微RNAs與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路的相互調(diào)控作用

羅琦琦， 曲光瑾， 羅善順

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院干部一病房， 哈爾濱 150001)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)是真核細胞內(nèi)脂類、糖類、蛋白質(zhì)類合成和修飾的重要場所。在某些生理、病理條件刺激下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)會發(fā)生錯誤折疊并不斷積聚，進而引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，激活未折疊蛋白反應(yīng)(unfolded protein response UPR)[1]。UPR激活降低了錯誤折疊蛋白質(zhì)的水平，但長期且不可修復(fù)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激便會觸發(fā)細胞凋亡[2]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在調(diào)節(jié)細胞凋亡和自噬等方面具有重要的意義。微RNAs( microRNAs, miRNAs)是一種小的非編碼RNA，通過與靶向信使RNA(messenger RNA ,mRNA)的3′非翻譯區(qū)(3′ untranslated region, 3′UTR)形成不完全互補配對，對許多關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄后水平發(fā)揮重要的調(diào)控作用[3-4]，并誘導(dǎo)多種復(fù)雜的細胞功能，包括增殖、分化和凋亡[5]。miRNAs可調(diào)節(jié)ERS相關(guān)信號通路中關(guān)鍵蛋白質(zhì)和基因的表達，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通過降低mRNA或miRNAs的穩(wěn)定性間接調(diào)控靶基因的表達[6]。本文就miRNAs與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路相互調(diào)控作用進行梳理。

1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路概述

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激主要有3種信號通路，即蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase-like ER kinase，PERK)通路、肌醇酶1(inositol-requiring kinase l，IRE1)通路和激活轉(zhuǎn)錄因子6(activating transcription factor 6，ATF6)通路。這3種信號通路通過與葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78(glucose regulated protein 78，GRP78)/免疫球蛋白結(jié)合蛋白(immunoglobulin binding protein，BiP)結(jié)合，保持正常生理功能；但是在營養(yǎng)剝奪、細胞分化或其他應(yīng)激狀態(tài)下，GRP78會與這些蛋白質(zhì)分離，從而激活和啟動下游信號通路[7-11]。PERK被BiP激活后導(dǎo)致真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2-α，eIF2α)的磷酸化，減輕了蛋白質(zhì)的負荷。同時，也上調(diào)了激活轉(zhuǎn)錄因子4 (activating transcription factor 4，ATF4) mRNA的翻譯，ATF4是CCAAT/增強子結(jié)合蛋白(CCAAT enhancer binding protein，C/EBP)家族成員，可激活C/EBP同源蛋白(CCAAT enhancer binding protein homology protein，CHOP)的轉(zhuǎn)錄[12]。IRE1α是第一個被發(fā)現(xiàn)啟動內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的特異性傳感器，活化的IRE1α能夠剪切X-盒結(jié)合蛋白1 (X-box binding protein 1，XBP1) 的mRNA，使其形成有活性的轉(zhuǎn)錄因子XBP-1 s(X-box binding protein 1 s，XBP1s)，這種剪切的XBP1s與各種應(yīng)激反應(yīng)基因啟動子結(jié)合，從而抑制應(yīng)激反應(yīng)蛋白質(zhì)的表達，促進展開蛋白質(zhì)的正確折疊和錯誤折疊蛋白質(zhì)的降解，這一過程稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解(ER-associated degradation，ERAD)[13-14]。ATF6是亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子家族成員，其通過ATF6二硫鍵轉(zhuǎn)運到高爾基體中發(fā)揮作用，并通過位點1蛋白酶(site 1 protease，S1P)和位點2蛋白酶(site 2 protease，S2P)進行加工，產(chǎn)生裂解的活性ATF6α，ATF6α也可與UPR結(jié)合，激活CHOP[15-17]，參與調(diào)控相關(guān)靶基因的表達(Fig.1)。

Fig.1 Endoplasmic reticulum stress (ERS) signaling pathways In some physiological conditions such as nutrient deprivation and cell differentiation, and in some pathological conditions such as infection and cellular injury, endoplasmic reticulum homeostasis imbalance can lead to ERS. ERS mainly has three signaling pathways namely PERK, IRE1 and ATF6. The activation of PERK by BiP leads to the phosphorylation of eIF2α, which also up-regulates the translation of ATF4 mRNA, and ATF4 can activate CHOP. Activated IRE1α can shear the mRNA of XBP1 to form active transcription factor XBP1s, which promotes the degradation of misfolded or unfolded proteins, known as ER-associated degradation (ERAD). ATF6 is processed by S1P and S2P to produce lytic active ATF6α, which also binds to UPR and activates CHOP

2 微RNAs對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)信號通路的調(diào)控作用

2.1 miRNAs對PERK通路的調(diào)控作用

miRNAs對PERK通路的調(diào)控，既有促凋亡作用，也有促細胞增殖和自噬的作用。PERK持續(xù)激活在促細胞凋亡中發(fā)揮重要的作用。然而，人們對其機制知之甚少。現(xiàn)有的研究中，miRNAs調(diào)控其促凋亡作用部分依賴于下游因子。例如，有研究者在對人臍靜脈內(nèi)皮細胞和小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，抑制miR-1283可通過上調(diào)PERK/ATF4通路的表達，促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，刺激細胞凋亡和炎癥，最終導(dǎo)致血管內(nèi)皮損傷[18]。一種依賴PERK及其下游調(diào)節(jié)物ATF4微小核糖核酸分子miR-706，可通過調(diào)節(jié)凋亡抑制劑1(apoptosis inhibitor 1，CAAP1)促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的細胞死亡[19]。Read等[20]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中，miR-17-92可被PERK下游ATF4和核因子相關(guān)因子2(nuclear factor E2-related factor 2，NRF2)抑制，進而介導(dǎo)細胞凋亡。這一發(fā)現(xiàn)表明，miRNAs的調(diào)控與PERK/ATF4通路存在雙向調(diào)控關(guān)系。綜上所述，參與PERK通路的miRNAs通過調(diào)控其下游轉(zhuǎn)錄因子在促細胞凋亡中發(fā)揮重要作用。

miRNA-PERK信號通路調(diào)控細胞凋亡的最終結(jié)果并非均為有害的，其在促腫瘤細胞凋亡中可達到治療作用；例如在大腸癌細胞中，miR-7112-3p靶向PERK并調(diào)控其下游ATF4-CHOP-caspase(胱天蛋白酶)級聯(lián)途徑，從而誘導(dǎo)卟啉鈉-光動力治療處理的CX-1(大腸癌細胞)細胞凋亡[21]，為結(jié)直腸癌病人的治療提供了新的靶點。miR-211除以PERK依賴的方式調(diào)控CHOP表達外，最近被證明有另一種機制，即PERK誘導(dǎo)的miR-211對異源二聚體轉(zhuǎn)錄因子Bmal1(brain and muscle ARNT-like protein 1)具有抑制作用，可以通過限制蛋白質(zhì)過載來促進細胞生存和腫瘤進展[22-23]?？梢妰?nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激通過激活PERK分支，有助于腫瘤細胞適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境。miRNAs調(diào)控PERK在誘導(dǎo)細胞增殖上具有間接的促凋亡特性，例如糖尿病病人miR-98-5p下調(diào)，可通過靶向蛋白磷酸酶1調(diào)節(jié)亞基15B(protein phosphatase 1 regulates subunit 15B，PPP1R15B)提高p-eIF2α、BiP和CHOP的水平，抑制增殖并促進凋亡，其可能會加重糖尿病病人皮膚損傷程度[24]。miRNAs可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激調(diào)控腫瘤細胞增殖和凋亡，Wang等[25]用熒光素酶活性在miR-520a模擬物或抑制劑存在的情況下分析Raji(惡性淋巴瘤細胞)細胞的功能。結(jié)果表明，miR-520a通過調(diào)節(jié)AKT1(又稱蛋白激酶B)/核因子κB(protein kinase B，PKB/ nuclear factor-kappa B，NF-κB)或PERK/eIF2α信號通路，可介導(dǎo)惡性淋巴瘤Raji細胞增殖和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并具有加強胱天蛋白酶(caspase)依賴的凋亡作用。PERK是誘導(dǎo)自噬的媒介，在炎癥性腸病中，miRNAs通過調(diào)節(jié)核因子κB/雷帕霉素機制性靶標(biāo)(NF-κB/mechanistic target of rapamycin，mTOR)信號通路，誘導(dǎo)或抑制細胞自噬，影響炎癥因子的抗炎或促炎作用[26]。因此，miRNAs誘導(dǎo)PERK通路對凋亡、增殖和自噬過程的調(diào)控，為疾病的治療靶點提供了新的研究思路。

2.2 miRNAs對IRE1通路的調(diào)控作用

目前研究表明，miRNAs通過介導(dǎo)IRE1通路可發(fā)揮抗凋亡特性。Panganiban等[27]提出，miR-124-3能通過抑制IRE1/XBP1通路減弱CHOP活化，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞死亡。IRE1不僅能處理XBP1mRNA，還會處理選擇性mRNA或前體miRNAs(precursor miRNA，pre-miRNA)導(dǎo)致其降解，這一過程被稱為調(diào)控IRE1依賴性衰變(regulating IRE1 dependent decay，RIDD)[28-29]。而miR-424(322)通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)二硫化物異構(gòu)酶家族A成員6(protein disulphide isomerase family A, member 6，PDIA6)表達，可調(diào)控IRE1的RIDD活性[30]。IRE1α在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的3′UTR共識位點切割磷脂酰肌醇蛋白聚糖3mRNA(glypican-3mRNA，GPC3mRNA)，促進GPC3mRNA降解，參與致癌過程；例如miR-214可以直接識別XBP-1 mRNA的3′UTR，并抑制XBP-1的翻譯，可能有助于誘導(dǎo)肝癌細胞凋亡；在大腸癌中，下調(diào)miR-3648可直接靶向XBP-1mRNA的3′UTR，并增加大腸腺瘤性息肉病2(adenomatous polyposis coli 2，APC2)的表達以減少細胞增殖，促進腫瘤細胞凋亡[31-33]。因此，抑制IRE1α-XBP1s通路可抑制腫瘤細胞的進展。IRE1α抑制劑(STF083010)可通過介導(dǎo)信號通路中miRNAs的表達來誘導(dǎo)細胞凋亡，對機體發(fā)揮保護作用。例如大鼠缺氧缺血性腦病模型中，Huang等[34]發(fā)現(xiàn)，IRE1α抑制劑(STF083010)可通過miR-125/ NOD-受體蛋白1炎性小體 /胱天蛋白酶-1(miR-125/ NOD-like receptor protein 1 inflammasome，NLRP1/caspase-1)信號通路，部分降低神經(jīng)元凋亡。也有研究者發(fā)現(xiàn)，IRE1α抑制劑(STF-083010)在新生兒缺氧缺血性腦病發(fā)生24 h后，過表達miR-17-5p可發(fā)揮神經(jīng)保護作用，其機制可能與硫氧還蛋白相互作用蛋白/ NOD-受體蛋白3炎性小體(thioredoxin-interacting protein，TXNIP/ NOD-like receptor protein 3 inflammasome，NLRP3)的活性受到IRE1α抑制有關(guān)[35]。因此，IRE1α抑制劑可逆轉(zhuǎn)新生兒缺氧缺血性腦病大鼠模型的腦損傷。兒童惡性腫瘤中，IRE1抑制劑(STF-083010)可上調(diào)miR-34a的表達，抑制胱天蛋白酶-2的激活，對β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)肽誘導(dǎo)的人神經(jīng)母細胞瘤細胞損傷具有保護作用[36]。IRE1也參與誘導(dǎo)自噬，miR-200c-3p以IRE1α依賴的方式誘導(dǎo)前列腺癌細胞自噬[37]；有望成為前列腺癌的治療靶點。在誘導(dǎo)細胞分化方面，過表達miR-24能通過抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激效應(yīng)因子IRE1α、XBP1和ATF4誘導(dǎo)細胞凋亡去分化來保護胰腺β細胞[38]。

2.3 miRNAs對ATF6通路的調(diào)控作用

研究表明，參與ATF6通路的miRNAs也表現(xiàn)出雙向調(diào)控的作用。但與前2種信號通路相比，miRNA-ATF6信號仍未得到廣泛的研究。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中，PERK通路可抑制miR-424(322)-503簇，并通過與ATF6mRNA的3′UTR結(jié)合，使miR-424下調(diào)ATF6的轉(zhuǎn)錄；miR-103/107通過靶向前脂肪細胞Wnt3a-β-聯(lián)蛋白-ATF6信號通路促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡[39-40]。在心血管中，miR-199a-5p通過影響靶基因ATF6和GRP78的表達，促進UPR和抑制凋亡，對心血管具有保護作用[41]。在大鼠脊髓損傷模型中，通過雙熒光素酶報告基因檢測結(jié)果表明，miR-211-5p直接調(diào)控ATF6可有效減輕大鼠脊髓損傷后神經(jīng)元凋亡和炎癥反應(yīng)，從而減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[42]。總之，雖然參與ATF6通路的miRNAs表現(xiàn)出雙向調(diào)控作用，但相比其余2條通路，ATF6通路不具廣泛的下游信號因子，且在疾病表達譜中尚未有明確抑制劑用于臨床治療，因此仍需進一步研究。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激對miRNAs的調(diào)控作用。

miRNAs通過轉(zhuǎn)錄后作用可調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)靶基因的表達。反之，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路也可調(diào)控miRNAs的轉(zhuǎn)錄水平。NF-κB作為PERK下游分子，可參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)miR-30c-2-3p表達的調(diào)控，且miR-30c-2-3p可負調(diào)控XBP1mRNA表達[43]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激激活的轉(zhuǎn)錄因子XBP1，通過誘導(dǎo)抗原肽轉(zhuǎn)運蛋白1(the human antigen peptide transporter1，TAP1)mRNA來調(diào)控免疫調(diào)節(jié)基因miRNA-346表達；在促凋亡上，PERK依賴的C-EBP同源蛋白/生長停滯及DNA損傷誘導(dǎo)基因153(CHOP/ growth arrest-and DNA damage-inducible gene 153，GADD153)轉(zhuǎn)錄因子可直接調(diào)控miR-216b的表達，促進細胞凋亡[44-45]。PERK下游轉(zhuǎn)錄因子ATF4可誘導(dǎo)miR-483的表達，并通過介導(dǎo)肌酸激酶腦型(creatine kinase, BB form，CKB)基因沉默破壞細胞ATP穩(wěn)態(tài)，二者引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過度激活至細胞凋亡[2]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激過程中，miR-29a以ATF4依賴的方式被強有力地誘導(dǎo)，進而增強了神經(jīng)元對ERS誘導(dǎo)的凋亡的敏感性[46]。Shimizu等[47]在制作的心血管特異性PERK基因敲除小鼠模型研究中，對接受或不接受西地那非(sildenafil)治療的衰竭心臟進行轉(zhuǎn)錄分析發(fā)現(xiàn)，PERK下游信號通路eIF2的下調(diào)和NRF2信號通路的上調(diào)可抑制miRNAs，改善心力衰竭線粒體功能障礙。ATF6-miRNA信號通路中，ATF6的激活下調(diào)了miR-455的表達，并通過分子伴侶的作用在一定程度上緩解了ERS，同時增強了鈣網(wǎng)蛋白的表達，可能有助于ATF6對心血管發(fā)揮保護作用[48]。這表明，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可通過ATF6介導(dǎo)miRNAs調(diào)控基因表達。IRE1α-miRNA信號通路中，IRE1α調(diào)控miRNAs的表達可通過RIDD通路在pre-miRNA水平上發(fā)生，與XBP1的激活無關(guān)。例如，IRE1通過RIDD機制可抑制miR-3607降解，進而控制侵襲性腔內(nèi)乳腺癌細胞中RAB3B(RAS癌基因家族成員)基因的表達；糖尿病創(chuàng)面愈合中，IRE1α通過抑制pre-miRNA可調(diào)控促血管生成因子血管生成素1(pro-angiogenic factor angiopoietin 1，ANGPT1)蛋白質(zhì)的表達，促進糖尿病骨髓基質(zhì)干細胞(bone marrow stromal cells，BMSCS)的血管生成[49,29]，Ma等[50]研究表明，IRE1α通過下調(diào)miR30a-5p的表達，促進了傳染性腸胃炎病毒(transmissible gastroenteritis virus，TGEV)感染。并強調(diào)了IRE1α在先天抗病毒抗性中的關(guān)鍵作用，以及IRE1α作為抗冠狀病毒感染的新靶點的潛力。因此，IRE1α在某些疾病中以調(diào)控miRNAs的表達為基礎(chǔ)，可能成為疾病的治療靶點。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激除通過信號通路調(diào)控miRNAs的表達外，也可通過一些靶點來誘導(dǎo)miRNAs，例如乳腺癌細胞中，Yao等[51]發(fā)現(xiàn)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激提高了乳腺癌細胞來源外泌體miR-27a-3p的表達，其上調(diào)了巨噬細胞中程序性細胞死亡配體1(programmed cell death-Ligand 1，PD-L1)的表達，并通過激活磷酸酶和緊張素同源物/AKT/磷脂酰肌醇-3-羥激酶(phosphatase and tensin homolog，PTEN/AKT/phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K)通路促進乳腺癌細胞發(fā)生免疫逃避。在黑色素瘤中，Grzywa等[52]研究了維莫非尼(vemurafenib)的一種新機制，即維莫非尼通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激上調(diào)miR-410-3p的表達，增加了黑色素瘤細胞對維莫非尼的耐藥性，這可能有助于其表型向治療耐藥表型轉(zhuǎn)變。綜上所述，在誘導(dǎo)細胞凋亡和增殖等過程中，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激對miRNAs也有一定的調(diào)控作用，但其研究不如前者深入，且在疾病的表達譜中也不夠完善，其是通過降低mRNA或miRNAs的穩(wěn)定性來間接實現(xiàn)調(diào)控機制的。

4 問題與展望

miRNAs在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路中發(fā)揮重要的作用，也可直接受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路的調(diào)控。了解miRNAs與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激信號通路相互調(diào)控的機制，有利于從分子生物學(xué)水平理解ERS介導(dǎo)miRNAs參與各種生理、病理過程的機制基礎(chǔ)，以及其在疾病中作為潛在治療靶點的可行性。然而，miRNAs與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)信號通路的調(diào)控機制仍處于探索階段，尤其是現(xiàn)有的研究多側(cè)重于miRNAs對ERS的調(diào)控，而針對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也可間接調(diào)節(jié)miRNAs的表達還未得到廣泛提及，因此，未來應(yīng)著重于疾病中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)miRNAs的標(biāo)志物檢測和治療靶點的研究。