[摘要] microRNA又称miRNA,是真核生物细胞中固有的一类不编码蛋白的小分子RNA。生物体中,miRNA能够转录后调控基因的表达,影响着几乎所有的信号通路,参与多种生理病理过程,在肿瘤的发生和发展中也发挥了重要的调节作用。研究miRNA与肿瘤的关系是近年来备受关注的热点之一,其影响肿瘤发生和发展的作用机制将为肿瘤的诊断和治疗提供新的思路。
[关键词] 微小RNA;肿瘤;基因调控;靶基因
[中图分类号] R730.23 [文献标识码]A [文章编号]1674-4721(2010)07(a)-014-03
Development of the studies on miRNA
QIU Yue1, QIU Xueshan2
(1.Department of Clinical Medical of Seven Year System, China Medical University, Liaoning Province, Shenyang110000, China;2.Department of Basic Medicine, China Medical University, Liaoning Province, Shenyang 110000, China)
[Abstract] microRNA, also called miRNA, is a class of small non-protein coding RNA in eukaryotic cells. In many organisms, miRNA can post-transcriptional control gene expression and effect almost all of the signaling pathway. It parcitipates in many physiological and pathological processes and plays a important role in regulation of tumor occurrence and development. The study of the relationship between miRNA and tumor is one of the hotspots in recent years, the mechanisms of impact of tumor occurrence and development may provide new ideas for diagnosis and treatment.
[Key words] miRNA; Tumor; Gene regulation; Target gene
研究发现,人类和其他高级真核生物的基因组中只有一小部分基因编码蛋白质,而超过97%的转录产物是非编码RNA[1]。miRNAs是其中一类新型内源性小分子RNAs,它在生命活动中发挥重要的调控作用。随着研究的深入,miRNAs成为近几年来生命科学新的研究热点之一。
1 miRNA的发现
1993年,Lee RC等[2]在秀丽新小杆线虫(c.elegans)中意外地发现了一种定时调控胚胎后期发育的miRNA-lin4,它是一种非编码RNA,长度为22 nt。2000年,miRNA-let7的发现掀起了寻找miRNA的热潮。近几年,随着生物信息学的发展,分子克隆技术的改进和模式物种cDNA文库的建立,相继又在线虫、果蝇、Hela细胞等许多真核模式生物和细胞中找到了数百种相似的小分子RNA,并将其称为miRNA(microRNA)。
2 miRNA生成机制及其与靶基因的作用方式
miRNA的合成及其作用机制是一个十分复杂的生理过程:首先,细胞核内的miRNA基因转录成pri-microRNA(pri-miRNA),由细胞核内的酶Drosha RNase[3]将其剪切成miRNA前体(pre-miRNA),核内的转运蛋白将pre-miRNA转运到细胞质中。然后,在细胞质中的另一种酶Dicer[4]把miRNA前体剪切成双链miRNA。
成熟的miRNA与其互补链结合成双螺旋结构,接下来,双螺旋打开,其中的1条会与RNA诱导的基因沉默复合物(RNA-induced silencing complex,RISC),形成非对称的RISC复合物(asymmetric RISC assembly)[5-6]。该非对称RISC复合物能够与目标靶mRNA相结合。
目前,关于miRNA与靶基因的作用方式有3种:①当miRNA与靶基因的mRNA序列互补配对程度高时,通过RISC切割酶Argonaute(Ago-2)作用引起靶基因在互补区的特异性断裂,从而导致基因沉默。这种情况在动物中很少见,常见于植物中[7-8],其代表是拟南芥miRNA。②当miRNA与靶mRNA序列配对程度低时,抑制其翻译过程,从而调控靶基因的表达,以线虫lin-4为代表。这种miRNA是目前发现最多的种类,但其具体机制还不清楚。③还有一种是同时具有以上两种作用方式,代表为let-7。
3 miRNA的生物学特性
miRNA广泛地存在于多种真核生物中,从低等生物到人类都有其存在的痕迹。其生物学特性主要表现为:高度保守性,时序表达特异性和组织表达特异性。
3.1高度保守性
miRNAs的序列结构在各个物种间具有高度的进化保守性,最具有miRNA保守性的是let-7,它广泛存在于两侧对称的生物体中,其序列保守性令人吃惊。科研人员认为,miRNAs的保守性具有重要的生物学意义,提示在不同生物发育过程中,miRNAs具有相同的调控机制,同时也为生物早期进化同源性提供了某种依据。
3.2时序表达特异性
在不同组织、不同发育阶段中,miRNA的表达水平有显著差异。一些miRNA呈时间发育特异性表达,Neilson JR等[9]研究表明在细胞发育的不同阶段mRNA表达是动态调控的。Ason B等[10]研究发现,不同物种间许多miRNA表现高度保守性,mRNA表达变化越大,生理差别越大。物种间的差别最主要是由于miRNA表达的异时性变化和较小程度的空间表达差异。由此,可以推测miRNA表达的变化可能在动物发育过程中形成生理差别是其作用。
3.3组织表达特异性
一些miRNA表达具有细胞和组织特异性,如miR-17～20位于Hela细胞同一基因簇内,并在斑马鱼细胞中表达,但在鼠肾和蛙卵巢细胞中未检测到[11]。这种特异性对miRNA的调控功能有重要意义。
4 miRNA在恶性肿瘤中的作用
一些特异的miRNA基因突变会引发癌症,但现在只有为数不多的miRNA功能被初步阐明,绝大部分miRNAs的功能(特别是在哺乳动物中)还不清楚,尚待深入研究,从已知的miRNA来看,其生物学功能主要表现在以下几个方面:
4.1 miRNA与肿瘤细胞的分化
细胞分化是受基因高度精细调控的过程。Eis PS等[12]发现编码lin-28蛋白的mRNA3"UTR和let-7a、miR-125b以及miR-218的碱基互补配对,而lin-28蛋白在胚胎癌性细胞和NT2/D1神经细胞发育过程中表达水平逐渐下降,与此同时,let-7a,miR-125b和miR-218在胚胎癌性细胞和NT2/D1神经细胞发育过程中表达水平逐渐升高。这提示,编码lin-28蛋白的mRNA可能是let-7a,miR-125b和miR-218的靶mRNA。let-7a,miR-125b和miR-218可能通过调节lin-28Mrnade表达控制NT2/D1神经细胞分化和发育。
4.2 miRNA与肿瘤细胞的增殖和凋亡
肿瘤的发生是细胞增殖、凋亡和分化失衡的结果。研究显示,miRNA既可以促进细胞增殖,抑制细胞凋亡,又可以抑制细胞增殖,促进细胞凋亡。
Eis PS等[12]在B细胞淋巴瘤的研究中发现,在各种类型的B细胞淋巴瘤组织miR-155的表达较正常组织高10～30倍,而恶性程度高、预后较差、弥散性大的B细胞淋巴瘤miR-155增高尤为显著。miR-21在人类恶性胶质瘤组织中高表达,抑制miR-21的表达后,肿瘤细胞凋亡明显增加,而与凋亡密切相关的胱酰蛋白酶-3和胱酰蛋白酶-7活性增加了3倍[13]。
miRNA不但可以促进肿瘤发生发展,而且可以抑制肿瘤的生长。在肺癌组织和肺癌A549细胞中,let-7表达均显著降低,将let-7a和let-7f转染入A549细胞中,细胞增殖受抑制,而且let-7f的抑制作用更为显著[14]。
4.3 miRNA与肿瘤细胞的侵袭与转移
恶性肿瘤细胞的侵袭与转移是恶性肿瘤导致死亡的主要原因之一。miRNA不仅参与肿瘤的生长过程,在侵袭和肿瘤转移过程中也具有重要作用。Yu SL等[15]研究发现,miR-137,182,372能促进肺癌细胞的侵袭,miR-221能够抑制细胞的侵袭。Zhu S等[16]发现,mir-21在转移型乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞中,将转染anti-mir-21在MDA-MB-231细胞注入年轻的雌性裸鼠体内后,与转染阴性对照的裸鼠每个肺中的转移灶(22个)相比较,注有anti-mir-21细胞的小鼠的肺中转移灶(2个)显著降低,而且这种抑制作用可能是通过调控PDCD4和maspin来实现的。
5 展望
虽然,人类对miRNA的研究在肿瘤学领域已取得一些进展,但仅是冰山一角,仍需深入与广泛研究。miRNA与肿瘤关系的研究目前还面临很多问题。首先,miRNA的加工过程复杂有序并且受多种因素精密调控。迄今为止,尽管已初步明确了miRNA的加工过程中的某些重要步骤,但其中具体的调控因素还不尽清楚。其次,miRNA 存在时空表达特异性,不同类型肿瘤、同一类型肿瘤的不同阶段miRNA表达存在高度时空特异性,还有待研究。最后,最新研究报道发现,与以往miRNA调控靶基因的作用机制不同,miRNA也可以作用于靶mRNA的5"-UTR而促进该基因的翻译[17-18]。还有报道表明,miRNA还可以作用于靶mRNA的蛋白编码区抑制该基因的翻译[19]。因此, miRNA调控靶基因的作用机制比以往的更为广泛而复杂。生物信息学和基因芯片是近年来新兴起的科学技术,运用生物信息学和miRNA基因芯片技术将有助于新miRNA的鉴别,功能鉴定以及靶基因的预测,也必将为肿瘤学的研究,肿瘤的诊断和治疗掀开崭新的篇章。
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(收稿日期:2010-05-12)