癌癥中microRNAs和表觀遺傳之間的相互調(diào)控作用

唐德平 姚慧慧 唐金舟 毛愛紅

（1. 蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院，蘭州 730050）

癌癥是由遺傳改變和/或表觀遺傳改變導(dǎo)致的基因表達(dá)和功能異常發(fā)展而來。早期癌癥研究多聚焦于腫瘤發(fā)生過程中的基因改變，如突變、基因重排和拷貝數(shù)變異等，找出癌癥的“標(biāo)簽”。然而，隨著microRNA（miRNA）和表觀遺傳學(xué)的快速發(fā)展，越來越多的研究證明表觀遺傳改變，如DNA甲基化、組蛋白修飾、異常miRNA表達(dá)也參與調(diào)控癌癥的發(fā)生過程。事實(shí)上，miRNA和表觀遺傳標(biāo)記已被確定為調(diào)控致癌/抑癌基因表達(dá)的關(guān)鍵因子。重要的是，表觀遺傳改變和miRNA異常表達(dá)會(huì)相互影響：染色質(zhì)表觀遺傳改變導(dǎo)致miRNA在癌癥中的表達(dá)異常，異常表達(dá)的miRNA通過靶向調(diào)控表觀遺傳修飾的關(guān)鍵酶影響染色質(zhì)重塑，miRNA和染色質(zhì)重塑信號(hào)通路相互關(guān)聯(lián)，互相調(diào)節(jié)。令人感興趣的是，表觀遺傳改變是可逆的，抑制或逆轉(zhuǎn)表觀遺傳改變具有良好的臨床應(yīng)用前景。

1 表觀遺傳

表觀遺傳是研究DNA序列沒有發(fā)生改變的情況，由于化學(xué)修飾等原因?qū)е禄虮磉_(dá)和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生可遺傳的改變。表觀遺傳改變包括所有與DNA序列改變無關(guān)的、可遺傳的基因表達(dá)變化，涉及染色質(zhì)重塑的多個(gè)過程。到目前為止，大量的表觀遺傳特征被確定，包括DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA、核小體重塑和組蛋白變體等。一般認(rèn)為異常的表觀遺傳修飾啟動(dòng)關(guān)鍵的致癌途徑，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展，是癌癥發(fā)病的關(guān)鍵決定因素之一。本文重點(diǎn)討論癌癥中DNA甲基化和組蛋白修飾與miRNA的相互調(diào)控關(guān)系。

1.1 DNA甲基化

DNA甲基化是目前細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域研究最深入的表觀遺傳現(xiàn)象。主要發(fā)生在CpG島區(qū)域。DNA甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA methyltransferase，DNMTs）催化未甲基化的DNA甲基化和/或維持甲基化序列的甲基化。DNMT3A和DNMT3B負(fù)責(zé)DNA從頭甲基化，而DNMT1則在DNMT3A和DNMT3B的輔助下，負(fù)責(zé)DNA維持甲基化。正常細(xì)胞中維持正確的DNA甲基化模式是必須的，有助于基因組印記和X染色體失活的建立。異常的DNA甲基化模式與多種疾病密切相關(guān)，如乳腺癌中的BRCA1（Breast Cancer 1，BRCA1）和結(jié)腸癌中的MLH1（MutL Homolog 1，MLH1）超甲基化，胰腺癌中的MASPIN（Mammary serine protease inhibitor，MASPIN）和多發(fā)性硬化中的PADI2（Peptidylarginine Deiminases，PADIs）低甲基化［1］。有趣的是，在癌細(xì)胞中，DNA高甲基化沉默抑癌基因，而低甲基化激活致癌基因［2］。此外，異常DNA低甲基化也可導(dǎo)致DNA螺旋斷點(diǎn)，最終造成雜合性丟失（Loss of heterozygosity，LOH）或異常染色體重組。DNA甲基化異常是人類癌癥檢測(cè)和治療的一個(gè)重要指標(biāo)［3］。

1.2 組蛋白修飾

組蛋白是一類含有球狀域和帶電-NH2末端尾巴的、構(gòu)成核小體的基礎(chǔ)蛋白?；虮磉_(dá)調(diào)控可通過組蛋白尾巴翻譯后修飾發(fā)生，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、類泛素化和脯氨酸的異構(gòu)體、ADP-核糖基化。這些修飾代表了存儲(chǔ)在組蛋白中的表觀遺傳信息，又稱為組蛋白密碼，能夠影響DNA與組蛋白及其他DNA結(jié)合蛋白復(fù)合物的相互作用，在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。組蛋白修飾的異常是癌癥中常見的現(xiàn)象［4］。

組蛋白乙酰化是基因轉(zhuǎn)錄的主要調(diào)控機(jī)制，通過調(diào)控組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（Histone acetyltransferase，HATs）和組蛋白去乙?；福℉istone deacetylase，HDACs）活性進(jìn)行相互平衡。組蛋白尾巴含有一些可被乙酰化的賴氨酸殘基，如與轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)的乙酰化位 點(diǎn)H3K9ac、H3K14ac、H3K18ac和H4K5ac（圖1）。組蛋白乙?；{(diào)控一系列功能，包括組蛋白與DNA結(jié)合，轉(zhuǎn)錄因子活性，亞細(xì)胞定位和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性。另外，組蛋白乙?；部山閷?dǎo)其它功能，如DNA修復(fù)（H4K8ac、H3K56ac）和染色質(zhì)重塑（H4K16ac、H2BK12ac）［5］。除組蛋白外，其他各種參與轉(zhuǎn)錄、翻譯、拼接、DNA修復(fù)、細(xì)胞周期進(jìn)展、蛋白折疊、細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和新陳代謝的蛋白都對(duì)乙?；舾小?/p>

除組蛋白乙?；?，組蛋白甲基化也與基因的轉(zhuǎn)錄激活和抑制相關(guān)。組蛋白甲基化是一類比乙?；淖兏鼮閺?fù)雜的表觀遺傳標(biāo)志［6］。首先，它作為組蛋白賴氨酸殘基的單甲基化、二甲基化或三甲基化，及精氨酸殘基的單甲基化和二甲基化存在。第二，特定殘基甲基化水平?jīng)Q定了其表觀遺傳標(biāo)記功 能。例 如，H3K4me3、H3K36me3、H3K79me3、H4R3me1和H4K20me1與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)；而H3K9me3和H3K27me3與基因沉默有關(guān)（圖1）。第三，組蛋白甲基化標(biāo)記分布和核小體定位是可變的，并依賴于基因組區(qū)域的功能和活性。例如，H3K4me3和H3K79me3在活性啟動(dòng)子更為突出，H3K4me1常見于增強(qiáng)子區(qū)域，而H4K20me1和H3K36me3則定位于活性轉(zhuǎn)錄基因的基因體。但最近的數(shù)據(jù)表明，單個(gè)的組蛋白改變不足以影響基因表達(dá)，它們以組合模式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄［7］。

雖然DNA甲基化標(biāo)記相對(duì)穩(wěn)定，但組蛋白修飾是動(dòng)態(tài)的、不斷變化的。特定組蛋白修飾之間相互影響，如H2B泛素化是H3K4me3甲基化所必需的。此外，一些研究表明，DNA甲基化和組蛋白修飾密切相互作用，調(diào)控基因表達(dá)，如DNA甲基化允許MeCP2（methyl-CpG-binding proteint 2，MeCP2）結(jié)合，然后再募集HDACs，通過染色質(zhì)凝聚，進(jìn)一步使基因轉(zhuǎn)錄失活（圖1）。

圖1 DNA甲基化和組蛋白修飾控制基因表達(dá)的示意圖［8］

2 miRNAs

miRNAs是一類內(nèi)源性、非編碼小RNAs（約22 nt），在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因表達(dá)。miRNAs通過與 靶mRNA的3'-UTR（3'-Untranlated Regions，3'-UTR）堿基完全或不完全配對(duì)，調(diào)節(jié)靶mRNA的穩(wěn)定性或抑制靶mRNA翻譯。一個(gè)miRNA可調(diào)節(jié)上百個(gè)基因表達(dá)，一個(gè)基因也可被多個(gè)miRNAs調(diào)節(jié)。miRNAs及其靶基因組成一個(gè)復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，幾乎參與調(diào)控惡性腫瘤相關(guān)的所有過程，包括腫瘤細(xì)胞增殖、分化、凋亡、侵襲及轉(zhuǎn)移。另外，miRNAs與腫瘤干細(xì)胞特征，上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（Epithelial-mesenchymal transition，EMT），腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移，放/化療治療應(yīng)答密切相關(guān)，具有應(yīng)用到癌癥臨床診斷和治療的前景。事實(shí)上，在幾乎所有的人類癌癥中，miRNA組（miRNoma）異常是癌癥的一個(gè)標(biāo)志，可以作為癌癥分類、病理診斷及預(yù)后的標(biāo)記物［9］。

目前已知，大約45%的miRNAs來自非編碼RNA轉(zhuǎn)錄本，其他來自蛋白編碼位點(diǎn)，主要由RNA聚合酶II轉(zhuǎn)錄。miRNA基因被轉(zhuǎn)錄為初級(jí) 轉(zhuǎn) 錄 本（pri-microRNA），然 后 由Drosha-like RNase III內(nèi)切核酸酶或剪接體成分剪切，形成前體miRNA（pre-microRNA），pre-microRNA由Ran-GTP受體和Exportin-5從細(xì)胞核輸出到細(xì)胞質(zhì)。在細(xì)胞質(zhì)中，通過Dicer切割pre-microRNA形成成熟的miRNAs。成熟miRNAs被整合到一個(gè)核糖核粒子（Ribonucleoprotein，RNP）中，形成RNA誘導(dǎo)的基因沉默復(fù)合物（RNA-induced silencing complex，RISC），在轉(zhuǎn)錄后抑制靶mRNA的活性（圖2）。

盡管miRNAs不被認(rèn)為是真正的表觀遺傳調(diào)控因子，但miRNAs與其它關(guān)鍵的表觀遺傳調(diào)控因子密切相關(guān)，可通過靶向調(diào)控表觀遺傳修飾的關(guān)鍵酶參與表觀遺傳調(diào)控。miRNAs不僅影響表觀遺傳，同時(shí)它們也受到表觀遺傳的調(diào)控。表觀遺傳和miRNAs之間存在一個(gè)相互作用的、復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

3 表觀遺傳調(diào)控miRNA表達(dá)

表觀遺傳通過多種方式調(diào)控miRNAs生物合成和表達(dá)過程（圖2）。已有大量證據(jù)表明，大多數(shù)參與癌癥發(fā)生的miRNAs常位于基因組的脆性位點(diǎn)，且在卵巢癌、乳腺癌和黑色素瘤中得到證實(shí)；另外，癌癥中異常表達(dá)的miRNAs也可能是由于miRNAs生成機(jī)器缺失，如DROSHA或DICER表達(dá)和功能改變，或轉(zhuǎn)錄因子活性的改變［10］。隨著miRNA研究的深入，miRNAs基因組序列深度分析表明，大約一半的miRNAs啟動(dòng)子區(qū)與CpG島相關(guān)，這表明miRNAs的生物合成可能受DNA甲基化的調(diào)控。

早期的研究發(fā)現(xiàn)，在HCC細(xì)胞系和原代人肝細(xì)胞癌，miR-1甲基化，而在DNMT-/- HCT116細(xì)胞低甲基化并被激活［11］；而miR-124a是唯一在正常組織未甲基化，而在腫瘤組織中超甲基化且沉默的miRNA，在DNMT1和DNMT3b缺失的結(jié)直腸癌細(xì)胞中被誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)［12］。這說明，microRNA基因的甲基化調(diào)控由特定DNMTs實(shí)施。事實(shí)上，用DNMT抑制劑5-Aza-2'-脫氧胞苷處理不同的癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)一些在癌細(xì)胞中沉默的miRNAs被誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)，如miR-127、miR-9、miR-148a、miRNA-129、miR-181c、miR-107、miR-200c/miR-141基因簇、miR-34和miR-29家 族［10，13］。這 些miRNAs的 異常超甲基化與癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移相關(guān)。相反，一些具有致癌作用的miRNAs在人類癌癥中表達(dá)上調(diào)，是由于DNA低甲基化而被激活。如肺癌中的let-7a-3［14］和卵巢癌中的miR-21［15］。通過DNA 超甲基化沉默抑癌基因或低甲基化激活癌基因，代表了癌細(xì)胞所使用的一種有利于生存、增殖和癌癥進(jìn)展的機(jī)制。

圖2 miRNAs生物合成和表達(dá)過程受表觀遺傳調(diào)控［10］

啟動(dòng)子甲基化不是表觀遺傳影響miRNAs表達(dá)的唯一機(jī)制，組蛋白修飾在調(diào)控癌細(xì)胞miRNAs的表達(dá)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Scott等［16］研究表明，在SKBR3乳腺癌細(xì)胞中，抑制組蛋白脫乙酰酶活性導(dǎo)致miRNAs表達(dá)發(fā)生廣泛而快速的變化。Vrba等［17］發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄激活修飾H3Ac和H3K4me3的缺失，和抑制性H3K9me2H3表觀遺傳標(biāo)記的出現(xiàn)，導(dǎo)致miR-200c/141在乳腺癌細(xì)胞中低表達(dá)。另外，不同組織中58%的miRNAs通過啟動(dòng)子區(qū)H3K27me3沉默［18］。有趣的是，miR-29家族成員不但受組蛋白去乙?；腿谆{(diào)控，而且還受DNA甲基化調(diào)控［19］。表明，一個(gè)miRNA可同時(shí)受到DNA甲基化和/或組蛋白修飾調(diào)控。

miRNAs和表觀遺傳之間的相互作用是復(fù)雜的，表觀遺傳能夠調(diào)控miRNAs的表達(dá)，反過來，miRNAs也能夠通過靶向調(diào)控DNA和組蛋白甲基化或乙?；饔玫年P(guān)鍵酶，參與調(diào)控表觀遺傳。

4 miRNAs調(diào)控表觀遺傳

與表觀遺傳調(diào)控miRNAs的表達(dá)情況不同，miRNAs自身可調(diào)節(jié)表觀遺傳元件表達(dá)，形成一個(gè)嚴(yán)格控制的反饋機(jī)制，這些被稱為“epi-miRNAs”的miRNAs異常表達(dá)，通常與癌癥的發(fā)生或進(jìn)展相關(guān)。既受表觀遺傳調(diào)控，又可調(diào)控表觀遺傳元件表達(dá)的miRNAs，如圖3所示。

miR-29家族參與調(diào)控催化DNA甲基化的DNMT3A和3B的 活 性，是epi-miRNAs存 在 的 第一個(gè)證據(jù)。在肺癌中，miR-29家族成員直接與DNMT3A和3B的3'-UTR結(jié) 合，抑 制DNMT3A和3B的表達(dá)［20］。在肺癌中，高表達(dá)的DNMT3A和3B通過沉默抑癌基因促進(jìn)腫瘤生長；抑制DNMTs表達(dá)導(dǎo)致DNA低甲基化和腫瘤抑制因子pI5（INK 4b）和ESR1的重新表達(dá)。隨后，miR-29通過靶向DNMTs抑制腫瘤生長的作用在各種癌癥中得到證實(shí)［19］。另外，miR-29b不僅能夠直接與DNMT3A和3B結(jié)合，而且還能夠通過其反式激活因子Sp1間接作用于DNMT1，高水平表達(dá)的miR-29b引起基因組DNA低甲基化，導(dǎo)致抑癌基因重新表達(dá)［21］。

圖3 表觀遺傳調(diào)控的miRNAs和Epi-miRNAs

后來研究發(fā)現(xiàn)DNMTs受到各種miRNAs的調(diào)控，包括miR-152、miR-148a、miR-185、miR-302、miR-342及miR-17-92簇的各個(gè)miRNA成員。在乳腺癌細(xì)胞中，一方面由于miR-148a和miR-152啟動(dòng)子區(qū)被DNMT1甲基化而表達(dá)下調(diào)；另一方面，DNMT1又是這些miRNAs的直接靶；miR-148a和miR-152下調(diào)增加IGF-IR和IRS1在乳腺癌中的表達(dá)，誘導(dǎo)腫瘤生長和血管生成［22］。在順鉑耐受的卵巢癌中，miR-152和miR-185表達(dá)下調(diào)，其靶點(diǎn)DNMT1表達(dá)水平升高；過表達(dá)miR-152和miR-185抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)凋亡，提高卵巢癌細(xì)胞對(duì)順鉑的敏感性［23］。miR-17-92簇在DNA甲基化水平上受DNMT1調(diào)控，而DNMT1又被該基因簇miRNAs靶向調(diào)控，從而形成一個(gè)雙重負(fù)反饋回路［24］。

另外，調(diào)節(jié)組蛋白修飾的酶也直接受epimiRNAs的調(diào)控。EZH2是PRC2的一個(gè)保守催化區(qū)域。由 于miR-26a、miR-101、miR-205和miR-214的特異性下調(diào)，EZH2在各種癌癥中高表達(dá)。在肝癌細(xì)胞中，miR-101靶向PRC2復(fù)合物的2個(gè)亞單位：EZH2和EED；抑制miR-101表達(dá)導(dǎo)致PRC2活性增加及肝癌發(fā)生［25］。在腦膠質(zhì)瘤，miR-128下調(diào)導(dǎo)致PCR2復(fù)合物成份Bmi-1過表達(dá)，通過染色質(zhì)重塑造成腫瘤干細(xì)胞群自我更新［26］。轉(zhuǎn)錄因子YY1受miR-29家族成員，特別是miR-29b/c的調(diào)控［27］，而YY1可將PRC2復(fù)合物和HDAC1招募到特定的基因組位置，通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)控制多個(gè)細(xì)胞過程，包括凋亡、細(xì)胞周期和腫瘤發(fā)生。此外，在細(xì)胞中，PRC2在生理功能上與HDACs相關(guān)，而HDACs受到多個(gè)miRNAs的調(diào)控，包括miR-1、miR-21、miR-29、miR-140、miR-155、miR-200a及miR-449家族［19，28-30］。在前列腺癌細(xì)胞中，miR-449a靶向抑制HDAC1表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯，凋亡和衰老 樣 表 型［29］。而miR-140、miR-155和miR-200a直接通過下調(diào)HDAC4表達(dá)，整體上調(diào)組蛋白乙酰化［15，30-31］。而Sirt1是另一種組蛋白去乙?；福ㄟ^壓縮染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用。已有研究證明，Sirt1受miR-138調(diào)控，而miR-138又被Sirt1抑制，miR-138和Sirt1之間形成一個(gè)雙重負(fù)反饋回路［32］。以上證據(jù)表明，miRNA和表觀遺傳之間形成一種復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，來嚴(yán)格控制基因表達(dá)。這一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)成員的平衡改變將會(huì)導(dǎo)致病理?xiàng)l件的發(fā)生，如癌癥（圖4）。因此，使用miRNA直接調(diào)節(jié)基因表達(dá)或通過靶向表觀遺傳效應(yīng)酶來控制表觀遺傳，從而影響廣泛的調(diào)節(jié)分子表達(dá)，逆轉(zhuǎn)癌癥中的異?；虮磉_(dá)，具有極大的臨床應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

圖4 癌癥中miRNAs和表觀遺傳修飾之間的相互作用反饋回路

近年來，關(guān)于表觀遺傳修飾與miRNA相互作用的報(bào)道不斷出現(xiàn)。越來越多的證據(jù)表明，miRNA可以通過靶向抑制表觀遺傳關(guān)鍵酶來影響表觀遺傳；反之，表觀遺傳（如DNA甲基化和組蛋白修飾）也能影響miRNA的表達(dá)。表觀遺傳-miRNA相互作用的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為癌癥治療提供了一個(gè)非常有價(jià)值的靶點(diǎn)。表觀遺傳療法（如DNMTs抑制劑5-Aza和HDAC抑 制 劑SAHA及miRNA mimics或inhibitors）在癌癥的治療中已顯示出很好的前景［33-34］。目前，一 些miRNA mimics，如miR-34的MRX34或miR-107、miR-101和miR-16等mimics，已處在藥物開發(fā)和臨床試驗(yàn)的不同階段，但如何有效地將小分子核酸運(yùn)送到癌組織并被細(xì)胞吸收，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題?？紤]到miRNAs和表觀遺傳之間存在相互作用，表觀遺傳關(guān)鍵酶抑制劑和/或聯(lián)合miRNA mimics可能是癌癥更有前景的治療策略。