乏氧誘導因子與非編碼RNA的相互調(diào)控及其在腫瘤中作用的研究進展

孟 鑫，徐文清*

(中國醫(yī)學科學院放射醫(yī)學研究所，天津 300192)

細胞氧穩(wěn)態(tài)是由一種氧敏感信號通路調(diào)控的，該信號通路的核心是一種轉(zhuǎn)錄因子，稱為乏氧誘導因子(hypoxia inducible factor，HIF)。HIFs屬于bHLH-PAS(basic helix-loop-helix Per-Arnt-Sim)轉(zhuǎn)錄因子超家族之一，是由氧依賴性α亞基(HIF-1α，HIF-2α與HIF-3α)與結(jié)構(gòu)性表達β亞基組成的異二聚體轉(zhuǎn)錄因子。HIF的活性受脯氨酸羥化酶(prolyl hydroxylase domains，PHDs)與天冬酰胺酰羥化酶(factor inhibiting HIF，F(xiàn)IH)調(diào)節(jié)，乏氧狀態(tài)下，PHDs酶與FIH酶活性會被抑制，促使HIF-1α蛋白保持穩(wěn)定，并進入細胞核內(nèi)與HIF-1β形成二聚體，促進下游靶基因的表達[1]。乏氧微環(huán)境是多數(shù)腫瘤的共同特征，癌細胞對于長時間乏氧的耐受機制可能與基因的轉(zhuǎn)錄或翻譯水平相關(guān)，HIF作為細胞乏氧感知和適應的主要轉(zhuǎn)錄激活因子，在DNA和表觀遺傳水平上調(diào)控眾多基因的表達，其作用可導致線粒體氧化代謝、葡萄糖攝取和氧化、能量生產(chǎn)和血管生成的改變，從而使癌細胞得以增殖、遷移和存活[2]。因此，HIF對于腫瘤發(fā)生發(fā)展過程有著重要作用。

非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNAs)是指不編碼蛋白質(zhì)的RNA，包括核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)、轉(zhuǎn)運RNA(transfer RNA，tRNA)、微小RNA(microRNA，miRNA)、長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)、環(huán)狀RNA(circular RNA，circRNA)等多種已知功能的RNA，還包括未知功能的RNA。人類轉(zhuǎn)錄組分析的最新進展顯示，轉(zhuǎn)錄輸出編碼蛋白質(zhì)的RNA不到2%，而其余98%的RNA編碼不同類別的ncRNAs，ncRNAs參與增殖、凋亡以及細胞周期進展等多種細胞功能，是疾病中重要的調(diào)控因子，研究顯示ncRNAs對HIF通路相關(guān)的細胞生長、代謝和血管生成等有著重要調(diào)節(jié)作用[3]，因此探討ncRNAs與HIF的相互調(diào)控對腫瘤的發(fā)病機制研究及治療預后意義重大。本文就近年來HIF與ncRNAs的相互調(diào)控機制在腫瘤方面的研究進展進行綜述。

1 HIF與lncRNAs

1.1 lncRNA與HIF的調(diào)控機制

lncRNAs是指基因轉(zhuǎn)錄長度在200個核苷酸以上且無法編碼蛋白質(zhì)的RNA。lncRNA在數(shù)量上遠超于蛋白編碼mRNA，據(jù)估計，人類lncRNA的數(shù)量接近60 000個[4]。lncRNA通過引導、支架、誘餌或海綿等機制調(diào)控基因表達，在維持細胞內(nèi)環(huán)境平衡和缺氧狀態(tài)下維持適應性生存具有潛在的作用[5]。

乏氧狀態(tài)下，lncRNA與HIF的調(diào)控關(guān)系大致分為以下兩種：①HIF與lncRNA的直接調(diào)控。有些lncRNA與HIF的直接作用是通過順式激活HIF附近基因而實現(xiàn)的：HIF-2α啟動子上游的轉(zhuǎn)錄子HIF2PUT可以直接抑制HIF-2α的表達，抑制骨肉瘤干細胞的增殖、遷移和侵襲[5]。乏氧應答元件(hypoxia response elements，HREs)存在于大多數(shù)乏氧應答的lncRNA啟動子區(qū)域，lncRNA可利用HREs直接與HIF結(jié)合發(fā)揮調(diào)節(jié)作用：CF129啟動子區(qū)域因包含有HREs序列，可被HIF負性調(diào)節(jié)，在胰腺癌中表達下調(diào)[1]。②HIF/lncRNA之間也可通過不同的機制發(fā)揮間接調(diào)控作用。HIF基因可以被其反義lncRNA調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)HIF的兩種反義lncRNA轉(zhuǎn)錄子：5aHIF-1α與3aHIF-1α，對HIF-1α具有反義調(diào)控作用，HIF對aHIF-1α也有反饋調(diào)節(jié)機制，aHIF-1α與HIF-1α染色質(zhì)的失活、mRNA的降解有關(guān)，并且其表達量可能與Bcl-2、Bax等腫瘤預后生物分子指標[6]以及放射抵抗[7]相關(guān)。另外，部分lncRNA還可通過miRNA發(fā)揮海綿作用對HIF進行間接調(diào)控：miR-138會直接抑制HIF-1α的表達，抑制膽囊癌細胞轉(zhuǎn)移與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition，EMT)過程，LINC00152通過與miR-138綁定，間接發(fā)揮致癌作用，促進膽囊癌發(fā)展[8]。

另外，在某些腫瘤中常氧水平下lncRNA也可以調(diào)節(jié)HIF-1α的激活與積累。LINK-A在三陰性乳腺癌(triple negative receptor for breast cancer，TNBC)的HIF-1α常氧信號通路中起著重要作用。機制上，在肝素結(jié)合性表皮生長因子(heparinbinding epidermal growth factor-like growth factor，HB-EGF)的刺激下，LINK-A招募乳腺腫瘤激酶(breast tumor kinase，BRK)和富含亮氨酸重復激酶2(leucine-rich repeat kinase 2，LRRK2)到表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)-非轉(zhuǎn)移性糖蛋白B(glycoprotein non-metastatic b，GPNMB)異源二聚體上，從而誘導其構(gòu)象變化并激活它們的激酶活性，活化的BRK和LRRK2分別在酪氨酸565和絲氨酸797磷酸化HIF-1α。酪氨酸565位的磷酸化抑制了相鄰的脯氨酸564位羥基化，進而抑制HIF-1α在常氧下蛋白酶體的降解作用；同時，絲氨酸797位磷酸化增強了HIF-1α與HIF-1α-p300相互作用，導致HIF-1α下游基因活化，促進乳腺癌糖酵解、重組和腫瘤發(fā)生[9]。

1.2 lncRNAs與HIF的相互調(diào)控在腫瘤進展中的作用

lncRNAs與實體腫瘤患者低生存率和放化療耐藥性相關(guān)，在腫瘤乏氧微環(huán)境中，lncRNAs與HIF的調(diào)控關(guān)系和腫瘤細胞增殖與凋亡、代謝、侵襲和轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)[5]。

1.2.1 細胞增殖與凋亡lncRNAs一般通過表達量上調(diào)或下調(diào)發(fā)揮著致癌或抑癌基因作用。Wang等[10]研究發(fā)現(xiàn)lncRNA PVT1在鼻咽癌中顯著上調(diào)，并作為染色質(zhì)修飾因子KAT2A的支架，介導組蛋白H3上第9位賴氨酸的乙?；饔茫技耸荏w結(jié)合蛋白TIF1β激活NF90轉(zhuǎn)錄，從而增加HIF-1α穩(wěn)定，促進細胞增殖以及增強鼻咽癌細胞惡性表型。相反，也有l(wèi)ncRNAs通過表達下調(diào)來調(diào)控HIF的表達：例如HIF2PUT在骨肉瘤組織和細胞系中表達下調(diào)，從而上調(diào)HIF-2α表達，抑制細胞增殖與自我更新[11]。

1.2.2 細胞代謝最近的研究證明腫瘤相關(guān)巨噬細胞(tumourassociated macrophages，TAMs)通過包含lncRNA-HISLA的細胞外囊泡傳遞，增強乳腺癌細胞的有氧糖酵解和細胞抗凋亡能力。機制上，HISLA是通過阻斷PHD2對HIF-1α的羥基化作用來抑制HIF-1α降解[12]。lncRNA-p21是一種乏氧應答基因，對乏氧誘導的糖酵解也有調(diào)控作用。lncRNA-p21能夠同時結(jié)合HIF-1α和VHL，從而破壞VHL-HIF-1α交互作用，這種離解作用減弱了VHL介導的HIF-1α泛素化，造成HIF-1α的積累，形成HIF-1α/lncRNA-p21正反饋回路，進而促進乏氧環(huán)境下的糖酵解[5]。

1.2.3 侵襲和轉(zhuǎn)移腫瘤的侵襲與轉(zhuǎn)移是造成患者死亡的主要原因。研究結(jié)果表明BX111的過表達會增強胰腺癌細胞的增殖和侵襲，HIF-1α會誘導BX111的轉(zhuǎn)錄，BX111通過招募轉(zhuǎn)錄因子Y-box蛋白到啟動子區(qū)域，激活ZEB1(EMT的關(guān)鍵調(diào)控因子)的轉(zhuǎn)錄，進而促進腫瘤的發(fā)展[13]。H19在惡性膠質(zhì)瘤中表達同樣較高，部分原因是HIF-1α上調(diào)特定蛋白1促使HIF-1α直接結(jié)合到H19的啟動子上，從而誘導H19的轉(zhuǎn)錄激活。同時，H19還可以作為海綿連接miR-18d，激活β-catenin表達，參與乏氧驅(qū)動的膠質(zhì)母細胞瘤細胞遷移和侵襲[14]。lncRNA-MTA2TR對HIF間接調(diào)控會促進胰腺癌細胞的轉(zhuǎn)移，MTA2TR招募活化轉(zhuǎn)錄因子3到MTA2的啟動子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄上調(diào)MTA2的表達。MTA2可以通過脫乙酰作用穩(wěn)定HIF-1α蛋白質(zhì)，進一步激活HIF-1α的轉(zhuǎn)錄[15]。

2 HIF與microRNAs

microRNAs(miRNAs)是一類長度為20～25 nt的核苷酸雙鏈，通過靶向mRNA特異性3′UTRs調(diào)節(jié)其表達，參與調(diào)控mRNA的翻譯和穩(wěn)定性[16]。近年來，關(guān)于miRNA表達調(diào)控、miRNA生物發(fā)生通路以及miRNA靶基因在乏氧環(huán)境中的調(diào)控已成為研究熱點之一。

2.1 HIF與miRNA調(diào)控機制

腫瘤乏氧微環(huán)境下，HIF可以通過與miRNA啟動子區(qū)域結(jié)合，直接調(diào)控miRNA的表達，miRNA表達的上調(diào)或下調(diào)，在腫瘤中可作為致癌基因或抑癌基因發(fā)揮作用。目前研究發(fā)現(xiàn)：乏氧環(huán)境下有大量下調(diào)的miRNA直接靶向HIF。如Xu等[17]發(fā)現(xiàn)miR-338-5p在結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)中呈顯著下調(diào)，并證明HIF-3′UTR與miR-338-5p直接作用，觸發(fā)HIF-1α/miR-338-5p/IL-6反饋循環(huán)，抑制miR-338-5p表達，在CRC中產(chǎn)生耐藥性。同時，乏氧環(huán)境下miRNA也可以通過表達上調(diào)直接靶向HIF：肝癌酸性外泌體中HIF-1α通過與miR-21和miR-10b啟動子區(qū)域的HREs結(jié)合，使其表達顯著上調(diào)，促進肝癌細胞的增殖和侵襲，使病人不良生存率增加[16]。

HIF也可以通過其他乏氧轉(zhuǎn)錄因子如TWIST1、PPARγ與GATA1等間接調(diào)控miRNA的表達：HIF-1α通過調(diào)控TWIST1，上調(diào)miR-10b的表達，促進腫瘤轉(zhuǎn)移[3]。miRNA也可通過控制VHL或PHD的表達來調(diào)控HIF-1α或HIF-2α的表達。miR-155在多種癌癥類型中表達上調(diào)，在三陰性乳腺癌中其表達與VHL表達水平呈負相關(guān)，miR-155直接靶向VHL增加HIF-1α與HIF-2α水平[18]。miR-424特異性在血管重建的內(nèi)皮細胞或缺血組織表達增加，直接靶向Cullin2(一種支架蛋白，是組裝泛素連接酶復合物所必需的成分)從而阻止HIF-1α泛素化降解，促進血管生成，該過程與RUNX-1和C/EBPα的調(diào)控有關(guān)[19]。

2.2 miRNA與HIF在腫瘤中的作用

miRNAs/HIF在腫瘤中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，miRNAs可以影響腫瘤細胞致癌表型：如侵襲、轉(zhuǎn)移、血管生成、耐藥性等。以下綜述了幾種經(jīng)典的miRNAs與HIF調(diào)控關(guān)系在腫瘤中的作用。

2.2.1 miR-210miR-210是一個乏氧關(guān)鍵調(diào)控因子，是HIF-1α的確定靶點，HIF-1α通過位于miR-210編碼DNA的近端啟動子上的HRE調(diào)節(jié)miR-210，并具有很強的靶向性。miR-210可以通過下調(diào)HIF-1α高羥基化，降低甘油-3-磷酸脫氫酶水平使HIF-1α蛋白水平穩(wěn)定，發(fā)揮HIF-1α依賴于miR-210調(diào)控的正反饋環(huán)調(diào)節(jié)[19]。此外，miR-210還可通過靶向HIF-1α抑制劑如琥珀酸脫氫酶復合物亞基C/D(succinate dehydrogenase complex subunit C/D，SDHC/D)發(fā)揮反饋環(huán)功能，下調(diào)SDHC/D功能，以促進HIF-1α穩(wěn)定[19]。miR-210/HIF-1α在大多數(shù)腫瘤乏氧環(huán)境中表達上調(diào)，特別是在胃腸道癌癥中得到了大量文獻證明，被認為是結(jié)直腸癌的生物標記物之一[20]。miR-210-3p是miR-210家族成員之一，被認為是DNA損傷修復機制和線粒體代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，促進HIF的表達，對結(jié)腸癌化療有耐藥作用[21]。多發(fā)性骨髓瘤中，miR-210/HIF-1α信號軸可以增加VLA-4、CXCR4、IL6與TGF-β的mRNA表達，導致促成骨髓瘤細胞對左旋溶肉瘤素的耐藥性[22]。在神經(jīng)鞘瘤中，miR-210通過啟動子去甲基化參與HIF-1α/VEGF介導的血管生成，增強腫瘤細胞增殖和自噬[23]。

2.2.2 miR-21miR-21是另一類在乏氧環(huán)境下受HIF-1α調(diào)節(jié)大量表達的miRNA，可以促進腫瘤細胞增殖、血管生成與侵襲。研究證明miR-21通過靶向PTEN并激活Akt和ERK1/2信號通路，導致HIF-1α與血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達增加，誘導腫瘤血管生成[24]。因此，miR-21與HIF-1α的調(diào)控作用被認為可以增加腫瘤干細胞的干細胞特征，與腫瘤的惡性表型密切相關(guān)。另外，miR-21還可以通過Akt-mTOR信號通路在電離輻射后減少宮頸癌細胞的自噬，增加細胞的抗輻射作用[25]。腫瘤微環(huán)境細胞釋放的外泌體中miRNA與腫瘤發(fā)病機制有關(guān)：miR-21在口腔上皮細胞鱗癌衍生外泌體中上調(diào)明顯，可減少鈣黏蛋白的表達，促進癌細胞遷移和侵襲[26]。肝癌酸性微環(huán)境與患者預后不良有關(guān)，酸性微環(huán)境會觸發(fā)HIF-1α、HIF-2α的激活，并刺激外泌體中miR-21表達顯著增加，促進癌細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。因此，miR-21可作為肝癌的預后分子標志物和治療靶點。

2.2.3 miR-155 miR-155的啟動子區(qū)域含有HRE序列，在許多腫瘤中表達上調(diào)。在結(jié)腸癌細胞乏氧環(huán)境下miR-155則會特異性減少HIF-1α的活性和表達，形成HIF-1α-miR-155負反饋回路從而維持氧穩(wěn)態(tài)[3]。miR-155是炎癥與癌癥的重要中介，通過增強結(jié)合蛋白C/EBP-β信號級聯(lián)參與巨噬細胞M1極化，與HIF共同調(diào)節(jié)巨噬細胞系細胞向腫瘤微環(huán)境的募集，促進腫瘤細胞生長、血管形成[27]。腫瘤微環(huán)境中的免疫細胞在腫瘤的進展和轉(zhuǎn)移中起著重要的作用。miR-155通過調(diào)節(jié)巨噬細胞、樹突狀細胞、B細胞和T細胞的分化、成熟和活化，在先天免疫和適應性免疫中發(fā)揮重要作用。miR-155缺陷直接導致HIF表達上調(diào)，促進CXCL3、MDSCs與CXCL8等趨化因子的表達，使髓源性抑制細胞在腫瘤微環(huán)境大量募集，促進腫瘤發(fā)展[28]。

3 HIF與circRNA

circRNA是一類新發(fā)現(xiàn)的內(nèi)源性非編碼RNA，不具有5′末端帽子和3′末端poly A尾巴，并以共價鍵形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的非編碼RNA分子，是由非經(jīng)典剪接方式進行反向剪接而形成的，circRNA具有保守穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可以抵抗RNA降解途徑。circRNA具有ceRNA的作用，作為“miRNA海綿”調(diào)控mRNA的表達。circPIP5K1A在非小細胞肺癌中表達明顯下調(diào)，敲除circPIP5K1A后可以通過上調(diào)miR-600抑制HIF-1α表達，相反，過表達HIF-1α可以誘導EMT相關(guān)蛋白表達進而逆轉(zhuǎn)miR-600的抗腫瘤效應。circPIP5K1A可通過miR-600的海綿作用發(fā)揮致癌基因作用，揭示了circPIP5K1A-miR-600-HIF-1α信號軸對治療非小細胞肺癌的可能性[29]。在乏氧人臍靜脈內(nèi)皮細胞中，hsa_circ_0010729敲除明顯抑制了細胞增殖、增強了細胞遷移能力與凋亡，miR-186可靶向hsa_circ_0010729和HIF-1α，抑制hsa_circ_0010729與HIF-1α表達發(fā)揮對血管內(nèi)皮細胞增殖和凋亡的調(diào)控作用[30]。

4 小結(jié)與展望

ncRNAs與HIF之間的相互調(diào)控在腫瘤發(fā)生與發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。ncRNAs在腫瘤或其外泌體中的異常表達現(xiàn)象，促使許多ncRNAs如miR-210、H19等被認為是潛在的治療靶點和腫瘤生物標志物，在腫瘤診斷、治療及預后中發(fā)揮重要作用。此外，以HIF相關(guān)ncRNAs作為潛在藥物靶點，研究其模擬物或抑制劑也被認為頗具前景。然而，盡管已經(jīng)報道了許多腫瘤相關(guān)的高通量數(shù)據(jù)，但由于有表達變化的ncRNAs的數(shù)量龐大，目前僅有少數(shù)ncRNAs的功能得到初步闡釋，因此ncRNAs的研究仍處于初步階段，如何高效挖掘有重要調(diào)節(jié)功能的ncRNAs與深化其分子機制已成為當前研究的熱點和難點。

隨著功能基因組學以及測序技術(shù)的不斷發(fā)展，相信ncRNAs的功能及機制研究會更加深入，與此同時HIF對基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)機制也會得到更加完善的闡釋，為腫瘤診斷治療與藥物的研發(fā)提供新思路和新方案。