。組織干細(xì)胞可發(fā)生致瘤性突變的不斷累積，這些突變改變某些分子機(jī)制，使細(xì)胞應(yīng)對外環(huán)境變化時的擴(kuò)增方式發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞不依賴于外環(huán)境而擴(kuò)增。另一種理論認(rèn)為：組織中已分化的細(xì)胞發(fā)生突變，導(dǎo)致與干細(xì)胞特征和細(xì)胞周期調(diào)控有關(guān)的基因發(fā)生改變，使分化的細(xì)胞重新獲得干細(xì)胞特征。因此，一些腫瘤細(xì)胞的亞群也可能獲得干細(xì)胞表型。但目前的研究尚未能證明哪種理論更接近于腫瘤干細(xì)胞的本質(zhì)。

最早驗證腫瘤干細(xì)胞的存在是在人類急性髓系白血病的研究中。1997年Bonnet和Dick[3]首次從人急性髓樣白血病(acute myeloid leukemia，AML)中分離出白血病干細(xì)胞(leukemic stem cells，LSCs)，表型為CD34+CD38-Thy-，將這類細(xì)胞移植到非肥胖糖尿病/重癥聯(lián)合免疫缺陷小鼠體內(nèi)，可產(chǎn)生類似人AML的腫瘤，并且能在小鼠體內(nèi)連續(xù)傳代。最早分離到的實體瘤干細(xì)胞是乳腺癌干細(xì)胞。2003年，Al-Hajj等[4]在乳腺癌中進(jìn)行腫瘤干細(xì)胞的研究，發(fā)現(xiàn)乳腺癌中存在表型特異的細(xì)胞群，為CD44+CD24-/lowLineage-，將100個這種細(xì)胞接種到免疫缺陷小鼠時可以致瘤，而接種大量表型為CD44+CD24+Lineage-的細(xì)胞不能形成腫瘤。并且CD44+CD24-/lowLineage-表型的致瘤細(xì)胞可分化生成構(gòu)成腫瘤的多種非腫瘤細(xì)胞。之后有報道在多種實體腫瘤中檢測到了腫瘤干細(xì)胞的存在，包括骨肉瘤[5]、頭頸部鱗狀細(xì)胞癌[6]、神經(jīng)膠質(zhì)瘤、結(jié)腸癌、黑色素瘤、胰腺癌、前列腺癌、卵巢癌、肝癌、肺癌、胃癌[7]等。

對腫瘤干細(xì)胞進(jìn)行研究，首先應(yīng)精確分離和純化目的細(xì)胞，目前主要采用的技術(shù)有腫瘤干細(xì)胞特異性表面標(biāo)記法、赫斯特33342染料法和懸浮培養(yǎng)法，其中前兩種方法較為常用。分離和純化實體瘤腫瘤干細(xì)胞常用的細(xì)胞表面標(biāo)記有CD133、CD44、 CD24和上皮特異性抗原(epithelial specific antigen，ESA)等，如乳腺癌腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD44、CD24 和CD133，神經(jīng)膠質(zhì)瘤腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD133，骨肉瘤腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD44，結(jié)腸癌腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD44、CD133和ESA，肝癌腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD133，胰腺癌腫瘤干細(xì)胞可表達(dá)CD44、CD24和ESA等[8]。但目前尚未發(fā)現(xiàn)對腫瘤干細(xì)胞唯一特異性的細(xì)胞表面標(biāo)記。赫斯特33342是一種膜通透性染料，腫瘤干細(xì)胞可將此染料轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，因而引起這些細(xì)胞熒光強(qiáng)度減弱，再通過流式細(xì)胞儀對細(xì)胞進(jìn)行分選。

腫瘤干細(xì)胞的信號通路腫瘤干細(xì)胞在腫瘤各階段發(fā)揮作用與眾多的基因改變和信號通路有關(guān)，如基因NOTCH、HOX, 信號分子Sonic Hedgehog(SHH)、Wnt/β-catenin、Stat5、Flt3、PI3K/Akt/mTOR/NF-κB和端粒等，其中Notch、Shh和Wnt/β-catenin信號通路與腫瘤干細(xì)胞的自我更新及多向分化潛能密切相關(guān)，在腫瘤的形成和進(jìn)展中發(fā)揮重要的作用。

哺乳動物中有4種Notch受體(Notch-1、Notch-2、Notch-3 和Notch-4)，5種配體(Dll-1、Dll-3、Dll-4、Jagged-1和 Jagged-2)。常見的Notch靶基因包括HES、Hes相關(guān)阻遏蛋白家族、細(xì)胞周期蛋白 D和MYC等。Notch信號通路在正常發(fā)育、成人干細(xì)胞的維持、多種器官腫瘤形成(如腦腫瘤)中均發(fā)揮重要作用。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤及原發(fā)性惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞中常見Notch受體、相關(guān)配體及下游分子Hes1和Hes2的過表達(dá)[9]。另有研究顯示，Notch信號通路參與乳腺癌的發(fā)生和發(fā)展，并且在轉(zhuǎn)移性乳腺癌中表達(dá)失調(diào)，使用細(xì)胞表面標(biāo)記物CD44+CD24+后，乳腺癌干細(xì)胞的啟動子數(shù)量增加，提示Notch上調(diào)可促進(jìn)乳腺癌干細(xì)胞的基因表達(dá)[10]。

Hedgehog家族成員包括Shh、Ptch、Gli-1、Smoh。Hedgehog信號通路可激活轉(zhuǎn)錄因子Gli家族進(jìn)而啟動基因表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞的自我更新和分化。有研究顯示在小腦發(fā)育和髓母細(xì)胞瘤中可見Hedgehog信號通路表達(dá)上調(diào)[11]。Li等[12]報道，在胰腺癌中檢測SHH的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)表型為CD44+CD24+ESA+的胰腺癌干細(xì)胞中SHH mRNA的表達(dá)較正常胰腺細(xì)胞升高46倍，而表型為CD44-CD24-ESA-的胰腺癌細(xì)胞中SHH僅升高4倍，提示SHH通路活化參與胰腺癌干細(xì)胞的促腫瘤形成過程。

Wnt是一類分泌信號蛋白，與細(xì)胞表面受體結(jié)合后通過下游信號傳導(dǎo)蛋白如β-連環(huán)蛋白等激活信號傳導(dǎo)，其靶基因包括MYC和細(xì)胞周期蛋白 D1等。Wnt信號通路在腫瘤的自我更新和多向分化潛能中發(fā)揮重要作用。Wang等[13]報道，在AML的HoxA9/Meis1轉(zhuǎn)導(dǎo)模型中，β-連環(huán)蛋白活化對于骨髓前體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化是必需的。

微小RNA與腫瘤

微小RNA是一種內(nèi)源性非編碼小分子RNA，與靶mRNA的3’-UTR互補(bǔ)配對，從而抑制基因表達(dá)。微小RNA可廣泛參與細(xì)胞的生理功能，如細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和凋亡等，在腫瘤的形成和發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。預(yù)測大約30%的人類蛋白質(zhì)編碼基因受微小RNA的調(diào)節(jié)[14]。Calin等[15]研究顯示慢性淋巴細(xì)胞白血病中染色體13q14的缺失，而miR-15a和miR-16-1是這個缺失區(qū)域內(nèi)僅有的兩個基因。之后，有報道在多種腫瘤發(fā)現(xiàn)了微小RNA 表達(dá)譜的改變，如白血病、淋巴瘤、惡性膠質(zhì)細(xì)胞瘤、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、乳頭狀甲狀腺癌、食管癌、肺癌、乳腺癌、肝癌、胰腺癌、胃癌、結(jié)腸癌、卵巢癌、前列腺癌、腎癌、膀胱癌等[16]。miR-17-92族在腎透明細(xì)胞癌中過表達(dá)，通過作用于靶點(diǎn)HIFs、mTOR、VEGF 和VHL等促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[17]；miR-21可抑制Ras/MEK/ERK信號通路的負(fù)性調(diào)控和抑制凋亡介導(dǎo)肺癌的形成[18]。并且某些微小RNA還可參與腫瘤的侵犯和轉(zhuǎn)移，如miR-10b在轉(zhuǎn)移性乳腺癌中高表達(dá)，并且過表達(dá)miR-10b可促進(jìn)非浸潤性乳腺癌細(xì)胞發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和浸潤，但不會影響細(xì)胞的增殖[19]；miR-146a在前列腺癌中低表達(dá)，在癌細(xì)胞中轉(zhuǎn)染miR-146a后，通過沉默ROCK1基因，抑制癌細(xì)胞的浸潤和轉(zhuǎn)移[20]。

微小RNA與腫瘤干細(xì)胞

微小RNA在多種腫瘤進(jìn)程及干細(xì)胞的自我更新和分化中具有重要作用，但對于腫瘤干細(xì)胞中微小RNA的作用機(jī)制研究的較少。2007年，Yu等[21]研究顯示 let-7在乳腺癌起始細(xì)胞(breast tumor-initiating cells，BT-ICs)中表達(dá)顯著下降，隨細(xì)胞分化 let-7的表達(dá)上升，用慢病毒介導(dǎo)的let-7轉(zhuǎn)染BT-ICs，體外實驗中可導(dǎo)致細(xì)胞分化、乳腺微球形成，未分化細(xì)胞比例增加，體內(nèi)試驗可導(dǎo)致非肥胖糖尿病/重癥聯(lián)合免疫缺陷小鼠腫瘤形成和轉(zhuǎn)移。當(dāng)用反義寡核苷酸對抗let-7后，可促進(jìn)非BT-ICs的自我更新。進(jìn)一步研究表明，let-7通過沉默靶基因H-RAS和HMGA2發(fā)揮作用。RAS主要調(diào)控腫瘤干細(xì)胞的自我更新，沉默RAS可減少乳腺微球形成、克隆擴(kuò)增和BT-ICs的致瘤性，但不影響細(xì)胞增殖；而HMGA2主要維持多向分化潛能，沉默此基因?qū)е挛捶只?xì)胞減少。隨后，Ibarra等[22]從鼠乳腺表皮細(xì)胞系中純化到了自我更新的祖細(xì)胞，并對微小RNA的表達(dá)進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示miR-205和miR-22高表達(dá)，而let-7和miR-93低表達(dá)。因此他們指出let-7可作為一項指標(biāo)來富集自我更新的細(xì)胞群，恢復(fù)細(xì)胞中l(wèi)et-7的表達(dá)可使細(xì)胞失去自我更新的能力。Ji等[23]研究顯示表型為CD44+CD133+的胰腺癌干細(xì)胞中miR-34s表達(dá)降低、基因NORTH和BCL-2的表達(dá)升高，恢復(fù)miR-34s的表達(dá)可使胰腺癌干細(xì)胞數(shù)量下降87%，并且顯著降低腫瘤的形成。NORTH和BCL-2基因可參與干細(xì)胞的自我更新和存活，被稱為“干細(xì)胞基因”。此研究證實，miR-34可同時靶向NORTH和BCL-2基因，阻斷North信號途徑和BCL-2的抗凋亡作用，從而調(diào)節(jié)胰腺癌干細(xì)胞的自我更新，影響胰腺癌干細(xì)胞的增殖、分化和腫瘤形成。Silber等[24]在人多形性惡性膠質(zhì)細(xì)胞瘤干細(xì)胞、鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤干細(xì)胞和正常成年鼠神經(jīng)干細(xì)胞中檢測微小RNA的表達(dá)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)miR-124和miR-137的表達(dá)水平可影響細(xì)胞的生物學(xué)行為。轉(zhuǎn)染miR-124和miR-137可介導(dǎo)鼠少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤干細(xì)胞和正常成年鼠神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)分化；在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤U251和SF6969細(xì)胞中，miR-124和miR-137通過降低細(xì)胞周期蛋白依賴激酶CDK6和磷酸化視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白的表達(dá)，使細(xì)胞阻滯于G1期，抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。在髓母細(xì)胞瘤中，CD133+腫瘤干細(xì)胞低表達(dá)miR-199b-5p，進(jìn)而通過Shh和Notch2信號通路使HES1基因表達(dá)增加，促進(jìn)細(xì)胞增殖。當(dāng)細(xì)胞中miR-199b-5p的水平升高時可負(fù)向調(diào)控HES1的表達(dá)，使細(xì)胞分化能力增強(qiáng)、抑制增殖[25]。另有研究顯示，造血干細(xì)胞中miR-155持續(xù)表達(dá)可導(dǎo)致骨髓增生障礙[26]。以上研究表明微小RNA主要通過作用于調(diào)控干細(xì)胞特性的基因及信號通路發(fā)揮作用。

綜上，微小RNA和腫瘤干細(xì)胞對腫瘤的形成和進(jìn)展均具有重要作用，而且微小RNA的表達(dá)異常是腫瘤干細(xì)胞中促進(jìn)腫瘤發(fā)生、發(fā)展及轉(zhuǎn)移的重要機(jī)制之一。但目前的研究僅限于某個微小RNA改變在腫瘤干細(xì)胞中的作用，而細(xì)胞中多種微小RNA可能具有相互作用，對整個機(jī)體進(jìn)行多方面的調(diào)節(jié)，并且對于腫瘤干細(xì)胞的產(chǎn)生，微小RNA也可能發(fā)揮重要作用。因此應(yīng)進(jìn)一步檢測各種腫瘤干細(xì)胞中微小RNA的表達(dá)情況，并對腫瘤干細(xì)胞中特異的微小RNA進(jìn)行功能研究，進(jìn)一步探討腫瘤干細(xì)胞的發(fā)生與微小RNA的關(guān)系，為研發(fā)針對腫瘤干細(xì)胞的藥物和靶向治療提供幫助。

[1]Hatley ME, Patrick DM, Garcia MR,et al. Modulation of K-Ras-dependent lung tumorigenesis by MicroRNA-21 [J]. Cancer Cell, 2010, 18(3):282-293.

[2]Liu C, Kelnar K, Liu B, et al.The microRNA miR-34a inhibits prostate cancer stem cells and metastasis by directly repressing CD44[J]. Nat Med, 2011, 17(2):211-215.

[3]Bonnet D, Dick JE. Human acute myeloid leukemia is organized as a hier-archy that originates from a primitive hematopoietic cell[J].Nat Med,1997,3(7):730-737.

[4]Al-Hajj M, Wicha MS, Benito-Hernandez A,et al. Prospective identification of tumorigenic breast cancer cell[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2003,100(7):3983-3988.

[5]Gibbs CP, Kukekov VG, Reith JD, et al.Stem-like cells in bone sarcomas: implications for tumorigenesis[J]. Neoplasia,2005,7(11):967-976.

[6]Prince ME, Sivanandan R, Kaczorowski A, et al. Identification of a subpo-pulation of cells with cancer stem cell properties in head and neck squamo-us cell carcinoma[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2007,104(3):973-978.

[7]Bomken S, Fiser K, Heidenreich O, et al. Understanding the cancer stem cell [J].Br J Cancer,2010,103(4):439-445.

[8]Ischenko I, Seeliger H, Kleespies A,et al.Pancreatic cancer stem cells: new understanding of tumorigenesis, clinical implications[J].Langenbecks Arch Surg,2010,395(1):1-10.

[9]Kanamori M, Kawaguchi T, Nigro JM, et al.Contribution of Notch signaling activation to human glioblastoma multiforme[J]. J Neurosurg,2007,106(3):417-427.

[10]Farnie G, Clarke RB. Mammary stem cells and breast cancer-role of Notch signalling[J].Stem Cell Rev,2007,3(2):169-175.

[11]Bednar F, Simeone DM. Pancreatic cancer stem cells and relevance to cancer treatments[J].J Cell Biochem,2009,107(1):40-45.

[12]Li C, Heidt DG, Dalerba P, et al.Identification of pancreatic cancer stem cells[J].Cancer Res,2007,67(3):1030-1037.

[13]Wang Y, Krivtsov AV, Sinha AU,et al.The Wnt/beta-catenin pathway is required for the development of leukemia stem cells in AML[J].Science,2010, 327(5973):1650-1653.

[14]Carthew RW.Gene regulation by microRNAs[J]. Curr Opin Genet Dev, 2006, 16(2):203-208.

[15]Calin GA, Dumitru CD, Shimizu M, et al. Frequent deletions and downr-e-gulation of micro-RNA genes miR15 and miR16 at 13q14 in chronic lymphocytic leukemia[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2002,99(24):15524-15529.

[16]Xia MH. Great potential of microRNA in cancer stem cell[J]. J Cancer Mol,2008,4(3):79-89.

[17]Chow TF, Mankaruos M, Scorilas A,et al. The miR-17-92 cluster is over expressed in and has an oncogenic effect on renal cell carcinoma[J].J Urol, 2010,183(2):743-751.

[18]Jung EJ, Calin GA. The meaning of 21 in the MicroRNA world: perfection rather than destruction [J].Cancer Cell,2010,18(3):203-205.

[19]Ma L, Teruya-Feldstein J, Weinberg RA. Tumour invasion and metastasis initiated by microRNA-10b in breast cancer[J].Nature,2007, 449(7163):682-688.

[20]Lin SL, Chiang A, Chang D, et al.Loss of mir-146a function in hormone-refractory prostate cancer[J]. RNA,2008,14(3):417-424.

[21]Yu F, Yao H, Zhu P,et al. let-7 regulates self renewal and tumorigenicity of breast cancer cells[J].Cell, 2007,131(6):1109-1123.

[22]Ibarra I, Erlich Y, Muthuswamy SK. A role for microRNAs in maintenance of mouse mammary epithelial progenitor cells[J].Genes Dev,2007,21(24):3238-3243.

[23]Ji Q, Hao X, Zhang M,et al.MicroRNA miR-34 inhibits human pancreatic cancer tumor-initiating cells[J]. PLoS One, 2009,4(8):e6816.

[24]Silber J, Lim DA, Petritsch C,et al. miR-124 and miR-137 inhibit proliferation of glioblastoma multiforme cells and induce differentiation of brain tumor stem cells[J].BMC Med,2008,6(14):1-17.

[25]Garzia L, Andolfo I, Cusanelli E, et al.MicroRNA-199b-5p impairs cancer stem cells through negative regulation of HES1 in medulloblastoma[J]. PLoS One, 2009,4(3):e4998.

[26]O’Connell RM, Rao DS, Chaudhuri AA,et al. Sustained expression of microRNA-155 in hematopoietic stem cells causes a myeloproliferative disorder[J].J Exp Med,2008,205(3):585-594.

RolesofMicroRNAsinCancerStemCells

ZHANG Ting-ting, LU Zhao-hui, CHEN Jie

Department of Pathology, PUMC Hospital, CAMS and PUMC, Beijing 100730,China

CHEN Jie Tel: 010-65295490, E-mail: xhblk@163.com

Cancer stem cells are cells with stem cell characteristics within a tumor. With increased proliferative capabilities, they are able to self-renew and develop into various cell types, and thus play important roles in the formation, development, metastasis, and recurrence of tumors. MicroRNAs are a class of endogenous, small non-protein coding RNA molecules. Through regulating the expression of genes depending on the complementation between the microRNAs and their targets, microRNAs play important roles in various human cancers. This article summarizes recent research advances in the roles of microRNAs in cancer stem cells.

microRNAs; cancer stem cells; cellular signaling pathways

陳 杰 電話：010-65295490，電子郵件：xhblk@163.com

R730.2

A

1000-503X(2012)02-0174-04

10.3881/j.issn.1000-503X.2012.02.014

國家自然科學(xué)基金(30973470) Supported by the National Nature Sciences Foundation of China (30973470)

2011-06-01)