miRNA對(duì)秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命的影響

曹 崢 張志華 傅紫東 張 妍，2▲

1.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)藥理教研室，黑龍江哈爾濱 150081；2.心血管藥物研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室哈爾濱醫(yī)科大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150081

自古以來(lái)，人類從未停止追求青春永駐、長(zhǎng)生不老的腳步。歷史上也出現(xiàn)過(guò)很多“長(zhǎng)生不老”的秘方和“靈丹妙藥”的煉制。時(shí)至今日，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了“長(zhǎng)生不老”只是個(gè)夢(mèng)想，但是延緩衰老確實(shí)可能實(shí)現(xiàn)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，生命科學(xué)的研究觸角已經(jīng)深入到分子水平，在分子水平發(fā)現(xiàn)生命的奧秘，發(fā)現(xiàn)延緩衰老的新靶點(diǎn)、新物質(zhì)。近年來(lái)一類新的非編碼微小RNA（microRNA或 miRNA）引起研究者們的廣泛興趣。miRNA參與細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)，在胚胎發(fā)育、脂肪代謝、細(xì)胞增殖、凋亡、分化等一系列生命過(guò)程中扮演重要角色。miRNA表達(dá)水平受環(huán)境因素影響，在動(dòng)物模型上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)miRNA對(duì)壽命密切相關(guān)的靶蛋白具有調(diào)節(jié)作用。

壽命研究需要較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期，尋找合適的模式生物進(jìn)行研究至關(guān)重要?？窃谥T多重要雜志上的論文，80%以上壽命相關(guān)過(guò)程和機(jī)制的研究都是通過(guò)模式生物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用于壽命研究的模式生物包括酵母、線蟲(chóng)、果蠅、斑馬魚和小鼠等。反復(fù)比較和實(shí)驗(yàn)后，秀麗隱桿線蟲(chóng)因其容易培養(yǎng)、繁殖能力很強(qiáng)、身體透明便于觀察、2萬(wàn)個(gè)蛋白序列中83%與人類有同源基因等優(yōu)勢(shì)受到更多學(xué)者的青睞。本研究對(duì)其進(jìn)行綜述總結(jié)如下：

1 miRNA的發(fā)育及功能

miRNA是一種大小為21～23個(gè)堿基的單鏈小分子RNA。最原始的pri-miRNA，長(zhǎng)度為300～1000個(gè)堿基；primiRNA經(jīng)過(guò)一次加工后，成為pre-miRNA即miRNA的前體，長(zhǎng)度為 70～90個(gè)堿基；pre-miRNA再經(jīng)過(guò) Dicer酶酶切后，最終成為了成熟miRNA[1]。這些非編碼小分子RNA參與調(diào)控基因表達(dá)等重要活動(dòng)[2]。多個(gè)研究小組在人類、果蠅、植物等多種生物物種中鑒別出了數(shù)千個(gè)miRNA，它廣泛存在于人體各組織中，如肝臟、胰腺、脂肪、肌肉等。

1993年miRNA首先在秀麗隱桿線蟲(chóng)體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)[3]，從被發(fā)現(xiàn)至今，miRNA參與控制基因表達(dá)的機(jī)制已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。miRNA的主要通過(guò)三種方式發(fā)揮作用：①切斷靶基因的mRNA分子——miRNA與靶基因完全互補(bǔ)結(jié)合，作用方式和功能與siRNA非常相似，最后切割靶mRNA分子；②抑制靶基因的翻譯——作用時(shí)與靶基因不完全互補(bǔ)結(jié)合，進(jìn)而阻遏翻譯而不影響mRNA的穩(wěn)定性；③結(jié)合抑制——具有以下兩種作用模式：當(dāng)與靶基因互補(bǔ)結(jié)合時(shí)，直接靶向切割mRNA；當(dāng)與靶基因不完全結(jié)合時(shí)，起調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用。

2 衰老的影響因素

衰老的影響因素主要來(lái)自三方面：環(huán)境因素、胰島素/胰島素樣生長(zhǎng)因子-1信號(hào)傳導(dǎo)通路（IIS信號(hào)通路）以及其他影響因素，如TOR、SIRT1信號(hào)通路等。

機(jī)體的內(nèi)在環(huán)境對(duì)壽命起著主導(dǎo)作用，外界環(huán)境因素也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在影響著人類的生命活動(dòng)。環(huán)境因素，例如：熱量控制可以影響壽命，限制卡路里的同時(shí)攝入一定量的維生素和礦物質(zhì)，可以延長(zhǎng)壽命和預(yù)防疾病[4]。熱量控制也可以降低癌癥的發(fā)生、惡化和轉(zhuǎn)移。微陣列分析表明腫瘤患者的mir-203明顯改變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)mir-203的作用靶點(diǎn)為Cav-1，一種存在于膽固醇穩(wěn)態(tài)、膜泡運(yùn)動(dòng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)等的蛋白質(zhì)[5]，抑制了Cav-1從而抑制腫瘤的增生，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為癌癥的治療提供了更多的可能。

IIS信號(hào)通路是體內(nèi)衰老相關(guān)的重要信號(hào)通路。通常情況下隨著胰島素肽的釋放啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)，激活 PI3K，活化 PDK-1和 AKT，并最終磷酸化 daf-16，使其失活而停留在細(xì)胞質(zhì)中，使得長(zhǎng)壽相關(guān)基因不能表達(dá)。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，調(diào)控休眠的幼蟲(chóng)形成的基因（daf基因）能夠影響線蟲(chóng)壽命，其中daf-2、daf-16是這一遺傳調(diào)控通路下游的兩個(gè)重要基因。Daf-2突變體可以引起細(xì)胞內(nèi)IIS信號(hào)改變，通過(guò)激活daf-16/FOXO的轉(zhuǎn)錄因子，使壽命延長(zhǎng)；daf-16則可以調(diào)節(jié)上百種涉及代謝和壓力抵抗的基因表達(dá)[6-7]。

TOR（target of rapamycin）是一種蘇氨酸/絲氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇3激酶相關(guān)激酶蛋白家族[8]。TOR激酶是一個(gè)從酵母到植物和人類，進(jìn)化上保守的重要調(diào)控因子，其負(fù)責(zé)整合營(yíng)養(yǎng)和能量信號(hào)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)。哺乳動(dòng)物TOR激酶在細(xì)胞增殖、胰島素信號(hào)、癌癥啟動(dòng)與轉(zhuǎn)移的翻譯水平調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[9-10]。將TOR信號(hào)通路的關(guān)鍵基因剔除可以明顯地觀察到突變生物壽命的延長(zhǎng)[11]。Sirt1是依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的蛋白脫乙酰酶，通過(guò)脫乙酰作用調(diào)節(jié)脂質(zhì)、葡萄糖和蛋白質(zhì)的代謝，與細(xì)胞增殖、分化、衰老、凋亡和代謝密切相關(guān)。

3 miRNA對(duì)壽命相關(guān)信號(hào)通路的影響

在秀麗隱桿線蟲(chóng)成熟過(guò)程中，同一個(gè)miRNA在不同發(fā)育階段的表達(dá)量是不同的，一部分miRNA的表達(dá)隨著年齡改變，甚至有一些miRNA增加或減少兩倍以上。其中動(dòng)態(tài)變化比較顯著的兩個(gè)是mir-34和let-7。mir-34在十天內(nèi)增加四倍多，而let-7則減少近7倍[12]，這兩個(gè)miRNA也與腫瘤的發(fā)展有密切關(guān)系[13-14]。Mir-1在早衰的老鼠和人的體內(nèi)都有明顯的升高[15]。線蟲(chóng)的遺傳學(xué)研究表明miRNA的表達(dá)減少或增加都會(huì)影響線蟲(chóng)的壽命[13，16]。有文獻(xiàn)報(bào)道，線蟲(chóng)體內(nèi)一些miRNA的表達(dá)模式可以預(yù)測(cè)線蟲(chóng)的壽命[17]，說(shuō)明miRNA可能成為壽命的生物標(biāo)記物。

多種miRNA對(duì)壽命相關(guān)IIS通路具有調(diào)節(jié)作用，例如mir-1、mir-320、mir-206 都可以抑制 IGF-1 相關(guān)蛋白[13，16]，從而產(chǎn)生延長(zhǎng)壽命的作用，miR-239和miR-246則可以預(yù)測(cè)長(zhǎng)壽[13]。在秀麗隱桿線蟲(chóng)頭部或者尾部組織特異性表達(dá)的miR-71也是長(zhǎng)壽的重要生物標(biāo)記[17]。miR-71的長(zhǎng)壽機(jī)制很可能是通過(guò)IIS途徑，因?yàn)閙iR-71敲除可以增加IIS通路上的各種因子的表達(dá)。Daf-16突變體的miR-71表達(dá)增加，說(shuō)明Daf-16和miR-71通過(guò)相互的反饋調(diào)節(jié)維持彼此的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[13]。

miRNA對(duì)TOR、SIRT1信號(hào)通路的影響也有報(bào)道。過(guò)表達(dá)mir-100可以抑制TOR的轉(zhuǎn)錄[18]；支鏈氨基酸是TOR和胰島素分泌的主要生理學(xué)激活劑，而mir-277控制著支鏈氨基酸和支鏈酮酸的比例[19]。細(xì)胞核內(nèi)FXR/SHP通路控制著mir-34a，而mir-34a的作用靶點(diǎn)就是SIRT1。體內(nèi)代謝途徑的損壞或者代謝產(chǎn)物、膽固醇、膽汁酸等的過(guò)度積累，會(huì)發(fā)展成為代謝紊亂進(jìn)而產(chǎn)生相關(guān)疾病，例如心臟病、脂肪肝、肥胖癥、糖尿病等[20]。人工誘導(dǎo)老鼠，使其肥胖產(chǎn)生脂肪肝，在它的肝臟中mir-34a的含量明顯升高而SIRT1含量則下降了[21]。mir-217在成熟的過(guò)程中不斷地在內(nèi)皮細(xì)胞中積累，可以通過(guò)綁定SIRT1信使RNA的3′UTR端來(lái)調(diào)節(jié)SIRT的表達(dá)[22]。

4 miRNA對(duì)衰老相關(guān)疾病的影響

miRNA通過(guò)IIS、TOR等通路調(diào)節(jié)壽命常常與人類衰老相關(guān)疾病聯(lián)系在一起，如心臟、肌肉、神經(jīng)變性等疾病[23-25]。衰老是大分子損傷不斷積累和細(xì)胞凋亡導(dǎo)致多器官生理功能衰退過(guò)程。雖然有很多環(huán)境和隨機(jī)因素作用于衰老過(guò)程中，但衰老還是呈現(xiàn)出一種強(qiáng)大的基因決定性，基因調(diào)節(jié)衰老和老化的作用是細(xì)胞生成和組織發(fā)育中重要的影響因素。作用于IIS上的miR-1和miR-375與心臟疾病聯(lián)系密切，不論在鼠還是在人類體內(nèi)，心肌肥厚的心臟mir-1的表達(dá)減少[26]；mir-375在心肌梗死患者血漿中含量降低[27]?？梢约せ頣OR的mir-21是心肌肥厚進(jìn)程中表達(dá)升高最多的miRNA之一[28]。mir-122是肝臟中存在最多的miRNA，對(duì)維持肝臟的膽固醇代謝，壓力反應(yīng)，預(yù)防病毒感染，以及對(duì)肝臟基因的生理調(diào)節(jié)等具有重要作用[29]。在胰腺中，mir-375同樣具有重要作用，比如影響胰島素基因的轉(zhuǎn)錄、胰島素的分泌、胰腺細(xì)胞的生長(zhǎng)[30]。mir-27、mir-378可以控制脂肪的分化和脂質(zhì)的生成[31]。mir-223可以在心肌細(xì)胞中調(diào)節(jié)葡萄糖的攝取[32]。miRNA對(duì)各種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展同樣具有調(diào)節(jié)作用，以結(jié)直腸癌為例mir-143、mir-145在結(jié)直腸癌發(fā)生前和發(fā)生時(shí)的表達(dá)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在結(jié)直腸癌的細(xì)胞中轉(zhuǎn)染mir-145，結(jié)腸癌細(xì)胞的生長(zhǎng)被抑制[33]。

5 小結(jié)

miRNA與長(zhǎng)壽相關(guān)研究是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，但是已經(jīng)引起諸多學(xué)者的關(guān)注。在各種生物的衰老過(guò)程中，miRNA呈現(xiàn)組織特異性，miRNA不僅通過(guò)壽命相關(guān)信號(hào)通路影響衰老過(guò)程，也可以通過(guò)影響壽命相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程間接影響壽命。隨著對(duì)miRNA與壽命調(diào)節(jié)的研究不斷深入，將會(huì)有更多的影響壽命的miRNA被發(fā)現(xiàn)。

[1]Braun JE，Huntzinger E，F(xiàn)auser M，et al.GW182 proteins directly recruit cytoplasmic dead enylase complexes to miRNA targets[J].Molecular Cell，2011，44（1）：120-133.

[2]Bartel DP.MiRNAs：genomics，biogenesis，mechanism，and function[J].Cell，2004，116（2）：281-297.

[3]Lee RC，F(xiàn)einbaum RL，Ambros V.The C.elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14[J].Cell，1993，75（5）：843-854.

[4]Fontana L，Partridge L，Longo VD.Extending healthy life span—from yeast to humans[J].Science，2010，328（5976）：321-326.

[5]Orom UA，Lim MK，Savage JE，et al.MiRNA-203 regulates caveolin-1 in breast tissue during caloric restriction [J].Cell Cycle，2012，11（7）：1291-1295.

[6]Murphy CT.The search for DAF-16/FOXO transcriptional targets：approaches and discoveries [J].Experimental Gerontology，2006，41（10）：910-921.

[7]Greer EL，Brunet A.FOXO transcription factors in ageing and cancer[J].Acta Physiologica，2008，192（1）：19-28.

[8]Martin DE，Hall MN.The expanding TOR signaling network[J].Current Opinion in Cell Biology，2005，17（2）：158-166.

[9]Guo H，Ingolia NT，Weissman JS，et al.Mammalian miRNAs predominantly act to decrease target mRNA levels [J].Nature，2010，466（7308）：835-840.

[10]Huntzinger E，Izaurralde E.Gene silencing by miRNAs：contributions of translational repression and mRNA decay [J].Nature Reviews Genetics，2011，12（2）：99-110.

[11]Harrison DE，Strong R，Sharp ZD，et al.Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice[J].Nature，2009，460（7253）：392-395.

[12]Johnson SM，Grosshans H，Shingara J，et al.RAS is regulated by the let-7MiRNA Family[J].Cell，2005，120（5）：635-647.

[13]Lencastre DA，Pincus Z，Zhou K，et al.MiRNAs both promote and antagonize longevity in C.elegans[J].Current Biology，2010，20（24）：2159-2168.

[14]He L，He X，Lim LP，et al.A miRNA component of the p53 tumour suppressor network[J].Nature，2007，447（7148）：1130-1134.

[15]Mari?o G，Ugalde AP，F(xiàn)ernández áF，et al.Insulin-like growth factor 1 treatment extends longevity in a mouse model of human premature aging by restoring somatotroph axis function [J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2010，107（37）：16268-16273.

[16]Boehm M，Slack F.A developmental timing miRNA and its target regulate life span in Celegans[J].Science，2005，310（5756）：1954-1957.

[17]Pincus Z，Smith VT，Slack FJ.MicroRNA predictors of longevity in Caenorhabditis elegans[J].PLoS Genetics，2011，7（9）：e1002306.

[18]Nagaraja AK，Creighton CJ，Yu Z，et al.A link between mir-100 and FRAP1/mTOR in clear cell ovarian cancer[J].Molecular Endocrinology，2010，24（2）：447-463.

[19]Esslinger SM，Schwalb B，Helfer S，et al.Drosophila miR-277 controls branched-chain amino acid catabolism and affects lifespan[J].RNA biology，2013，10（6）.

[20]Lee J，Kemper JK.Controlling SIRT1 expression by miRNAs in health and metabolic disease[J].Aging（Albany NY），2010，2（8）：527.

[21]Lee J，Padhye A，Sharma A，et al.A pathway involving farnesoid X receptor and small heterodimer partner positively regulates hepatic sirtuin 1 levels via miRNA-34a inhibition [J].Journal of Biological Chemistry，2010，285（17）：12604-12611.

[22]Menghini R，Casagrande V，Cardellini M，et al.MiRNA 217 modulates endothelial cell senescence via silent information regulator 1[J].Circulation，2009，120（15）：1524-1532.

[23]Hulsmans M，De Keyzer D，Holvoet P.MiRNAs regulating oxidative stress and inflammation in relation to obesity and atherosclerosis[J].The FASEB Journal，2011，25（8）：2515-2527.

[24]Hamrick MW，Herberg S，Arounleut P，et al.The adipokine leptin increases skeletal muscle mass and significantly alters skeletal muscle miRNA expression profile in aged mice[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2010，400（3）：379-383.

[25]Provost P.MiRNAs as a molecular basis for mental retardation，Alzheimer's and prion diseases[J].Brain Research，2010，1338：58-66.

[26]Han M，Toli J，Abdellatif M.MiRNAs in the cardiovascular system[J].Current Opinion in Cardiology，2011，26（3）：181-189.

[27]D'Alessandra Y，Devanna P，Limana F，et al.Circulating miRNAs are new and sensitive biomarkers of myocardial infarction[J].European Heart Journal， 2010， 31（22）：2765-2773.

[28]Cheng Y，Ji R，Yue J，et al.MiRNAs are aberrantly expressed in hypertrophic heart：do they play a role in cardiac hypertrophy?[J].The American Journal of Pathology，2007，170（6）：1831-1840.

[29]Esau C，Davis S，Murray SF，et al.miR-122 regulation of lipid metabolism revealed by in vivo antisense targeting [J].Cell metabolism，2006，3（2）：87-98.

[30]Najafi SH，Kristo F，Li Y，et al.MiRNA-33 and the SREBP host genes cooperate to control cholesterol homeostasis[J].Science，2010，328（5985）：1566-1569.

[31]Gerin I，Bommer GT，McCoin CS，et al.Roles for miRNA-378/378 in adipocyte gene expression and lipogenesis [J].American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism，2010，299（2）：198-206.

[32]Lu H，Buchan RJ，Cook SA.MiRNA-223 regulates Glut4 expression and cardiomyocyte glucose metabolism[J].Cardiovascular Research，2010，86（3）：410-420.

[33]Slaby O，Svoboda M，F(xiàn)abian P，et al.Altered expression of miR-21，miR-31，miR-143 and miR-145 is related to clinicopathologic features of colorectal cancer[J].Oncology，2008，72（5-6）：397-402.