微RNAs的生物學(xué)特性及相關(guān)疾病概述

李 華

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京衛(wèi)生分院 南京衛(wèi)生學(xué)校 210038)

微RNAs (miRNAs) 最初由Lee等人于1993年發(fā)現(xiàn)，是一類長(zhǎng)度約為18～25個(gè)核苷酸的非編碼單鏈RNA。miRNAs廣泛存在于生物界，在進(jìn)化上十分保守，能參與真核生物基因表達(dá)的特異性調(diào)控。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人類約有1500個(gè)miRNAs基因組，且人類約有60%的mRNA包含miRNAs的結(jié)合位點(diǎn)[1]。本文對(duì)miRNAs的生物學(xué)特性和相關(guān)疾病作一概述。

1 miRNAs的生物學(xué)特性

1.1 生物合成 miRNAs的生物合成始于由RNA聚合酶II(RNA polymerase II，POL II)催化的miRNAs基因的轉(zhuǎn)錄過程，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生幾千個(gè)堿基長(zhǎng)度的初始microRNAs(pri-microRNAs)。繼而，由RNA酶III核酸內(nèi)切酶(Drosha)及其輔助因子DGCR8(DiGeorge syndrome critical region 8)連同其他蛋白形成的復(fù)合物對(duì)pri-microRNAs進(jìn)行剪切，生成一種具有發(fā)卡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度約為60～100個(gè)核苷酸的miRNAs前體(pre-miRNAs)。

Pre-miRNAs在Exportin-5蛋白(RAN-GTP依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)的幫助下，從細(xì)胞核運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)膜。Pre-miRNAs一旦進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，就會(huì)在RNA酶III核酸內(nèi)切酶(Dicer)、人類免疫缺陷病毒活化反應(yīng)RNA 結(jié)合蛋白(the human immunodeficiency virus transactivating response RNA binding protein, TRBP)和argonaute2蛋白(AGO2)的共同作用下，最終產(chǎn)生18～25個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的成熟雙鏈miRNAs，即miRNA：miRNA*(其中的miRNA*表示miRNA的互補(bǔ)鏈)。隨后，雙鏈miRNAs中的一條鏈被降解，另外一條鏈以不完全互補(bǔ)配對(duì)的方式被裝載到RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA-induced silencing complex，RISC)中形成新的復(fù)合物miRNA-RISC，從而成為一個(gè)成熟的有生物學(xué)功能的miRNAs。miRNA-RISC復(fù)合物能識(shí)別并結(jié)合到mRNAs的特定序列如3′-非翻譯區(qū)(3′-UTR)上，并通過包括對(duì)翻譯和延長(zhǎng)階段的抑制在內(nèi)的多種機(jī)制，或使靶mRNA脫腺苷化，或?qū)⒑怂醿?nèi)切酶裂解，來促使基因沉默，減少相應(yīng)蛋白質(zhì)的表達(dá)[1]，最終實(shí)現(xiàn)miRNAs的各種生物學(xué)調(diào)節(jié)功能。

1.2 生物學(xué)調(diào)節(jié)功能 miRNAs調(diào)節(jié)多種生物學(xué)過程，包括細(xì)胞凋亡、胰島素分泌、脂質(zhì)代謝、干細(xì)胞分化、抗原呈遞等[2]。

1.2.1 調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡指由細(xì)胞發(fā)生自主且有序的死亡過程，具有維持生物機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的作用。miRNAs的表達(dá)異?？蓪?dǎo)致細(xì)胞凋亡失敗，最終導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。miRNAs在細(xì)胞凋亡的確切作用機(jī)制尚未完全研究清楚，但Cimmino等的研究顯示，miR-15和miR-16兩種miRNAs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通過錨定Bcl2蛋白來實(shí)現(xiàn)。miR-330能通過降低細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子E2F1介導(dǎo)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(Akt)的磷酸化來誘導(dǎo)人前列腺癌PC-3細(xì)胞凋亡[2]。

1.2.2 調(diào)節(jié)胰島素分泌 糖尿病是世界上最常見的代謝紊亂性疾病。研究發(fā)現(xiàn)miRNAs參與胰島素分泌的各個(gè)生理過程以及體內(nèi)葡萄糖的平衡。miR-375在胰島β細(xì)胞的增殖和分裂過程中都起著至關(guān)重要的作用。miR-375過表達(dá)可抑制葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌；而內(nèi)源性的miR-375被抑制則促使胰島素分泌增強(qiáng)。且miR-375直接影響胰島β細(xì)胞對(duì)胰島素的胞吐過程。miR-9是胰島素釋放的負(fù)性調(diào)節(jié)因子。敲除β細(xì)胞中miR-24、miR-26、miR-182和miR-148可導(dǎo)致胰島素mRNA的水平降低[2]。

1.2.3 調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝 miRNAs是脂質(zhì)代謝過程中重要的調(diào)節(jié)因子。miR-143參與調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞的分化，其水平降低會(huì)影響甘油三酯的合成。miR-122被抑制后能降低血清膽固醇水平。此外，miR-33a參與膽固醇的轉(zhuǎn)運(yùn)和脂肪酸的β-氧化，若被抑制則導(dǎo)致高密度脂蛋白水平的提高。miR-223能通過直接錨定并抑制清道夫β1受體來調(diào)節(jié)高密度脂蛋白膽固醇的攝取，并通過直接抑制膽固醇合成過程的限速酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶來抑制膽固醇的生物合成[2]。

1.2.4 調(diào)節(jié)免疫 CD34+造血干細(xì)胞能表達(dá)33種miRNAs，其中miR-155能調(diào)節(jié)髓系和紅系生成。在胚胎干細(xì)胞(ES)中，miRNAs調(diào)節(jié)多功能轉(zhuǎn)錄因子SOX2、Nanog和Oct-4，這些轉(zhuǎn)錄因子在免疫中發(fā)揮重要的作用。miR-181a的過表達(dá)能降低CD8+T細(xì)胞的數(shù)量。在B細(xì)胞發(fā)育的早期敲除miRNAs生物合成所需的Dicer，能阻止前B細(xì)胞向原B細(xì)胞的轉(zhuǎn)變。Dicer缺乏還會(huì)使T細(xì)胞的發(fā)育和分化受損，且胸腺 CD8+和CD4+T細(xì)胞的數(shù)量都減少。Liu等的研究表明，miR-148和miR-152 負(fù)調(diào)控樹突狀細(xì)胞(dendritic cells，DC)的抗原呈遞并抑制細(xì)胞因子的產(chǎn)生。抗原特異性T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫受miR-155抑制，且抑制miR-155能逆轉(zhuǎn)此作用[2]。

1.2.5 調(diào)節(jié)造血 miRNAs在血細(xì)胞生成過程中的每個(gè)階段都發(fā)揮至關(guān)重要的作用。Dicer是miRNAs生物合成過程中必不可少的酶，它的缺乏會(huì)導(dǎo)致胚胎造血干細(xì)胞系統(tǒng)受損，從而導(dǎo)致胚胎死亡。miR-15a的過表達(dá)能阻止粒細(xì)胞和紅細(xì)胞的分化。miR-221、miR-222和miR-24能抑制紅細(xì)胞生成[2]。

2 與miRNAs相關(guān)的疾病

miRNAs控制著人類大多數(shù)基因的表達(dá)，從而參與許多生理和病理過程。最近的研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs與腫瘤、遺傳、免疫、神經(jīng)變性以及心血管疾病的發(fā)生有關(guān)。

2.1 miRNAs與腫瘤 越來越多的研究表明，miRNAs在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用。在腫瘤細(xì)胞，miRNAs的失調(diào)可由多種機(jī)制引起，包括編碼miRNAs的染色體區(qū)域缺失或擴(kuò)增、miRNAs靶基因的突變、miRNAs的啟動(dòng)子表觀遺傳沉默、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子的失調(diào)等。在肺癌患者，miRNA-125A-5p能抑制細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而具有抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移和侵襲的關(guān)鍵作用。Nishida等則提出miRNA-125A-5p可作為胃癌預(yù)后的獨(dú)立標(biāo)志物。但是，Odar K等的實(shí)驗(yàn)表明，在頭頸部鱗癌患者miRNA-125A-5P沒有發(fā)生明顯的變化[3]。研究還發(fā)現(xiàn)肝癌、肺癌、胃癌和多發(fā)性骨髓瘤患者的miR-194降低，且miR-194通過抑制PDK1/ AKT2/ XIAP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來抑制大腸癌的發(fā)生[4]。miR-21和miR-210通過誘導(dǎo)癌細(xì)胞，使其適應(yīng)于快速增長(zhǎng)時(shí)的缺氧條件來直接參與神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)展和演變[5]。miR-148A通過甲基化來下調(diào)鼻咽癌細(xì)胞株的數(shù)量[6]。而miR-221的表達(dá)降低則會(huì)增加前列腺癌手術(shù)后復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)[7]。

2.2 miRNAs與心臟疾病 研究已經(jīng)明確心肌特異性的miRNAs有5個(gè)，包括miR-1、miR-133、miR-206、miR-208和miR-499。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，心肌梗塞患者體內(nèi)miR-1、miR-29、miR-133、miR-146、miR-150、miR-155、miR-208、miR-186、miR-210和miR-451都出現(xiàn)不同程度的上調(diào)或下調(diào)，它們通過各種路徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡?？滤_奇病毒引起的急性心肌炎患者的心肌組織內(nèi)miR-155和miR-148a的表達(dá)顯著上調(diào)。小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)還證明miR-155過表達(dá)能通過抑制NF-κB通路來調(diào)控柯薩奇病毒引起的免疫反應(yīng)，從而提高柯薩奇病毒感染小鼠的存活率。冠心病患者與健康對(duì)照組相比較，其血清miR-135a水平增加、miR-147水平降低，與炎癥相關(guān)的miR-155和與平滑肌細(xì)胞相關(guān)的miR-145則均減少。

與穩(wěn)定型心絞痛患者相比較，不穩(wěn)定型心絞痛患者的miR-134、miR-370和miR-198水平顯著上調(diào)，并且這種變化可以用來預(yù)測(cè)該病的臨床結(jié)果。動(dòng)脈粥樣硬化閉塞性脈管炎患者血清中miR-21、miR-130a、miR-27b和miR-210增加，而miR-221和miR-222均降低。心臟衰竭時(shí)，多個(gè)miRNAs表達(dá)水平異常。其中miR-423-5p與心衰的關(guān)聯(lián)性最密切；miR-126能刺激心臟新血管形成并改善心功能。miR-423-5p的水平升高則與擴(kuò)張型心肌病的嚴(yán)重程度有關(guān)[1]。

2.3 miRNAs與神經(jīng)系統(tǒng)疾病 缺氧缺血性腦損傷時(shí)，miR-9參與負(fù)性調(diào)控腦組織中少突膠質(zhì)細(xì)胞系基因1，從而影響后者在缺氧缺血性腦損傷和髓鞘修復(fù)中的作用[8]。在神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默氏病(Alzheimer′s Disease，AD)大鼠體內(nèi)，miR-26b水平顯著升高，且miR-26b在大鼠神經(jīng)元過表達(dá)可導(dǎo)致DNA復(fù)制和細(xì)胞周期的異常，同時(shí)還使tau蛋白(一種微管相關(guān)蛋白)磷酸化增加，這最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。tau蛋白磷酸化和細(xì)胞周期的異常是AD患者腦神經(jīng)元的典型特征[9]。此外，Wu等還發(fā)現(xiàn)小鼠神經(jīng)損傷后miR-431通過沉默Wnt/β-catenin信號(hào)通路(Canonical Wnt/β-catenin pathway)的拮抗劑Kremen1來促進(jìn)軸突再生長(zhǎng)，從而確定了miR-431作為軸突再生長(zhǎng)的重要調(diào)節(jié)器和治療靶點(diǎn)[10]。

2.4 miRNAs與消化系統(tǒng)疾病 研究發(fā)現(xiàn)，潰瘍性結(jié)腸炎患者體內(nèi)miR-20b、miR-99、miR-203、miR-26b和miR-98的水平上調(diào)超過10倍，miR-125的水平上調(diào)超過5倍。而miR-141則通過錨定趨化因子CXCL12β來參與結(jié)腸炎炎癥過程中炎癥細(xì)胞的遷移[11]。miRNA-122在肝臟特異性表達(dá)，并在脂肪酸代謝過程中起著至關(guān)重要的作用，它能通過結(jié)合到丙型肝炎病毒(HCV)的5′-UTR來增強(qiáng)其復(fù)制[12]。

2.5 miRNAs與血液系統(tǒng)疾病 檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)患者體內(nèi)miR-22、miR-29、miR-125和miR-126水平往往失調(diào)；急性早幼粒細(xì)胞白血病(Acute Promyelocytic Leukemia，APL)患者體內(nèi)miR-92a水平上調(diào)，且miR-92a被抑制后能降低急性早幼粒細(xì)胞白血病細(xì)胞系(HL-60)細(xì)胞的分裂增殖。

2.6 miRNAs與呼吸系統(tǒng)疾病 急性肺損傷時(shí)，miR-127能作用于巨噬細(xì)胞免疫球蛋白受體FcγRI(CD64)，從而使巨噬細(xì)胞釋放的炎癥因子顯著減少，最終促進(jìn)肺部炎癥的減輕。Wu等通過測(cè)定肺結(jié)核患者、健康對(duì)照組以及鑒別診斷組(包括肺炎、肺癌、慢性阻塞性肺病)患者血清中的91種miRNAs，發(fā)現(xiàn)肺結(jié)核患者血清內(nèi)HSA-miR-378、HSA-miR-483-5p、HSA-miR-22、HSA-miR-29、HSA-miR-101和HSA-miR-320b這6種miRNAs的含量明顯異常，且特異性高達(dá)90%以上；跟健康對(duì)照組比較，慢性阻塞性肺病患者血清中miR-20、 miR-28-3p、miR-34c-5p和miR-100下調(diào)，而miR-7上調(diào)；miR-21和miR-126的上調(diào)均與過敏性哮喘發(fā)生和治療相關(guān)聯(lián)[13]。

2.7 miRNAs與生殖系統(tǒng)疾病 研究表明，與健康對(duì)照組比較，多囊卵巢綜合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)患者體內(nèi)let-7i-3pm、miR-5706、miR-4463、miR-3665、miR-638這5個(gè)miRNAs顯著上調(diào)，而miR-124-3p、miR-128、miR-29a-3p和let-7c則下調(diào)[14]。

2.8 miRNAs與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病 Duchenne型肌營(yíng)養(yǎng)不良癥(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的小鼠體內(nèi)，將作為肌肉特異性基因的miR-486過表達(dá)能減少血清肌酸激酶水平，改善細(xì)胞膜的完整性，增加肌纖維的大小，并提高肌肉的生理功能[15]。

鑒于在細(xì)胞生理及疾病發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮的重要作用，miRNAs將有可能成為疾病診斷新的生物學(xué)標(biāo)記以及藥物靶點(diǎn)，給人類疾病的檢測(cè)和治療提供新的手段。