miR-24家族的生成機(jī)制及生物學(xué)功能研究進(jìn)展

沈曼曼，李 濤，侯啟瑞，曲 亮，王克華，馬 猛，吳 萍*

(1.江蘇科技大學(xué) 生物技術(shù)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100) (2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 江蘇省家禽科學(xué)研究所，揚(yáng)州 225212)

miR-24是一種重要的miRNA，在多種生命過程中發(fā)揮了關(guān)鍵的功能作用.miR-24的表達(dá)受到一些重要轉(zhuǎn)錄因子、非編碼RNA等調(diào)控影響，在癌癥發(fā)生、心血管調(diào)控、炎癥反應(yīng)、脂質(zhì)代謝、繁殖調(diào)控等方面發(fā)揮了重要作用.文中對miR-24的生成機(jī)制及miR-24在機(jī)體內(nèi)的調(diào)控功能最新研究進(jìn)展作一綜述.

1 microRNA的作用機(jī)制及生物功能

microRNA(miRNA)是一類長度為18～25個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，是基因表達(dá)的重要調(diào)控因子，在各種生物過程中發(fā)揮重要的作用.其生物合成和表觀遺傳機(jī)制形成一個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，相互調(diào)節(jié)，共同調(diào)控一系列生物過程，廣泛參與細(xì)胞的增殖、分化、凋亡以及激素的合成與分泌等過程.miRNA的生物合成受到轉(zhuǎn)錄因子、非編碼RNA等諸多因素的調(diào)控.轉(zhuǎn)錄因子主要通過與miRNA啟動子區(qū)域相互作用調(diào)控miRNA的表達(dá)，如SMAD可以和Drosha復(fù)合體相互作用，通過提高Drosha加工過程增加一些miRNA的表達(dá).一個miRNA也可以同時受多個轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控影響癌癥的發(fā)生及發(fā)展.非編碼RNA通過miRNA反應(yīng)元件(miRNA response element, MRE)吸附miRNA，以海綿體的角色影響miRNA的功能發(fā)揮.隨著對miRNA的深入研究，發(fā)現(xiàn)其調(diào)控作用呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化以及精準(zhǔn)化等特點(diǎn).動物miRNA的功能發(fā)揮主要是其種子序列與靶基因的3′非編碼區(qū)(untranslated region, UTR)、5′UTR以及蛋白質(zhì)編碼區(qū)(coding sequence，CDS)結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)功能.

2 miR-24的生成機(jī)制

2.1 miR-24的生成

miR-24首次在2001年被Lagos-Quintana等報道，目前相關(guān)研究報道已達(dá)751余篇(PubMed，截止至2020年12月)，在各種組織中均有表達(dá)但表達(dá)水平不同，廣泛參與了細(xì)胞增殖、分化、凋亡等生命事件，影響了細(xì)胞發(fā)育和代謝、癌癥發(fā)展、炎癥反應(yīng)、病毒互作[1]等多個生命進(jìn)程.人、小鼠、豬、牛、雞等物種miR-24均由兩條染色體剪切形成，人的miR-24分別來自于9號和19號染色體，小鼠的miR-24來自于8號和13號染色體，豬的miR-24來自于2號和10號染色體，牛的miR-24來自于7號和8號染色體，雞的miR-24來自于30號染色體和Z染色體.由miR-24形成兩種不同序列的剪接體：miR-24-3p和miR-24-5p，miR-24-3p發(fā)揮的生物學(xué)效應(yīng)較為廣泛，其序列為5’-UGGCUCAGUUCAGCAGGAA-3’，在人、小鼠、豬、牛、雞等物種中成熟序列高度一致(表1).

表1 各物種miR-24-3p序列信息及其染色體位置

2.2 轉(zhuǎn)錄因子對miR-24的調(diào)控作用

轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控miR-24上游區(qū)域影響其表達(dá)從而調(diào)控相關(guān)靶基因在細(xì)胞中的功能作用.miR-24-2上游含有RUX2轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)，RUX2能夠降低miR-24的表達(dá)，從而解除miR-24對靶基因SATB2的抑制作用，影響骨細(xì)胞的分化[2].SMAD5作為BMPR4的下游轉(zhuǎn)錄因子，磷酸化后能夠與miR-24-3p上游啟動子區(qū)的結(jié)合位點(diǎn)作用，阻礙由BMP4誘導(dǎo)的胚胎干細(xì)胞凋亡過程[3].在結(jié)腸癌的研究中發(fā)現(xiàn)HIF-1α能夠與miR-24-3p啟動子區(qū)結(jié)合，促使miR-24-3p的靶基因PDHB、PDHA1、DLD等發(fā)揮功能作用，促進(jìn)細(xì)胞存活[4].

2.3 非編碼RNA對miR-24的表達(dá)調(diào)控作用

基于競爭性內(nèi)源RNA(competing endogenous RNAs, ceRNA)理論，研究發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)miR-24的表達(dá)也受非編碼RNA的調(diào)控.非編碼RNA包括了長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA， lncRNA)、環(huán)狀RNA(cicular RNA，circRNA)、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(transfer RNA，tRNA)和核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)等，其中以lncRNA調(diào)控miR-24的研究最多，廣泛影響癌癥的增殖、凋亡、纖維化等過程，參與癌癥的進(jìn)展.lncRNA ANRIL通過下調(diào)miR-24表達(dá)，解除miR-24對靶基因的抑制從而促進(jìn)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤細(xì)胞的存活、遷移和侵襲[5].lncRNA MIR22HG高表達(dá)可抑制miR-24-3p在甲狀腺乳頭狀癌的高表達(dá)，從而參與癌癥發(fā)展過程[6].LncRNA IGBP1-AS1通過競爭性吸附miR-24-1影響ZIC3基因的表達(dá)，從而抑制乳腺癌的侵襲和增殖[7].

miR-24不僅介導(dǎo)lncRNA對癌癥的發(fā)生進(jìn)展過程，也廣泛參與了其他疾病的發(fā)生過程.lncRNA Gm5091可通過海綿吸附miR-27b～23b～24降低小鼠酒精性肝纖維化[8].linc00472啟動子甲基化異常導(dǎo)致linc00472表達(dá)水平降低，從而降低linc00472對miR-24的吸附作用，使miR-24表達(dá)水平升高，參與調(diào)節(jié)心房顫動[9].文獻(xiàn)[10]對小鼠心肌損傷模型研究發(fā)現(xiàn)，非編碼lncRNA CYTOR通過與miR-24種子序列2-8位置結(jié)合調(diào)控其表達(dá)影響靶基因XIAP mRNA和蛋白的作用，從而調(diào)控小鼠膿毒病癥狀.

隨著非編碼RNA研究的深入進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)circRNA也廣泛地參與到了生命過程中，且部分circRNA的發(fā)揮也需要miR-24的參與.文獻(xiàn)[11]對成肌細(xì)胞分化過程中進(jìn)行circRNA和miRNA測序分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在成肌細(xì)胞分化過程中miR-24與circRNA表達(dá)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明了circRNA可能通過調(diào)控miR-24影響成肌細(xì)胞分化過程.

3 miR-24的調(diào)控功能

miRNA主要通過其成熟體的第2～8個堿基與靶基因的UTR或CDS區(qū)域完全或部分互補(bǔ)配對，誘導(dǎo)靶mRNA的降解或抑制靶基因的蛋白合成，從而在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控基因表達(dá).miR-24主要與靶基因3′UTR、5′UTR和CDS區(qū)域結(jié)合發(fā)揮生物學(xué)功能(表2).

表2 miR-24在癌癥、心血管疾病、脂代謝及卵巢發(fā)育中的功能作用及其靶基因

以miR-24-3p為搜索關(guān)鍵詞，在miRWalk數(shù)據(jù)中已驗(yàn)證的hsa-miR-24-3p靶基因有2000多個，包括BCL2L11、CYP11B2、SP1等(http:∥mirwalk.umm.uni-heidelberg.de/interactions/).miR-24對靶基因的調(diào)控也表現(xiàn)了復(fù)雜性特點(diǎn)，不同的miR-24成熟體會靶向不同的基因達(dá)到共同調(diào)控作用.同一個成熟體對部分基因可以單獨(dú)靶向3′UTR、5′UTR或CDS區(qū)域發(fā)揮調(diào)控作用，也會同時靶向基因的3′UTR和5′UTR區(qū)域發(fā)揮復(fù)雜的調(diào)控作用.文獻(xiàn)[12]對小鼠的胚胎干細(xì)胞(ESC)研究發(fā)現(xiàn)miR-24-3p和miR-24-2-5p能夠共同靶向KLF4和C-MYC的3′UTR區(qū)域，并負(fù)反饋調(diào)控PRMT7的表達(dá)，從而誘導(dǎo)ESC的全能分化特性.文獻(xiàn)[13]研究發(fā)現(xiàn)miR-24-3p能夠同時靶向JAB1 3′UTR和5′UTR影響鼻咽癌的進(jìn)展過程.miR-24通過多種復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)參與了諸多的生物過程.

3.1 miR-24對癌癥發(fā)生的作用

miR-24廣泛參與多種癌癥的進(jìn)展過程，在生命體內(nèi)通過不同的調(diào)控途徑參與癌細(xì)胞的增殖、凋亡、遷移和侵襲等過程，然miR-24受多種因素的影響以及調(diào)控多個靶基因?qū)Π┌Y的發(fā)生過程發(fā)揮雙重作用.諸多研究通過構(gòu)建小鼠疾病模型或體外培養(yǎng)人癌細(xì)胞，在細(xì)胞和個體水平上驗(yàn)證miR-24對腫瘤發(fā)展的作用影響，利用增殖、凋亡、靶點(diǎn)互作等研究技術(shù)驗(yàn)證其相關(guān)功能.研究發(fā)現(xiàn)miR-24在乳腺癌、膠質(zhì)瘤、霍奇金淋巴瘤細(xì)胞、腎癌細(xì)胞中高表達(dá)，通過促進(jìn)癌細(xì)胞增殖、遷移、侵襲的能力促進(jìn)癌癥發(fā)展.其作用的發(fā)揮也主要通過與靶基因的UTR區(qū)域結(jié)合，如miRNA-23b～27b～24 主要通過靶向轉(zhuǎn)錄因子FOXP2基因的啟動子區(qū)域，從而降低FOXP2基因的mRNA和蛋白的表達(dá)水平，促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞的遷移[14].miR-24通過靶向MAPK7、ZNF376[15]促進(jìn)肺癌細(xì)胞增殖、遷移和侵襲.miR-23a～27a～24-2基因家族通過靶向SOCS6基因抑制其表達(dá)，從而促進(jìn)胃癌細(xì)胞的增殖和遷移作用[16].

此外，miR-24在一些癌癥進(jìn)展過程中起到抑制的作用，如胰腺癌、骨肉瘤細(xì)胞、大腸癌、鼻咽癌等.β-catenin基因突變廣泛參與各種癌癥的發(fā)生過程，miR-24通過抑制β-catenin表達(dá)從而抑制癌癥發(fā)生，是β-catenin基因有效調(diào)節(jié)因子.在膠質(zhì)瘤中研究發(fā)現(xiàn)miR-24能夠調(diào)節(jié)β-catenin基因從而影響膠質(zhì)瘤細(xì)胞的存活和自噬功能[17].在結(jié)腸癌中，miR-24-1-5p可以靶向β-catenin基因從而抑制β-catenin的表達(dá)，達(dá)到抑制癌細(xì)胞增殖、遷移和存活的能力[18].在其他各類癌癥中，miR-24通過靶向DND1抑制胃癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲的作用，靶向LAMB3抑制胰腺導(dǎo)管腺癌的增殖，調(diào)控SW48細(xì)胞的凋亡抑制大腸癌[19-20]等多種癌癥進(jìn)展過程，在上述抑癌作用中可將miR-24作為治療癌癥的靶點(diǎn)，從而提高化療的敏感性.

在癌癥發(fā)生過程中miR-24在血清中的表達(dá)水平可以作為癌癥的臨床診斷標(biāo)記.文獻(xiàn)[21]研究發(fā)現(xiàn)miR-24-3p在口腔鱗狀細(xì)胞癌腫瘤組織表達(dá)水平較高，且外源性的miR-24-3p增加了惡性腫瘤細(xì)胞的增殖作用，揭示唾液中的miR-24-3p可以作為口腔鱗狀細(xì)胞癌篩查的潛在檢測標(biāo)志物.文獻(xiàn)[22]研究發(fā)現(xiàn)口腔鱗狀細(xì)胞癌患者血清中miR-24的表達(dá)水平較正常人要高，進(jìn)一步說明miR-24可以作為一種口腔癌診斷工具.除了在口腔癌中，在對胃癌的研究發(fā)現(xiàn)miR-24在早期胃癌的表達(dá)水平顯著低于晚期胃癌血清中，上述研究提示miR-24可以作為癌癥進(jìn)展的生物標(biāo)記物.

3.2 miR-24對心血管疾病的影響

miR-24在心血管系統(tǒng)中廣泛存在，能夠抑制發(fā)育期和心肌梗死的血管生成，從而影響心血管的功能作用.miR-24是一種對缺氧敏感的miRNA，能夠通過調(diào)節(jié)血管功能參與心血管疾病的發(fā)展.miR-24通過與Notch基因3′UTR結(jié)合靶向調(diào)節(jié)Notch以及其他一些血管形態(tài)因子參與調(diào)節(jié)肢體肌肉缺血后的微血管反應(yīng)過程[23].miR-24-3p通過靶向BCL2L11，使冠心病患者外周血BCL2L11表達(dá)下調(diào)，抑制血管平滑肌細(xì)胞的凋亡，可作為治療冠心病的潛在靶點(diǎn)[24].miR-24的上調(diào)表達(dá)通過PI3K/Akt/mTOR軸的PIK3R1，抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖、遷移，顯著減輕糖尿病大鼠血管重構(gòu)[25].miR-24-3p可通過激活NRF2-Keap1信號通路，降低Keap1蛋白表達(dá)水平，達(dá)到保護(hù)心肌細(xì)胞免受缺血/再灌注損傷過程[26].miR-24參與糖尿病的血管重構(gòu)過程，miR-24通過參與NLRP3相關(guān)炎癥信號通路，抑制損傷動脈膜增生過程，從而減輕糖尿病大鼠的血管重塑過程[19].miR-24在血清中的不同表達(dá)水平也與心血管疾病進(jìn)展不同時期相關(guān)，如miR-24、miR-23a和miR-145a在急性心肌梗死后的急性腎損傷患者的血清中表達(dá)水平顯著下調(diào)，提示這3種miRNA可以作為早期發(fā)現(xiàn)急性心肌梗死的標(biāo)記基因.

3.3 miR-24在脂質(zhì)代謝中的功能作用

miRNA影響脂質(zhì)代謝過程， 主要通過參與調(diào)控前脂肪細(xì)胞分化、肝臟脂質(zhì)和血漿中脂類的合成等過程.在影響脂肪分化形成上通過不同的調(diào)節(jié)作用起到促進(jìn)或抑制的作用，文獻(xiàn)[27]研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)miR-24可以抑制MAPK7，增加PPAR-γ、SREBP1基因的表達(dá)，使脂滴形成和甘油三酯的積累增加，從而顯著促進(jìn)3T3-L1的脂肪生成.而miR-23a～27a～24基因家族通過同時靶向促脂肪(GPAM、DGAT2)和抑脂肪(DCN、G6PD、LPL)相關(guān)基因調(diào)控牛脂肪細(xì)胞生成過程，最終基因家族的平衡調(diào)節(jié)作用抑制脂肪的生成.miR-24的過表達(dá)下調(diào)與脂肪生成有關(guān)的某些基因(FASN、ACLY和SCD1)表達(dá)，但增加膽固醇合成、脂質(zhì)合成相關(guān)基因(HMGCR、DHCR24和SREBP2)的表達(dá)，其功能的發(fā)揮主要是通過靶向基因SR-B1實(shí)現(xiàn)[28].miR-24同時影響脂質(zhì)代謝相關(guān)產(chǎn)物的生成，在腦梗死大鼠中miR-24能夠降低血清中總膽固醇、高密度脂蛋白以及甘油三酯水平，進(jìn)而抑制腦組織的凋亡[29].miR-24在高脂小鼠的肝臟和離體的人肝細(xì)胞中表達(dá)水平顯著增加，其作用機(jī)制主要是通過抑制Insig1促進(jìn)肝臟脂質(zhì)沉積和高脂血癥，miR-24被敲除后將導(dǎo)致肝臟脂質(zhì)積聚受損，血漿甘油三酯降低，提示miR-24可作為動脈粥樣硬化的潛在治療劑[30].在動物生產(chǎn)上的研究發(fā)現(xiàn)miR-24參與了兔肝細(xì)胞中多不飽和脂肪酸的生物合成過程[31].在山羊乳腺組織泌乳期和干乳期的表達(dá)水平顯著不同，體外實(shí)驗(yàn)表明miR-24通過靶向FAS影響甘油三酯含量、調(diào)控SREBP1等基因的表達(dá)從而影響乳汁中脂肪酸含量[32].

3.4 miRNA-24對卵巢及卵泡生長的調(diào)控

miRNA參與卵巢發(fā)育的整個生物學(xué)功能，包括卵泡生長、閉鎖以及排卵等一系列過程中的因子調(diào)控功能，卵泡生長各個階段受特異性表達(dá)的miRNA調(diào)控.miR-24也參與繁殖過程中的各個途徑，人卵泡液中的miR-24-3p能夠調(diào)控雌二醇和孕酮的水平，降低睪酮水平[33].miR-24-3p能夠靶向SMAD5通過FasL-Fas信號通路調(diào)控人卵泡顆粒細(xì)胞凋亡水平[34].miR-24的表達(dá)水平與牛卵泡顆粒細(xì)胞發(fā)育相關(guān)，影響受精率，與山羊的妊娠狀態(tài)相關(guān)等.miR-24-3p還能夠降低HepG2細(xì)胞脂質(zhì)沉積能力，而脂質(zhì)沉積影響了雞卵泡生長過程.miR-24-3p在30周齡的雞的肝臟中表達(dá)水平下降[35]，表明其有可能參與了卵黃脂質(zhì)合成及代謝，影響卵黃沉積等過程，從而影響卵泡生長.

3.5 miR-24在其他生物過程中的作用

miR-24除了影響細(xì)胞增殖、凋亡等過程，也影響如少突膠質(zhì)前體細(xì)胞、神經(jīng)元、胚胎干細(xì)胞等分化過程.文獻(xiàn)[36]研究發(fā)現(xiàn)miR-24在損傷的脊髓細(xì)胞中表達(dá)水平增加，并通過靶向調(diào)節(jié)ADM抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞的分化.文獻(xiàn)[37]研究發(fā)現(xiàn)miR-24-3p通過控制海馬鈣蛋白的表達(dá)來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的分化進(jìn)展.文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)BMP4通過募集SMAD5調(diào)控miR-23a/b～27a/b～24啟動子序列，使miR-23a/b～27a/b～24影響胚胎干細(xì)胞的分化功能.

miR-24也參與機(jī)體內(nèi)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等生物過程，并通過靶向基因的功能作用作為疾病治療靶點(diǎn).文獻(xiàn)[38]將外源性miR-24-3p轉(zhuǎn)染進(jìn)缺血再灌注小鼠的肝臟中，發(fā)現(xiàn)miR-24-3p可顯著抑制肝臟內(nèi)STING和p-IRF3蛋白的表達(dá)，從而達(dá)到減輕炎性細(xì)胞因子的釋放，并降低肝細(xì)胞功能障礙和凋亡過程.文獻(xiàn)[39]研究發(fā)現(xiàn)抑制類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的GSK-3β抑制劑TDZD-8能夠通過下調(diào)miR-24表達(dá)，降低類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的炎癥反應(yīng)過程，說明miR-24促進(jìn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的發(fā)生.miR-24在潰瘍性結(jié)腸炎患者的結(jié)腸活檢和血液樣本中比健康對照組的表達(dá)水平要高，進(jìn)一步研究提示miR-24是腸道免疫屏障的重要調(diào)節(jié)因子[40].在氧化應(yīng)激上研究顯示miR-24在人體外胸主動脈平滑肌細(xì)胞的上調(diào)，可以通過NRF2/HO-1信號通路抑制細(xì)胞內(nèi)ROS、MDA等的活性水平，從而抑制細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)[41].

4 展望

綜上所述，miR-24的調(diào)控是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其表達(dá)水平受到轉(zhuǎn)錄因子和非編碼RNA等多方面調(diào)控，其功能發(fā)揮主要通過與不同靶基因結(jié)合廣泛地參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡等過程.研究表明miRNA的生成機(jī)制和作用靶基因在各物種或各組織中表現(xiàn)差異性，因此進(jìn)一步研究miR-24在不同物種或組織中的生物合成的分子機(jī)制及其調(diào)控作用，將為miR-24家族成員的生物學(xué)功能提供新的見解.然目前的研究多集中于在人、小鼠物種，相關(guān)組織也多與腫瘤相關(guān)，大部分的miR-24的靶基因及其相關(guān)功能仍未被解析驗(yàn)證，仍存在許多科學(xué)問題有待于深入研究，全面剖析miR-24的功能作用仍有很長的路要走.