消化系統(tǒng)疾病中miRNA異常表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展*

陳永澤 周 宇 吳巍蕓

廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院消化內(nèi)科(524001)

微小RNA(miRNA)是一種長度為20～25 bp的非編碼單鏈內(nèi)源性RNA，通過與靶mRNA的3’非翻譯區(qū)(UTR)結(jié)合來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄、翻譯, 廣泛參與細(xì)胞增殖、凋亡、代謝以及分化等過程[1]。MiRNA異常表達(dá)導(dǎo)致多種消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展，包括結(jié)直腸癌(CRC)、原發(fā)性肝細(xì)胞癌(HCC)、食管癌、胃癌等腫瘤性疾病以及潰瘍性結(jié)腸炎(UC)、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)、肝纖維化等非腫瘤性疾病。本文就消化系統(tǒng)疾病中miRNA異常表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述。

一、MiRNA的生物合成和生物學(xué)功能

研究[2]表明，一部分miRNA來源于編碼蛋白基因的內(nèi)含子區(qū)域，既可與宿主基因共享啟動(dòng)子和調(diào)節(jié)元件，與宿主基因的表達(dá)水平一致，亦可有特定啟動(dòng)子的存在，與宿主基因的表達(dá)無相關(guān)性。另有一部分miRNA來自于獨(dú)立的非編碼轉(zhuǎn)錄本，其中多數(shù)位于轉(zhuǎn)錄本的內(nèi)含子區(qū)，少數(shù)位于外顯子區(qū)[3]。細(xì)胞核內(nèi)編碼miRNA的基因在RNA聚合酶Ⅱ的催化下，轉(zhuǎn)錄成含有5’帽結(jié)構(gòu)和3’多聚A尾結(jié)構(gòu)的初始miRNA(pri-miRNA)，隨后Ⅲ類RNA酶Drosha將pri-miRNA切割成70～100個(gè)核苷酸的前體miRNA(pre-miRNA)[4]；再由輸出蛋白5輸出至細(xì)胞質(zhì)中，而后pre-miRNA被另一種Ⅲ類RNA酶Dicer加工成約22個(gè)核苷酸長度的成熟雙鏈RNA[5]；接著在解旋酶的作用下，雙鏈miRNA分子被分解成為單鏈。MiRNA與Ago蛋白等組成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RISC)，通過完全互補(bǔ)的方式與靶mRNA的3’UTR結(jié)合并使其裂解, 或通過不完全互補(bǔ)的方式與靶mRNA的3’UTR結(jié)合并抑制其蛋白翻譯, 從而在轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因的表達(dá)[6]。

二、MiRNA表達(dá)的調(diào)控

MiRNA表達(dá)在生物體內(nèi)呈時(shí)間和空間的特異性。時(shí)間特異性是指miRNA在不同時(shí)間或發(fā)育階段的表達(dá)存在差異[7]；空間特異性指miRNA在不同細(xì)胞或組織中的表達(dá)水平不一致[8]。MiRNA異常表達(dá)會(huì)引起下游靶基因失調(diào)，導(dǎo)致疾病的發(fā)生、發(fā)展。故miRNA的合成和降解均受精密調(diào)控。目前認(rèn)為，對miRNA的調(diào)控主要包括以下幾個(gè)方面：①表觀遺傳調(diào)控：常見DNA甲基化和組蛋白修飾，DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性以及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而調(diào)控基因表達(dá)[9]。如miR-125在CRC中的表達(dá)下調(diào)是由于其啟動(dòng)子區(qū)甲基化所致[10]。一般情況下，組蛋白乙?；欣贒NA與組蛋白八聚體解離，核小體結(jié)構(gòu)松弛，從而使各種轉(zhuǎn)錄因子和協(xié)同轉(zhuǎn)錄因子能與DNA結(jié)合位點(diǎn)特異性結(jié)合，激活基因轉(zhuǎn)錄，而組蛋白的去乙?；瘎t發(fā)揮相反的作用。②轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：miRNA基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控與普通蛋白編碼基因的調(diào)控相似，其啟動(dòng)子區(qū)亦存在CpG 島、TATA盒、起始元件和組蛋白修飾等，表明轉(zhuǎn)錄因子、增強(qiáng)子、沉默元件和染色質(zhì)修飾等可通過參與調(diào)控miRNA啟動(dòng)子來發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)[11]。Liu等[12]的研究顯示，轉(zhuǎn)錄激活因子2(ATF2)在胃癌細(xì)胞中能與miR-132的啟動(dòng)子區(qū)相互作用，并促進(jìn)其表達(dá)。③轉(zhuǎn)錄后調(diào)控：miRNA基因轉(zhuǎn)錄后，從pri-miRNA形成開始到最后加工成熟并組合成RISC的過程均受到調(diào)控，其機(jī)制主要有RNA編輯、miRNA微加工復(fù)合物的調(diào)控以及RNA結(jié)合蛋白對特異性miRNA的調(diào)控[13]。當(dāng)RNA編輯發(fā)生在pri-miR-142和pre-miR-151上的相應(yīng)位點(diǎn)后，可分別對Drosha和Dicer的加工處理過程產(chǎn)生抑制效應(yīng)，從而抑制pri-miR-142和pre-miR-151的加工成熟過程[14]。④降解調(diào)控：miRNA成熟后的降解調(diào)控對維持體內(nèi)miRNA的動(dòng)態(tài)平衡具有重要意義，主要包括形成RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體、順式作用的修飾以及核酸酶降解等，上述機(jī)制可互相配合，共同調(diào)控miRNA的穩(wěn)定性[15]。種系發(fā)育因子2(germ-line-development factor 2, GLD-2)是一種細(xì)胞質(zhì)多聚A聚合酶，其可在成熟miR-122的3’端加入單個(gè)腺嘌呤殘基，使miR-122更穩(wěn)定，抑制其降解[16]。此外，隨著近年對長鏈非編碼RNA(lncRNA)和環(huán)狀RNA(circRNA)研究的興起，諸多研究結(jié)果表明lncRNA和circRNA可調(diào)控miRNA的表達(dá)，最常見的機(jī)制是lncRNA或circRNA作為與miRNA結(jié)合的競爭性內(nèi)源RNA(competing endogenous RNA，ceRNA)，將miRNA與目標(biāo)mRNA隔離，通過充當(dāng)分子海綿來調(diào)控miRNA對靶基因的作用。Miao等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA NORAD在胃癌中可作為miR-618的ceRNA上調(diào)miR-618下游靶基因FOXO6表達(dá)，進(jìn)而發(fā)揮促癌效應(yīng)。He等[18]的研究結(jié)果顯示，circVRK1通過競爭結(jié)合miR-624-3p，正性調(diào)控其下游靶基因PTEN的轉(zhuǎn)錄，從而抑制食管癌的發(fā)展。

三、消化系統(tǒng)疾病中miRNA異常表達(dá)的調(diào)控

1. 消化系統(tǒng)腫瘤中miRNA異常表達(dá)的調(diào)控

①CRC：He等[19]對CRC的研究顯示，miR-214的宿主基因發(fā)動(dòng)蛋白3(DNM3)啟動(dòng)子區(qū)高度甲基化是導(dǎo)致miR-214表達(dá)沉默的原因，而轉(zhuǎn)錄因子FOXD3可與miR-214啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，從而激活miR-214轉(zhuǎn)錄，表明miR-214在CRC中受表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄因子的雙重調(diào)控。Li等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA H19可作為miR-194-5p的分子海綿，通過競爭性結(jié)合抑制其表達(dá)，使miR-194-5p下游靶基因FOXM1表達(dá)上調(diào)，最終促進(jìn)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)，從而參與CRC的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。Wang等[21]的研究表明，lncRNA 34a可靶向與miR-34a啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，并通過其側(cè)翼序列招募抗增殖蛋白2(PHB2)、DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3A(DNMT3A)以及組蛋白去乙?；?(HDAC1)，使miR-34a啟動(dòng)子區(qū)甲基化和去乙?；聊浔磉_(dá)，促進(jìn)CRC的發(fā)生、發(fā)展。

②HCC：Xiao等[22]發(fā)現(xiàn)，DNMT3A能介導(dǎo)miR-639啟動(dòng)子區(qū)CpG島高甲基化，從而下調(diào)miR-639在HCC的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲。Zhou等[23]的研究顯示，lncRNA NEAT1通過直接結(jié)合并抑制miR-22-3p轉(zhuǎn)錄，從而間接激活miR-22-3p下游靶基因絲氨酸/蘇氨酸激酶2(AKT2)的表達(dá)，促進(jìn)HCC發(fā)生、發(fā)展。此外，circ_0091579可與miR-490-3p的3’UTR結(jié)合抑制其轉(zhuǎn)錄，最終促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[24]。

③食管癌：食管鱗狀細(xì)胞癌(ESCC)占全部食管癌的90%以上[25]。研究[26]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)去甲基化試劑5-Aza-dC處理ESCC細(xì)胞株后，miR-203a和miR-203b表達(dá)升高，上調(diào)的miR-203a和miR-203b可抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲能力，推測在ESCC的發(fā)生過程中，作為抑癌miRNA，miR-203a和miR-203b受近端啟動(dòng)子區(qū)甲基化調(diào)控而失活。Isozaki等[27]采用組蛋白去乙?；敢种苿〤HAP31處理ESCC細(xì)胞株并行miRNA陣列分析，發(fā)現(xiàn)miR-375上調(diào)最為明顯，提示miR-375在ESCC中的表達(dá)受組蛋白乙?；绊?。Koumangoye等[28]的研究顯示，SRY-box轉(zhuǎn)錄因子4(SOX4)通過激活和穩(wěn)定Zeste增強(qiáng)子同源物2(EZH2)和HDAC3的表達(dá)，形成一個(gè)SOX4、EZH2和HDAC3的共抑制復(fù)合物，后者通過與miR-31啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合沉默miR-31表達(dá)，從而促進(jìn)ESCC腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲和遷移。Chu等[29]的研究顯示，lncRNA MNX1-AS1作為miR-34a的ceRNA，可通過調(diào)控miR-34a下游靶基因SIRT1的表達(dá)，導(dǎo)致ESCC的發(fā)生。

④胃癌：有研究[30]發(fā)現(xiàn)，DNMT3A在胃癌細(xì)胞中通過誘導(dǎo)miR-200c的CpG島啟動(dòng)子甲基化，沉默miR-200c的表達(dá)。而miR-200c可直接靶向結(jié)合DNMT3A的3’UTR來抑制其轉(zhuǎn)錄，同時(shí)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖和侵襲。miR-200c與DNMT3A形成一個(gè)反饋回路，表明miRNA可通過靶向結(jié)合DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，從而調(diào)節(jié)基因表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制。在胃炎相關(guān)胃癌中，白細(xì)胞介素-1(IL-1)可激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的中介分子原癌基因JunD和ATF2，兩者作為轉(zhuǎn)錄因子，直接與miR-135b近端啟動(dòng)子相結(jié)合，正性調(diào)控miR-135b的表達(dá)，發(fā)揮致癌作用[31]。Xu等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，miR-214-3p可靶向抑制RUNX3的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移，而lncRNA MT1JP通過共享miR-214-3p的反應(yīng)元件，競爭性結(jié)合內(nèi)源性miR-214-3p，從而上調(diào)RUNX3的表達(dá)，抑制胃癌的進(jìn)展。

2. 消化系統(tǒng)非腫瘤性疾病中miRNA異常表達(dá)的調(diào)控

①UC：Qiao等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，在UC中，lncRNA ANRIL通過分子海綿作用與miR-323b-5p競爭結(jié)合，從而上調(diào)Toll樣受體4(TLR4)的表達(dá)，激活核因子-κB(NF-κB)信號(hào)通路，促進(jìn)UC的發(fā)生、發(fā)展。Law等[34]在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎中發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)降壓素(neurotensin，NT)與其高親和力受體NADPH依賴性硫氧還蛋白還原酶(NTR1)偶聯(lián)后，可刺激miR-133α表達(dá)，從而激活MAPK和NF-κB信號(hào)通路，促進(jìn)腸道炎癥，表明NT可通過對miR-133α的調(diào)控在UC中發(fā)揮致病作用。

②NAFLD：Liu等[35]的研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA H19作為miR-130a的ceRNA，可通過調(diào)節(jié)過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)的表達(dá)，促進(jìn)脂肪變性并導(dǎo)致肝臟中脂質(zhì)儲(chǔ)積。Vinciguerra等[36]的研究顯示，不飽和脂肪酸可激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/NF-κB復(fù)合物，其中轉(zhuǎn)錄因子NF-κB p65可靶向與miR-21啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合上調(diào)miR-21的表達(dá)，增強(qiáng)其對下游靶點(diǎn)PTEN的抑制作用，促進(jìn)肝臟脂肪變性，導(dǎo)致NAFLD的發(fā)生。

③肝纖維化：肝星狀細(xì)胞(HSC)激活所致的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白沉積是肝纖維化發(fā)生的機(jī)制之一。Yu等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，miR-9-5p可靶向抑制TGF-Smads信號(hào)通路中的關(guān)鍵分子轉(zhuǎn)化生長因子β受體1(TGFBR1)和TGFBR2轉(zhuǎn)錄，從而抑制HSC激活；而miR-9-5p在肝纖維化中受表觀遺傳的調(diào)控，其啟動(dòng)子區(qū)高甲基化可沉默miR-9-5p的表達(dá)，導(dǎo)致HSC活化。亦有研究[38]發(fā)現(xiàn)，固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子2(SREBP2)可與miR-29的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合正性調(diào)控miR-29的表達(dá)，賴氨酸的特異性去甲基化酶4B(KDM4B)作為SREBP2的輔助因子，可通過與SREBP2的相互作用形成KDM4B-SREBP2復(fù)合物，增強(qiáng)SREBP2對miR-29啟動(dòng)子的激活效應(yīng)，從而促進(jìn)肝纖維化的進(jìn)展。Fu等[39]對丙型肝炎病毒感染相關(guān)肝纖維化的研究發(fā)現(xiàn)，lncRNA ATB可通過競爭結(jié)合miR-200a調(diào)節(jié)β-連環(huán)蛋白的表達(dá)，從而激活HSC。

四、結(jié)語和展望

MiRNA的異常表達(dá)在消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色，闡明miRNA的調(diào)控機(jī)制有助于疾病的早期診斷和治療。目前對miRNA調(diào)控的研究除表觀遺傳學(xué)水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平和降解調(diào)控等，亦發(fā)現(xiàn)lncRNA和circRNA可通過發(fā)揮ceRNA的作用來影響miRNA表達(dá)。諸多miRNA 的失調(diào)與消化系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，如今在消化系統(tǒng)疾病領(lǐng)域，已開展基于miRNA的分子靶向治療，通過miRNA的上游調(diào)控來改變病變組織或細(xì)胞的miRNA水平，從而影響其特異性靶蛋白的表達(dá)，發(fā)揮延緩疾病進(jìn)展的作用。隨著對miRNA失調(diào)機(jī)制的進(jìn)一步深入研究，將為消化系統(tǒng)疾病的臨床診斷、預(yù)后以及治療開拓更廣闊的思路。