microRNA與紅系造血調(diào)控的研究進(jìn)展

韓娜慧 李文倩 馮建明▲

1.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院，青海西寧810001；2.青海省人民醫(yī)院，青海西寧810007

microRNA與紅系造血調(diào)控的研究進(jìn)展

韓娜慧1李文倩2馮建明2▲

1.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院，青海西寧810001；2.青海省人民醫(yī)院，青海西寧810007

微小RNA（microRNA）是一種序列上高度保守的小分子非編碼RNA，在轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮基因調(diào)控作用，已被認(rèn)為是多細(xì)胞生物基因表達(dá)的重要調(diào)控方式。紅細(xì)胞的發(fā)育成熟是多個(gè)基因有序開啟（或表達(dá)增強(qiáng)）和關(guān)閉（或表達(dá)降低）的結(jié)果，伴隨生物信息學(xué)的發(fā)展和靶基因的確定，近年來發(fā)現(xiàn)諸多microRNA在紅系細(xì)胞中表達(dá)，對(duì)紅系造血發(fā)揮重要調(diào)控作用，其調(diào)控作用與紅系分化轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)。

microRNA；紅系造血；紅系轉(zhuǎn)錄因子

1993年Lee等［1］在研究秀麗隱桿線蟲發(fā)育缺陷時(shí)首次發(fā)現(xiàn)第一個(gè)microRNA，2001年Leed、Lagos-Quintana M、Lau NC等所在的三個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)在Science報(bào)道了這類小RNA的存在，被正式命名為microRNAs。隨著研究的深入，越來越多的microRNA被發(fā)現(xiàn)，microRNA數(shù)據(jù)庫最新版收錄了來自約40篇新文獻(xiàn)報(bào)道的microRNA前體序列和成熟microRNAs，其中人成熟的microRNA有2578條，小鼠1908條。本文就microRNA分子特性、microRNA與紅細(xì)胞分化調(diào)控的關(guān)系做一綜述。

1 microRNA的生物學(xué)特性

microRNA是一種小分子非編碼RNA，雙鏈結(jié)構(gòu)，長度為20～25 bp，廣泛存在于低等生物到哺乳動(dòng)物體內(nèi)。其生物特性有：①microRNA基因高度保守，它們不僅在親緣關(guān)系相近的物種中高度保守，而且在許多親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種中也很相近。在秀麗隱桿線蟲中鑒定出的88種microRNA基因（這些microRNA基因從屬于48個(gè)microRNA基因家族）有86個(gè)microRNA（占97%以上）在廣桿屬線蟲中有同源體，同樣在這48個(gè)基因家族中又有22個(gè)家族在人類中有同源體，即在已鑒定的秀麗隱桿線蟲的microRNA基因中，至少有1/3在人類和其他脊椎動(dòng)物中保守［2］。②microRNA具有在時(shí)間上和組織中特異表達(dá)的性質(zhì)，如1in-4和let-7在線蟲發(fā)育過程中呈時(shí)間特異性表達(dá)［3］。在小鼠干細(xì)胞中特異表達(dá)miR-290～miR-295［4］及在人干細(xì)胞中特異表達(dá)的miR-371～miR-373［5］。

2 microRNA的作用機(jī)制

成熟的microRNA與RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物（RNA-induced silencing complex，RISC）結(jié)合形成miRISC復(fù)合物，該miRISC復(fù)合物與mRNA的3'端非翻譯區(qū)（3'UTR）特異結(jié)合，其可通過兩種轉(zhuǎn)錄后機(jī)制調(diào)節(jié)基因表達(dá)：當(dāng)成熟microRNA與靶mRNA完全互補(bǔ)時(shí)，則直接導(dǎo)致靶基因mRNA降解，當(dāng)成熟microRNA與靶mRNA不完全互補(bǔ)時(shí)，則抑制靶基因mRNA翻譯［6］。

3 microRNA的功能

microRNA對(duì)生物體基因的表達(dá)起著非常重要的調(diào)控作用。microRNA在基因數(shù)量上相對(duì)較少，但是據(jù)估計(jì)在人體內(nèi)，microRNA參與調(diào)控約1/3的基因［7］。這是因?yàn)閱蝹€(gè)microRNA可以參與調(diào)控?cái)?shù)百個(gè)基因，相反地，mRNA的3'端非翻譯區(qū)（3'UTR）可以協(xié)同結(jié)合多種microRNA。microRNA與mRNA是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，控制著成千上萬的編碼基因的mRNA水平，使得各種蛋白的表達(dá)處在一個(gè)適合的水平。通過對(duì)線蟲、果蠅等生物模式的研究發(fā)現(xiàn)，microRNA在動(dòng)物的生長發(fā)育、細(xì)胞的增殖與死亡、干細(xì)胞分化和激素分泌等許多生命過程中扮演著重要的角色［8］。近年來在對(duì)人體造血細(xì)胞的分化、腫瘤的發(fā)生發(fā)展及缺血缺氧性疾病的研究中發(fā)現(xiàn)諸多microRNA表達(dá)，其對(duì)許多生理和病理過程發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

4 microRNA與紅系造血

4.1 microRNA在紅系細(xì)胞中存在特異性表達(dá)

第一個(gè)驗(yàn)證紅系增生有關(guān)的microRNA改變是由Lu等［9］完成的。他們用磁珠微陣列技術(shù)追蹤紅細(xì)胞分化培養(yǎng)體系培養(yǎng)的臍帶血CD34+造血干細(xì)胞microRNA的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)紅系分化的增加伴隨著microRNA水平的增加。之后Choong等［10］以體外培養(yǎng)的造血干細(xì)胞分化誘導(dǎo)而來或紅白血病細(xì)胞株（K562細(xì)胞）為模型，發(fā)現(xiàn)37個(gè)microRNA在CD34+細(xì)胞尚未分化的細(xì)胞（零時(shí)點(diǎn)）和紅系成熟的許多時(shí)間點(diǎn)都有大于2倍的差異表達(dá)。這些數(shù)據(jù)與Lu等［9］的研究結(jié)果大部分都保持一致。這說明造血干/祖細(xì)胞向紅系的分化與microRNA表達(dá)有關(guān)。Choong等［10］發(fā)現(xiàn)在臍帶血來源的CD34+細(xì)胞相關(guān)分析顯示miR-15b、miR-16、miR-22和miR-185與帶有紅系特異性表面抗原（CD71、CD36、CD235a）標(biāo)記細(xì)胞有很強(qiáng)的正相關(guān)，而miR-28與帶有這些標(biāo)記的細(xì)胞呈負(fù)相關(guān)。與CD34+分化的紅系細(xì)胞相比較，在K562細(xì)胞呈模型中有127個(gè)差異表達(dá)的microRNA。這說明microRNA在K562細(xì)胞株與體外CD34+分化的紅系細(xì)胞之間有著不一樣的表達(dá)，這可能是由于兩種紅系分化模型的不同所造成的。

Rathjen等［11］對(duì)瘧疾寄生蟲惡性瘧原蟲的microRNA表達(dá)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)miR-451在紅細(xì)胞表達(dá)明顯增高。此后的許多研究證實(shí)miR-451在紅系的分化早期開始表達(dá)，并在之后成熟過程中持續(xù)高水平表達(dá)：未處理的MEL細(xì)胞類似于原始紅細(xì)胞（來源于轉(zhuǎn)染了病毒的小鼠的脾臟，處于原始紅細(xì)胞階段），二甲亞砜處理的細(xì)胞被認(rèn)為類似于晚幼紅細(xì)胞，Zhan等［12］使用微陣列比較分析microRNA在二者中的表達(dá)，并用定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)miR-451上調(diào)大于7倍，在所發(fā)現(xiàn)的上調(diào)的microRNA中最為顯著。Merkerova等［13］研究表明，與血液中其他細(xì)胞群（如血小板、粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和淋巴細(xì)胞）相比，miR-451在紅細(xì)胞和網(wǎng)織紅細(xì)胞表達(dá)升高。這提示miR-451是紅系特異表達(dá)的microRNA。另外還有microRNA在紅細(xì)胞的分化過程中上調(diào)，如miR-486在人臍帶血CD34+細(xì)胞體外培養(yǎng)體系中隨著造血干細(xì)胞向紅系分化，其表達(dá)水平隨之增高［14］。miR-210在UT-7/ EPO（促紅細(xì)胞生成素依賴型細(xì)胞系）中表達(dá)升高［15］。另有一些microRNA在紅系細(xì)胞發(fā)育成熟過程中表現(xiàn)為表達(dá)下降，如miR-221和miR-222［16］；miR-298、miR-320在二甲基亞砜處理的MEL細(xì)胞（來源于轉(zhuǎn)染了病毒的小鼠脾臟，處于晚幼紅細(xì)胞階段）中下調(diào)［12］。因此，microRNA在紅系造血及發(fā)育成過程中有升高或下降的特異性表達(dá)，說明紅細(xì)胞的成熟與microRNA表達(dá)變化有關(guān)。

4.2 microRNA參與紅系分化的調(diào)控

紅系細(xì)胞中存在microRNA的特異性表達(dá)的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)這些microRNA的不同表達(dá)影響紅系的發(fā)育分化，對(duì)紅系分化增殖具有調(diào)控作用。miR-221和miR-222在培養(yǎng)的人臍血CD34+祖細(xì)胞中表達(dá)下降可促進(jìn)造血干/祖細(xì)胞向紅系分化，生物信息學(xué)分析表明，這兩個(gè)microRNA的靶基因KIT基因（編碼一種細(xì)胞表面受體酪氨酸激酶）及其mRNA水平均與miR-221和miR-222水平負(fù)相關(guān)，在CD34+細(xì)胞中過表達(dá)miR-221/222，能夠抑制KIT基因的表達(dá)，促進(jìn)紅系分化［16］。miR223在進(jìn)行紅系誘導(dǎo)定向分化的CD34+細(xì)胞中表達(dá)明顯減少，且發(fā)現(xiàn)miR-223與CD34+紅系生成模型中LMO2（LIM domain Only protein 2，一種轉(zhuǎn)錄輔助因子）蛋白的表達(dá)成負(fù)性關(guān)系，轉(zhuǎn)染了miR-223或直接誘導(dǎo)沉默LMO2的CD34+細(xì)胞引起了不成熟紅細(xì)胞的增加［17］。miR-451在MEL細(xì)胞轉(zhuǎn)染能使β-珠蛋白的表達(dá)升高，而沉默miR-451則導(dǎo)致β-珠蛋白表達(dá)減低［12］。miR-210在UT-7/EPO（促紅細(xì)胞生成素依賴型細(xì)胞系）中表達(dá)升高，在UT-7/EPO細(xì)胞中該基因沉默導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［15］。miR-155基因轉(zhuǎn)導(dǎo)至正常人外周血CD34+造血干細(xì)胞中，引起紅系造血集落克隆數(shù)目明顯少于骨髓，所形成集落小于骨髓［18］。人的集落形成樣紅細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)miR-155在培養(yǎng)早期以未分化細(xì)胞居多時(shí)高表達(dá)，隨著向成熟紅細(xì)胞分化表達(dá)明顯下降［19］。綜上所述，miR-221、miR-222、miR-223、miR-155的表達(dá)使紅系發(fā)育受阻，它們表達(dá)下降促進(jìn)紅系發(fā)育，而miR-451、miR-210表達(dá)升高則有助于紅系的發(fā)育。這些研究提示microRNA參與紅細(xì)胞生成調(diào)控，是調(diào)控紅系分化的重要因素。

5 microRNA與紅系轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控關(guān)系

microRNA參與紅系分化的調(diào)控與某些轉(zhuǎn)錄因子密切相關(guān)，紅系特異核蛋白轉(zhuǎn)錄因子GATA-1（β珠蛋白基因增強(qiáng)子中的序列結(jié)構(gòu)）是在紅系分化和成熟過程中起關(guān)鍵作用的中心轉(zhuǎn)錄因子，它可以與FOG（friend of GATA）、紅系特異活化轉(zhuǎn)錄因子（erythroid Krüppel-like factor，EKLF）等其他紅系轉(zhuǎn)錄因子相互作用，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活化功能，共同調(diào)節(jié)紅系的分化［20］。2008年，Dore等［21］報(bào)道了在小鼠miR-144/451基因上游-2.8 kb處發(fā)現(xiàn)了GATA-1、FOG-1與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合，并證實(shí)GATA-1可激活RNA聚合酶Ⅱ，協(xié)同轉(zhuǎn)錄小鼠miR-144/451基因，從而促進(jìn)紅系前體細(xì)胞向紅系分化。2011年朱勇等［22］首次證明在人miR-144/451基因簇上游-3.8 kb位點(diǎn)存在GATA-1和EKLF的結(jié)合，協(xié)同激活miR-144/451基因的轉(zhuǎn)錄。這表明microRNA作用于靶基因，靶基因編碼的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)microRNA基因自身的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮調(diào)控作用。最近研究表明氯化高鐵血紅素誘導(dǎo)K562細(xì)胞向紅系分化過程中miR-96表達(dá)顯著升高，雙熒光報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)證明EKLF對(duì)miR-96轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游序列具有轉(zhuǎn)錄激活作用［23］。另外，Yang等［24］發(fā)現(xiàn)K562細(xì)胞miR-103的異常表達(dá)被發(fā)現(xiàn)阻止了紅系分化，而該microRNA的靶基因就有FOXJ2。因此，microRNA參與紅系分化的調(diào)控與紅系特異轉(zhuǎn)錄因子密切相關(guān)。

6 展望

microRNA的發(fā)現(xiàn)使我們重新思考生物體遺傳及其發(fā)育調(diào)控的奧秘。目前的研究已經(jīng)證實(shí)microRNA參與紅系造血過程，與紅系轉(zhuǎn)錄因子的相互作用構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，是紅系造血的一個(gè)重要調(diào)控因素。高原紅細(xì)胞增多癥（high-altitude polycythemia，HAPC）是人體對(duì)高原低氧環(huán)境（海拔2500 m以上）失去習(xí)服而引起的臨床綜合征，主要表現(xiàn)紅細(xì)胞數(shù)量和血紅蛋白增加（女性Hb≥190 g/L，男性Hb≥210 g/L），該病是低氧這一環(huán)境因素對(duì)機(jī)體紅系造血調(diào)控的疾病體現(xiàn)，屬于表觀遺傳學(xué)范疇的microRNA可能在HAPC發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮作用。近年來研究表明低氧時(shí)轉(zhuǎn)錄因子HIF表達(dá)增多導(dǎo)致一系列靶基因轉(zhuǎn)錄，從而參與機(jī)體細(xì)胞增殖、血管生成等病理生理過程［25］。有研究表明miR-210在依賴低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）途徑的低氧反應(yīng)中所誘導(dǎo)［26］。“低氧-HIF-microRNA-紅系特異基因表達(dá)”可能組成一個(gè)調(diào)控軸，在低氧誘導(dǎo)紅系造血過程中發(fā)揮著重要作用。然而，目前關(guān)于低氧通過microRNA調(diào)控紅系造血的研究非常有限。Chen等［27］通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)4名高山登山者外周血的轉(zhuǎn)錄組和microRNA表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，紅系造血是低氧對(duì)高海拔機(jī)體最顯著的上調(diào)過程之一。但具體的調(diào)控機(jī)制尚不明確。因此，研究“低氧-HIF-microRNA-紅系特異基因表達(dá)”調(diào)控軸，對(duì)于闡明低氧環(huán)境下紅系造血的調(diào)控機(jī)制有重要意義。此外，世居高原的藏族人HAPC發(fā)病率明顯低于移居者，他們對(duì)高原低氧環(huán)境具有適應(yīng)性，并且這種適應(yīng)性是可遺傳的。HIF通路與高原低氧適應(yīng)有關(guān)，HIF相關(guān)基因EGLN1［編碼脯氨酰羥化酶2（prolyl hydroxylase 2，PHD2）］和EPAS1（編碼HIF2a蛋白）是普遍證實(shí)的藏族人群高原適應(yīng)相關(guān)基因［28］。研究表明大約有6%的人類microRNAs表現(xiàn)出HIF位點(diǎn)，在17個(gè)物種中都有著顯著的保守性［29］。因此屬于表觀遺傳學(xué)的microRNA是否在高原低氧環(huán)境適應(yīng)的發(fā)生機(jī)制中有著重要作用也是值得關(guān)注。

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Research progress of the microRNA and regulating erythropoiesis

HAN Nahui1LI Wenqian2FENG Jianming2▲
1.Medical College of Qinghai University,Qinghai Province,Xining810001,China;2.Department of Hematology, Qinghai Provincial People's Hospital,Qinghai Province,Xining810007,China

microRNA is a small molecule non-coding RNA which sequence highly conserved,it plays a role in posttranscriptional gene regulation level,and has been considered as an important way of regulating gene expression in multicellular organisms.The development and maturity of red blood cells are because of switching many genes on or off,or increase or decrease genes expression.With the development of bioinformatics and the determination of target genes,in recent years it finds that a variety of microRNAs express in erythroid cells,which plays an important role in the regulation of erythropoiesis,and its regulatory role is related with erythroid differentiation related transcription factor.

microRNA;Erythropoiesis;Erythroid transcription factor

R329.28[

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2014-11-26本文編輯：張瑜杰）

韓娜慧（1988-），女，碩士研究生；研究方向：高原血液病。

▲通訊作者