Nature综述:miRNA/microRNA和肿瘤(1)[创新技巧]

详细介绍miRNA的产生、生理作用，和肿瘤的关系

Aurora Esquela-Kerscher，Frank J. Slack
Nature Reviews/Cancer Volume 6 April 2006

    摘要：MicroRNAs(miRNAs)是一类分布广泛的小的非编码蛋白质的RNAs，其功能是负调控基因表达。它们调节了多种生物学信号通路，生物信息学数据显示，每个miRNA 可以调节数百个靶基因，这也表明miRNAs 可能影响所有的信号途径。最近的证据表明，miRNA 突变或者异位表达与多种人类癌症相关，miRNAs 可以起到肿瘤抑制基因或者癌基因的功能。研究表明miRNAs 可以抑制重要的肿瘤相关基因的表达，可能在癌症的诊断和治疗中起重要作用。肿瘤是由于细胞不受控制的增殖，受到损伤的细胞不能正常死亡引起的。细胞有几种保护措施，保证在发育过程中和成体中的细胞通过一种协调的机制，进行正常的分裂，分化，和死亡。多种调控因子通过基因表达的开关，调节细胞分裂和分化。在肿瘤，被称为肿瘤抑
制基因和癌基因表达失调。大多数肿瘤抑制基因和癌基因都是从DNA 转录成RNA，然后翻译成蛋白质，行使其生物学功能。最近的证据表明，非编码蛋白的RNA 分子，被称为microRNAs (miRNAs)，也可以起到肿瘤抑制基因和癌基因的作用。

 

    我们正在开始了解这种新颖的基因调节机制如何参与肿瘤相关过程。在最近发现的数百种miRNAs 中，仅有一小部分从线虫、果蝇和人基因组来源的miRNAs 得到了较为清楚地研究。它们控制了细胞的生长、分化和凋亡，因此，这些miRNAs 表达的失调与肿瘤发生有关。持续对miRNA 功能的研究，可以促进人们对肿瘤发生的具体机制的理解。在本综述中，我们讨论了“oncomirs”-与癌症相关的miRNAs-领域的兴起,以及如何利用这些miRNAs对肿瘤进行诊断和治疗。

miRNAs 是一大类基因表达调控因子
    miRNAs 是由约22 个核苷酸组成的非编码的单链RNAs，这是一类在动植物中新发现的基因表达调控因子。它们通过依赖于miRNA 和靶基因的互补性的两种不同的机制反向调控靶基因的表达。当miRNAs 和编码蛋白质的mRNA 几乎完全配对时，miRNAs 诱导RNA介导（RNAi）的干扰途径。简而言之，mRNA 转录本在miRNA 关联的多蛋白RNA 介导的沉默复合体（miRISC）中被核酸酶剪切，导致靶mRNA 的降解。这种miRNA 介导的基因沉默机制在植物中比较普遍，但在哺乳动物中也有发现。然而，绝大多数哺乳动物中的miRNAs 并不导致靶mRNA 的降解，而是通过另外一种机制进行基因表达调控的。这些miRNAs 通过不完全的碱基配对和mRNA 的3’非翻译区（UTRs）,在一个类似于或者可能是等同于RNA 干扰途径中使用的RISC 复合物中，在转录后水平上抑制基因翻译。与抑制翻译一致的是，通过这种机制控制翻译的miRNAs 仅降低其靶基因的蛋白质表达水平，但其mRNA 水平几乎没有受到什么影响。然而，最近的一些发现表明，miRNAs 与它们的靶基因只有部分互补的情形也会导致mRNA 的降解，但是目前还不清楚，翻译抑制是否发生在mRNA 的降解之前。

    miRNAs 的生物合成最近才得到了比较详细的阐明。miRNAs，通常是由RNA 聚合酶II (Pol II) 转录的，最初产物是被称为pri-miRNA 的大的前体分子。pri-miRNAs 在细胞核内被RNase III Drosha 和双链RNA 结合蛋白Pasha 处理成约70 个核苷酸组成的pre-miRNA，这种分子为一个不完全的茎环结构。RAN 和GTP 依赖的exportin 5 将这种前体分子输送到细胞质中。茎环结构随后被另一个RNase III Dicer 处理，剪切产生约22 个核苷酸长度的miRNA：miRNA* 双链。然后这种双链很快被整合到miRISC 复合体中。成熟的miRNA 保留在具有功能的复合物中，对靶基因表达进行反向调控。

    在二十年前研究人员最初发现miRNAs 时，并没有意识到这些miRNAs 的重要性。因为，第一个在线虫中发现的在其生命周期中控制时序发育的miRNAs 基因lin-4 被认为是线虫中独有的。然而，通过传统的克隆方法和生物信息学手段发现在线虫、果蝇、哺乳动物中存在着数百个miRNAs，这引起了各领域科学家的重视。据估计，在人类基因组中至少存在300 个miRNAs(也有可能为1000 个)，约占人类基因的~1-4%，这使得其成为最大的一类基因表达调控因子。大多数人类的miRNAs 位于编码蛋白或者非编码蛋白的mRNA 转录本的内含子区域。其余的miRNAs 位于基因组的转录本之间，或者在mRNA 非编码的外显子区域，或者是mRNA3’非翻译区域。此外，也有的几个miRNAs 聚集在一起，成为一个miRNA基因簇，如19 号染色体上的由54 个miRNAs 组成的一个基因簇。通过序列同源性可以对miRNAs 进行分组归类。研究发现，成熟miRNA 通常在5’端同源性较高，但是同一个miRNA家族的成员是否调控类似的生物学过程仍需要进一步研究。很多miRNAs 在线虫到人类的进化过程中是保守的，这预示着这些miRNAs 在发育过程和成体中引导了基本的生物学过程。

miRNAs 调节多个靶基因
    目前的挑战是精确的鉴定miRNAs 所调节的靶基因。由于miRNAs 和其结合位点并不是完全互补的，可以存在短的错配和G–U 配对，因此，通过简单的BLAST 确定其靶基因是不可能的。但是，最近的生物信息学手段开始利用同一家族的成熟miRNAs 在5’末端具有高度的同源性这一特点。数项研究表明，miRNA 的5’末端对于miRNA 进入miRISC，并在其中保持稳定是非常重要的，而且，这一末端对于其生物学功能也相当关键。因此，大多数生物信息学算法利用一个包含了成熟miRNA 的2-8 位的碱基序列的“miRNA seed”来搜索所有基因的3’非编码区域的互补序列。这些研究发现一个单独的miRNA 可以结合多达200个靶基因，而这些靶基因可以行使不同的功能，包括转录因子，分泌蛋白，受体，转运蛋白。所以，miRNAs 可能控制着1/3 的人类基因的表达。然而，通过“miRNA seed”搜索会错过很多靶基因，有证据表明，在2-8 位核苷酸以外的变化也会影响miRNA 的调节功能。例如，整个成熟的let-7 miRNA 序列在线虫和人中是保守的，说明其3’端也具有生物学功能。而且，我们实验室的突变研究发现let-7 miRNA 的5’端和3’端对于一个靶基因的调控都是必需的。因此，已知的miRNA 的数目可能进一步的增加，如何确定预测所得的靶基因在生物学上确实与miRNA 相关也是一个难题。研究还发
现单个基因的3’非翻译区域具有几个miRNAs 的结合位点，这表明miRNAs 调控基因表达存在着复杂的组合模式。由于miRNAs 可能调节数个信号通路，这些小RNAs 的缺失或者异常表达可能与疾病密切相关，包括肿瘤。

 

miRNA 相关的基因和人类肿瘤
    研究表明miRNA 生物合成的组成部分与肿瘤发生有关。在肺癌中发现Dicer 的表达下调。Karube 等检测了67 个非小细胞肺癌样品中的DICER 和DROSHA 的RNA 表达水平。他们发现DICER 的表达量下降与术后存活期缩短相关，这表明了Dicer 可能阻止肺组织的转化。由于Dicer 与异染色质的维持和中心粒沉默有关，其蛋白质水平的降低可能直接导致基因组的不稳定，从而引起肿瘤形成。然而，Kanellopoulou 等最近证实缺少Dicer 的鼠胚胎干细胞尽管有异染色质不足的现象发生，但并不引起染色体的数目或者结构失常，并且注射这些缺少Dicer 的胚胎干细胞到裸鼠中也不会导致肿瘤发生。因此，Dicer 在肿瘤发生中的作用可能是非直接的，可能是通过其缺失而导致了具有肿瘤抑制因子效应的miRNAs 的减少起作用的。小鼠Dicer 基因的缺失研究表明这个基因在哺乳动物发育和干细胞正常分化、T 细胞发育、四肢形成的重要性，这也预示着成熟的miRNAs 在这些过程中起作用。因此，肺癌和Dicer 的联系表明了这个基因在肺组织分化中的作用，并且可能它可能是通过miRNAs 起作用的。

图一：miRNAs 的生物合成
    microRNA (miRNA)基因通常是由RNA聚合酶II(Pol II)转录的，一般最初产物为大的具有帽子结构(7MGpppG)和多聚腺苷酸尾巴(AAAAA)的pri-miRNA。这些pri-miRNA在RNase III Drosha和其辅助因子Pasha的作用下被处理成70 个核苷酸组成的pre-miRNA前体产物。RAN–GTP和exportin 5 将这种前体分子输送到细胞质中。随后，另一个RNase III Dicer 将其剪切产生约为22 个核苷酸长度的miRNA:miRNA*双链。这种双链很快被引导进入(miRISC)复合体中，其中含有Argonaute蛋白，并且成熟的单链miRNA保留在这一复合物中。成熟的miRNA结合到与其互补的mRNA的位点通过两种依赖于序列互补性的机制负调控基因表达。与靶mRNA不完全互补的miRNA在蛋白质翻译水平上抑制其表达。然而，最近也有证据表明，这些miRNA也有可能影响mRNA的稳定性。使用这种机制的miRNA结合位点通常在mRNA的3’端非翻译区。如果miRNA与靶位点完全互补（或者几乎完全互补），那么这些miRNA的结合往往引起靶mRNA的降解。通过这种机制作用的miRNAs的结合位点通常都在mRNA的编码区或开放阅读框中。

    蛋白Argonaute 是短的干扰RNA（siRNA）和miRNA 介导的基因调节RISC 复合物的至关重要的组成部分，也与多种肿瘤有关。3 个人的Argonaute 基因——AGO3(又称真核转录起始因子2 亚基2(EIF2C3))，AGO1(又称EIF2C1)和AGO4(又称EIF2C4)，前后排列在1 号染色体(1p34–35)——在wilms 肾癌中经常缺失，还与神经外胚层瘤有关。AGO1 在肺和肾的发育过程中高表达，在缺少Wilms 肿瘤抑制基因WT1 的肾癌中表达显著上升。这表明，AGO1 在这些组织在胚胎发生的分化过程中起重要作用。另一个Argonaute 基因，HIWI，与果蝇中piwi 功能类似的基因，定位在基因组12q24.33，而这一位点与睾丸生殖细胞肿瘤有关。这种睾丸特异表达的基因在19 份睾丸精原细胞瘤的12 份样品中表达上升。这些研究表明，HIWI 可能具有癌基因的活性，可能控制了生殖细胞的分裂和维持。进一步研究这个介导miRNA 加工和miRNA 抑制基因表达的复合物的组成部分对于设计利用miRNAs 治疗肿瘤等疾病的药物是必不可少的。

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康成生物供稿