輻射相關(guān)microRNA研究進(jìn)展

王瑜，付潔，宋海峰

1.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所，北京 100850；2.山東大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100

microRNA（miRNA）是真核生物中一類在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)的長(zhǎng)度約22核苷酸的非編碼小RNA，可通過與靶mRNA的3'非翻譯區(qū)（UTR）近乎完全互補(bǔ)結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄水平使其降解，或與之不完全互補(bǔ)結(jié)合，在翻譯水平抑制蛋白合成，也可與靶mRNA的5'UTR相互作用上調(diào)蛋白的表達(dá)［1-3］。大量研究已表明，miRNA與腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)［4-5］，可能成為新型診斷標(biāo)志物和/或藥物靶標(biāo)。

電離輻射作為一種高能物理損傷因素，可通過電離激發(fā)產(chǎn)生自由基并造成DNA分子損傷，導(dǎo)致大量電離輻射誘導(dǎo)基因如p21、ATM、p53等［6-10］的表達(dá)發(fā)生變化，從而廣泛影響細(xì)胞周期調(diào)控、DNA損傷修復(fù)和細(xì)胞凋亡等生物學(xué)反應(yīng)過程，繼而誘發(fā)腫瘤。因此，電離輻射、DNA損傷和腫瘤之間有著密切的聯(lián)系。Ishii等［11］于2006年最早在小鼠胚胎干細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)輻射可以誘導(dǎo)一些miRNA的表達(dá)，而這些miRNA在小鼠、禽類和人類中具有很高的保守性，他們首次提出miRNA在調(diào)控人類多能干細(xì)胞的DNA損傷中可能是潛在的治療手段。此后研究進(jìn)一步證實(shí)，miRNA在輻射誘導(dǎo)的生物學(xué)反應(yīng)過程中確實(shí)扮演重要角色。

目前，盡管研究者們已就miRNA-癌癥及輻射-癌癥的關(guān)系展開大量研究，但對(duì)于miRNA-輻射之間的關(guān)系研究仍處于起步階段。我們從以下3個(gè)方面闡述輻射相關(guān)miRNA的研究進(jìn)展。

1 輻射調(diào)節(jié)miRNA表達(dá)

輻射既能誘導(dǎo)某些miRNA的表達(dá)，同時(shí)也能抑制某些miRNA的表達(dá)。輻射對(duì)于miRNA表達(dá)水平的調(diào)節(jié)通常與其輻射敏感性調(diào)節(jié)功能相關(guān)。如Wang Xiao-Chun[12]等通過比較術(shù)后放療敏感/抵抗患者的非小肺癌細(xì)胞的miRNA表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，與輻射抵抗的患者相比，輻射敏感患者有5個(gè)miRNA表達(dá)上調(diào)、7個(gè)miRNA表達(dá)下調(diào)，從而為篩選放療敏感miRNA標(biāo)志物提供了理論依據(jù)。

電離輻射產(chǎn)生DNA損傷，主要可以通過轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)miRNA的成熟、剪接等加工過程，但是否通過調(diào)節(jié)miRNA的降解過程尚待闡明[13]。因此，輻射在不同的組織和細(xì)胞中誘導(dǎo)miRNA的表達(dá)機(jī)制主要有：①DNA損傷調(diào)控miRNA的轉(zhuǎn)錄，其中，p53發(fā)揮了重要作用。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激或DNA損傷時(shí)，p53可以直接轉(zhuǎn)錄生成miR-34a-c，后者進(jìn)而通過下調(diào)下游一系列靶基因CDK4/6、CyclinD1/E2、E2F3、BCL2、MET、c-Myc等，對(duì)細(xì)胞周期、凋亡、增殖、侵襲轉(zhuǎn)移和分化等產(chǎn)生影響[14-15]，因此miR-34a-c家族是目前公認(rèn)的p53依賴的輻射調(diào)控分子。②DNA損傷調(diào)控miRNA的加工和成熟過程。p53/p63/p73可以通過RNA解旋酶p68與Drosha/DGCR8加工復(fù)合體相互作用，從而增強(qiáng)miR-16-1、miR-143和miR-145等的轉(zhuǎn)錄后成熟過程[16]。但目前輻射對(duì)于miRNA抑制表達(dá)的機(jī)制仍有待闡明。

研究表明，輻射調(diào)節(jié)miRNA表達(dá)的變化具有以下特性：①組織細(xì)胞特異性。Nikiforova[17-19]等發(fā)現(xiàn)，如Let7家族等miRNA，輻射對(duì)其表達(dá)的影響可以因細(xì)胞系不同而出現(xiàn)上調(diào)或下調(diào)的不同效果。②劑量特異性。Shin等［20］分別用20和40 Gy的137Cs射線照射A549細(xì)胞，培養(yǎng)24 h后發(fā)現(xiàn)20 Gy照射后有4個(gè)miRNA下調(diào)，而40 Gy照射后有2個(gè)不同于20 Gy變化的miRNA發(fā)生下調(diào)，8個(gè)miRNA發(fā)生上調(diào)。③時(shí)間特異性。Dickey［21］等發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間點(diǎn)（30 min、2 d、7 d）的miRNA變化譜不一樣。例如，haslet-7g在2 Gy γ射線照射后，其在30 min、2 d、7 d的變化分別為下降至1/1.01、上升1.03倍、下降至1/1.44。④性別特異性。Koturbash等［22］用1 Gy的 X射線照射小鼠腦部，分析腦部miRNA組學(xué)發(fā)現(xiàn)，相較于雄鼠，雌鼠的海馬中有3個(gè)miRNA表達(dá)顯著上調(diào)、4個(gè)顯著下調(diào)，在額皮質(zhì)中有2個(gè)miRNA明顯下調(diào)，在小腦中有1個(gè)顯著上調(diào)，并指出這種輻射誘導(dǎo)miRNA表達(dá)譜差異的性別特異性可能與雌激素反應(yīng)元件有關(guān)。⑤旁觀者效應(yīng)。Chaudhry[23]等利用人類淋巴母細(xì)胞旁觀者效應(yīng)模型系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，照射后miRNA的表達(dá)變化具有旁觀者效應(yīng)，如let-7家族在受照細(xì)胞中是上調(diào)的，而在旁觀細(xì)胞中其大部分的表達(dá)是下調(diào)的。

2 miRNA參與輻射后DNA損傷

盡管目前確認(rèn)上述一些轉(zhuǎn)錄因子，如p53等可以調(diào)節(jié)miRNA的表達(dá)水平，但這些蛋白自身也可以受到miRNA的調(diào)節(jié)。如miR-504和miR-133a就是p53和p63的負(fù)性調(diào)控因子[24-25]。

電離輻射后DNA分子可產(chǎn)生多種變化，如核苷堿基損傷、交聯(lián)、DNA單鏈和雙鏈斷裂等，其中雙鏈斷裂是導(dǎo)致各種輻射生物效應(yīng)的關(guān)鍵損傷形式。miRNA參與輻射后DNA損傷主要是通過靶向DNA損傷相關(guān)基因進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖1綜合顯示了在雙鏈DNA 損傷應(yīng)答通路中，對(duì) ATM、H2AX、RAD52、BRCA1、p53、p63、E2F、p21、CDK等重要基因進(jìn)行特異調(diào)節(jié)的miRNA-基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[26]。miRNA對(duì)于DNA損傷相關(guān)基因的調(diào)節(jié)主要在3個(gè)不同層次實(shí)現(xiàn)：首先，miRNA調(diào)控能夠檢測(cè)DNA雙鏈斷裂的感應(yīng)器基因，能夠傳播DNA損傷信號(hào)的調(diào)節(jié)器蛋白，包括53BP1[27]、BRCA1[28]等；其次，miRNA能夠調(diào)控傳感器蛋白，主要包括ATM[29]和ATR[30]，它們可將DNA損傷信號(hào)傳遞給下游蛋白；第三，miRNA能夠調(diào)控實(shí)現(xiàn)DNA修復(fù)等過程的效應(yīng)子蛋白，從而調(diào)控細(xì)胞周期、DNA損傷修復(fù)、凋亡等過程[31]。

據(jù)預(yù)測(cè)，30%的人類蛋白受miRNA調(diào)控，目前靶向輻射相關(guān)基因miRNA的功能研究只是冰山一角。細(xì)胞的輻射敏感性反映了DNA修復(fù)的效率，同時(shí)，NHEJ和HRR通路中核心元件的缺失導(dǎo)致了細(xì)胞輻射敏感性的細(xì)胞表型[32]。因此，miRNA介導(dǎo)的這些核心蛋白元件的負(fù)向調(diào)控，提供了調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)于輻射或化學(xué)治療化合物的敏感性的新的途徑。

3 miRNA參與輻射生物學(xué)效應(yīng)

3.1 miRNA參與輻射敏感性調(diào)節(jié)

miRNA通過調(diào)節(jié)電離輻射相關(guān)DNA損傷效應(yīng)蛋白等內(nèi)在因素，以及調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境等外在因素來影響輻射敏感性，達(dá)到使細(xì)胞輻射敏感或輻射保護(hù)的目的。

在神經(jīng)細(xì)胞瘤中，由N-myc介導(dǎo)調(diào)控ATM的miR-421異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致S期細(xì)胞周期檢查點(diǎn)的變化和增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)輻射的敏感性[33]。Yan[34]和Chen[35]等的研究證明，miR-101通過靶向DNA雙鏈損傷中重要基因ATM和DNA-PKcs使其表達(dá)下調(diào)，從而增加腫瘤細(xì)胞的輻射敏感性。同時(shí)，Tan[36]等也證實(shí)miR-22以ATM依賴方式上調(diào)，并抑制PTEN的表達(dá)，使得輻射敏感性增加。此外，在不同的細(xì)胞系和模型中，let-7家族高表達(dá)均可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對(duì)輻射的敏感性[37-38]，提示let-7可能成為提高患者放療療效的新靶點(diǎn)。相反，有些miRNA也可以保護(hù)細(xì)胞，減少輻射所致DNA損傷。Yang[39]等發(fā)現(xiàn)，在照射移植有肝癌細(xì)胞的裸鼠腫瘤實(shí)驗(yàn)中，miR-210的下調(diào)可以降低細(xì)胞對(duì)輻射的耐受性。

miRNA對(duì)腫瘤微環(huán)境等外在因素的調(diào)節(jié)繼而影響輻射敏感性，主要通過低氧和血管生成2個(gè)因素實(shí)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，miR-210在調(diào)控腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮關(guān)鍵作用，它在低氧環(huán)境中充當(dāng)了獨(dú)特而多效的角色“低氧miRNA”，通過激活細(xì)胞周期檢查點(diǎn)并降低caspase-8活性來抑制腫瘤細(xì)胞的死亡，或降低活性氧的水平來激活細(xì)胞不死性的水平［40-42］。

3.2 miRNA參與輻射誘導(dǎo)腫瘤

電離輻射具有致癌性，1902年報(bào)道了第一例與輻射相關(guān)的皮膚癌癥病例。研究表明，電離輻射作為基因毒劑，損傷DNA分子啟動(dòng)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的程序，其關(guān)鍵點(diǎn)在于是否改變了某些關(guān)鍵基因（如癌基因、抑癌基因）的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致細(xì)胞增殖失調(diào)和向惡性轉(zhuǎn)化。DNA損傷及其引發(fā)的突變是大多數(shù)癌癥的誘因。

miRNA與腫瘤發(fā)生關(guān)系的首例報(bào)道源于對(duì)慢性淋巴細(xì)胞白血?。–LL）的分子生物學(xué)研究，在染色體13q14區(qū)域miR-15a和miR-16a的表達(dá)水平與正常細(xì)胞相比顯著下降，且miR-15a和miR-16a通過靶向B細(xì)胞CLL瘤基因調(diào)節(jié)腫瘤生成［43］。Zhu等證實(shí)miR-21參與輻射誘導(dǎo)肝癌的形成［44］。高劑量LET照射小鼠肝臟繼續(xù)喂養(yǎng)2年后，小鼠肝臟中miR-21是惟一上升6倍的miRNA，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其靶蛋白PTEN和RECK的表達(dá)量減少，研究人員還注意到在2 Gy照射肝癌細(xì)胞后，激活蛋白AP-1（miR-21上游調(diào)控分子）在2 h內(nèi)發(fā)生上調(diào)，2 h后則主要是ErbB/Stat3通路被激活，這些都促使miR-21表達(dá)增加，從而促進(jìn)肝癌的形成。

圖1 miRNA通過調(diào)控多條通路中核心蛋白元件來調(diào)節(jié)雙鏈DNA損傷應(yīng)答

4 結(jié)語

腫瘤細(xì)胞的輻射抵抗性是目前采用放療治療腫瘤須克服的問題，深入闡明影響腫瘤輻射敏感性和耐受性的因素具有重要的科學(xué)意義和臨床意義。miRNA作為一種新型調(diào)節(jié)因子，深入研究電離輻射所致DNA損傷對(duì)miRNA調(diào)節(jié)的作用，以及miRNA如何通過靶向輻射相關(guān)基因，繼而參與調(diào)節(jié)電離輻射引起的生物效應(yīng)，對(duì)揭示輻射相關(guān)生物學(xué)反應(yīng)的分子生物學(xué)機(jī)制、放射病的治療與預(yù)防及潛在的放療等腫瘤治療手段的臨床應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。

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