烟草烟雾及其衍生物对肺癌 pathogenesis 中 microRNA 网络的影响：超越 DNA 损伤的 post-transcriptional 机制研究

《Cancers》：Beyond DNA Damage: The Impact of Tobacco Smoke and Its Derivatives on MicroRNAs in Lung Cancer Pathogenesis

　　

吸烟仍是多种恶性肿瘤尤其是肺癌（LC）的首要危险因素，肺癌具有复杂的分子 pathogenesis。经典模型强调直接DNA损伤和mutagenesis，但越来越多的证据指向不直接依赖结构性DNA损伤的机制。 particularly，致癌性和抑癌性microRNA（miRNA）的失调已成为一个有前景的研究领域。尽管已有大量与LC pathogenesis相关的miRNA被报道受烟草暴露影响，但现有证据较为零散。这种异质性，加之烟草烟雾的化学复杂性，阻碍了对其pathogenetic机制形成全面的认识。本综述旨在系统化整理烟草烟雾诱导的LC中miRNA表达谱变化的现有数据，并参考个体烟草烟雾成分，识别可能受这些变化调控的关键生物学过程。

本文综述了烟草烟雾及其衍生物对肺癌中microRNA表达谱的影响及其在致癌机制中的作用。引言部分指出，肺癌（LC）是最常见的恶性肿瘤之一，也是癌症相关死亡的主要原因，非小细胞肺癌（NSCLC）为最常见亚型，5年生存率仍较低。烟草吸烟及电子尼古丁传送系统的使用仍被认为是肺癌发生的最重要危险因素。烟草烟雾的生物学效应不仅限于直接DNA损伤，越来越多证据表明其可改变多种抑癌性和致癌性microRNA（miRNA）的表达水平。miRNA是一类小型单链非编码RNA分子，在转录后水平调控基因表达，与包括恶性肿瘤在内的多种人类病理相关。然而，组织或循环miRNA水平的变化可受多种因素影响，形成复杂的分子相互作用网络，识别与特定致病因素相关的特异性分子标志物具有挑战性。本综述旨在系统化总结烟草烟雾及其个体成分对与肺癌pathogenesis相关的miRNA水平影响的最新数据。烟草烟雾衍生物及其致癌效应部分指出，烟草烟雾含有超过9500种化合物，其中533种被确认为确认或可能的人类致癌物。烟草烟雾成分一般分为烃类、含氧成分、含氮成分及其他，也可按化学类别细分为烃类、胺类、N-亚硝胺类、酯类、醛类、卤代衍生物、含氮化合物、酚类化合物、无机化合物等。就肺癌风险而言，多环芳烃（PAHs）和烟草特异性亚硝胺NNK被认为影响最为显著，异戊二烯、环氧乙烷、氨基甲酸乙酯、苯及多种金属的影响亦受怀疑。多环芳烃（PAHs）部分指出，烟草烟雾中PAHs数量据部分数据可达510种，其中16种被IARC列为人类致癌物，最常见的包括萘、苯并（a）蒽、苯并（a）芘（BaP）和?。PAHs因亲脂性可自由扩散通过细胞膜，后续代谢激活涉及多种酶途径，最著名的是CYP1A1/CYP1B1和环氧化物水解酶途径。BaP经7,8-环氧化物形成7,8-二醇，再经CYP1A1/1B1形成最终致癌产物7,8-二醇-9,10-环氧化物（BPDE），后者与DNA鸟苷N2位反应形成加合物。PAH代谢的另一重要产物是活性氧（ROS），可导致细胞氧化还原平衡紊乱、氧化应激及DNA、RNA、蛋白质和脂质等大分子功能障碍。PAHs直接相关的主要致癌机制之一是与芳香烃受体（AHR）形成复合物，转位至细胞核后与ARNT结合并相互作用于DNA中的异源物质反应元件（XREs），诱导CYP1A1/1A2/1B1转录并增强PAH代谢为DNA反应性代谢物。此外，BPDE可增强DNA甲基转移酶和cadherin 13基因转录；支气管上皮细胞暴露于BaP可诱导CDKN2A（p16）基因高甲基化，阻止细胞周期阻滞和凋亡；PAH暴露还与组蛋白修饰相关，机制之一为氧化应激诱导的HDAC2共价修饰导致其酶活性降低；BaP暴露还与DOT1甲基转移酶基因表达抑制、H3K79甲基化降低及细胞对γ射线敏感性增加相关。烟草特异性亚硝胺（TSNAs）部分指出，烟草烟雾中浓度最高的TSNAs为N-亚硝基尼古丁（NNN）、亚硝胺酮（NNK）、N'-亚硝基新烟草碱（NAB）和N'-亚硝基假木贼碱（NAT），其中NNN和NNK致癌性最为显著。这些化合物为前致癌物，经代谢激活形成最终致癌产物。NNN经吡啶N-氧化、吡咯烷环羟化及去甲可替宁形成等反应代谢，产生可与DNA相互作用的产物；DNA修复系统缺失对加合物进一步致癌潜力的发展意义重大，BER、NER和DNA烷基转移酶AGT（MGMT）系统被认为高度重要。尼古丁及其衍生物可与烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）结合，nAChRs为五聚体配体门控离子通道，可组装为同聚或异聚受体，包括α7同五聚体和α4β2异五聚体；尼古丁本身优先与α4β2异五聚体结合，吸烟者中α7 nAChRs生物学功能增强而α4β2 nAChRs功能受损，鉴于α7 nAChRs的刺激作用和α4β2 nAChRs在肿瘤生长中的抑制作用，这种吸烟相关功能偏移可能创造有利于恶性转化发生和进展的环境。NNN与αβ异聚体结合，NNK与α7同聚体结合，受体激活导致膜去极化和蛋白激酶C、RAF1、ERK1、ERK2激酶及转录因子FOS、JUN、MYC激活，最终促进细胞增殖。NSCLC中NNK暴露与PI3K/AKT信号通路和转录因子NF-κB激活相关，导致细胞增殖增加和化疗诱导凋亡抑制；支气管上皮细胞培养中观察到NNK依赖的ERK1/2、STAT1、NF-κB和GATA3信号通路激活及NNN依赖的GATA3和STAT1激活。NNK还作为β-肾上腺素能受体（β-AdrRs）激动剂，激活后诱导cAMP依赖的表皮生长因子受体（EGFR）反式激活，增加细胞恶性潜能。醛类部分指出，甲醛、乙醛和巴豆醛尤为突出，除烟草烟雾外还可通过其他途径进入体内，包括食用油炸食品、二手烟暴露及吸入燃料不完全燃烧产物，也可在脂质过氧化和多胺及苏氨酸代谢中内源性产生。醛类可与DNA、蛋白质和脂质形成稳定和不稳定加合物，每种醛似乎以不同方式影响DNA单链断裂、DNA-蛋白质交联形成及DNA修复系统功能。烟草烟雾中还含有大量其他成分，包括多种挥发性烃类、结构多样的化合物类别及某些重金属化合物，许多被列为1类致癌物，但其具体分子机制尚待阐明。烟草烟雾对与肺癌发生相关的microRNA的影响部分指出，文献中有大量证据表明烟草烟雾及其个体衍生物改变多种microRNA水平，但现有信息量和证据碎片化性质目前尚不能对其在致癌中的意义形成明确认识。现有数据在实验研究和综述中的解释有时受限于未区分不同细胞和组织背景及不同化合物类别的潜在差异效应。细胞和分子背景差异及某些情况下特定因素暴露持续时间差异，在评估特定分子标志物意义时可能起重要作用。综述检索了PubMed、Google Scholar、Web of Science和Scopus数据库中截至2025年发表的文献，使用烟草烟雾或其成分（如CSC、BaP、BPDE、NNK、尼古丁、醛类、金属）与microRNA（如miRNA、miR-）及肺癌（如NSCLC、SCLC、支气管上皮细胞）等术语组合。纳入标准为报告人肺细胞/组织或体内模型暴露后原始miRNA数据的研究，排除综述、摘要和无原始miRNA数据的记录，保留基于profiling、表达关联或靶点预测的探索性研究。肺细胞癌培养物暴露于烟草烟雾冷凝物导致259种不同microRNA水平变化，其中39种在其被认为调控的蛋白质水平上发现相应变化。一项研究烟草烟雾冷凝物对支气管上皮细胞恶性转化过程中基因表达谱影响的研究识别出42种microRNA和753种mRNA水平变化，通过TCGA数据分析显示miR-96-5p、miR-93-5p、miR-106-5p、miR-190a-5p、miR-195-5p和miR-1-3p与吸烟史存在观察性关联，同一研究注意到腺癌和鳞状细胞肺癌之间microRNA水平变化存在差异，但这些数据为相关性，需实验验证。烟草烟雾冷凝物可增加正常支气管上皮细胞和肺癌细胞中miR-31水平，伴随其靶基因DKK1和DACT3表达降低，后者为WNT信号通路拮抗剂。类似地，烟草烟雾冷凝物通过其基因组位点附近组蛋白H3和H4乙酰化增加miR-216b表达，导致其靶点SMAD3水平降低和TGF-β信号通路活性下降，这些变化还伴随BCL2表达增加，可能通过抑制凋亡促进NSCLC细胞化疗耐药。烟草烟雾冷凝物还通过DNA甲基化降低miR-487b水平，据报道该效应伴随其对SUZ12、BMI1、WNT5A、MYC和KRAS抑制性影响减弱及WNT信号通路激活。关于个体烟草烟雾衍生物对肺癌细胞microRNA水平及分子靶点影响也有证据，现有数据大多集中于各种PAHs的作用。例如，支气管上皮细胞培养物经BaP处理导致miR-638水平升高，推测与BRCA1抑制和DNA损伤发展相关。BaP暴露还与miR-152-3p、miR-142-5p和miR-211-5p水平降低相关，伴随ALCAM水平升高及细胞生长和增殖增强。类似地，BaP及其活性形式BPDE暴露与miR-377-3p水平升高和EGR1水平降低相关，EGR1被认为参与WNT信号通路活性。单独BPDE处理的肺癌细胞培养中观察到miR-29a水平降低及其靶点细胞周期蛋白依赖性激酶Cdc7水平升高。其他研究将BPDE立体异构体（anti-BPDE）暴露与miR-494和miR-22水平升高相关联，后者潜在靶点为抑癌蛋白PTEN。在anti-BPDE转化的16HBE-T细胞中证实miR-506和miR-622水平降低，二者分别潜在靶向N-Ras和K-Ras mRNA。Anti-BPDE还被报道降低miR-542-3p水平并增强肺癌细胞培养中细胞增殖。Anti-BPDE暴露还与miR-10a水平降低及其靶点HOXA1水平升高相关。BaP处理后检测到miR-320和miR-494水平升高，伴随CDK6表达降低和G1/S转换破坏。其他PAH衍生物菲和芴处理肺癌细胞与hsa-miR-15b-3p_R-1水平降低相关，伴随PI3K/AKT信号通路激活和上皮-间质转化增强。关于其他烟草烟雾成分对microRNA水平影响也有证据。尼古丁在肺及其他细胞类型中改变多种microRNA表达，例如NSCLC细胞中已证实尼古丁诱导的miR-99b和miR-192下调及FGFR3和RB1相应上调，这些变化伴随细胞增殖增强和上皮-间质转化。NNK暴露后，大鼠肺组织中miR-101、miR-126-5p、miR-199a和miR-34b水平降低，参与NNK代谢的CYP2A3被提出为miR-126-5p的潜在靶点，这可能是增强NNK致癌特性的机制。暴露于NNK的实验室动物转化肺组织中观察到miR-144-3p、miR-29c-3p和miR-20a-5p水平升高及miR-328-3p和let-7d-3p水平降低，miR-328-3p水平降低与长链非编码RNA XIST的抑制作用相关。NNK处理的肺鳞状细胞癌细胞中观察到miR-21和miR-155水平升高及miR-422a水平降低，这些变化伴随参与错配修复（MMR）系统的MSH2和MLH1抑制。醛类对microRNA水平影响也有研究。肺腺癌细胞培养物暴露于甲醛导致89种不同microRNA水平降低，最显著变化见于miR-33、miR-330、miR-181a和miR-10b水平，后续生物信息学分析提示NF-κB和IL-8信号通路可能参与。研究丙醛、丁醛和戊醛对相同细胞培养物影响时，分别发现15、25和10种不同microRNA水平变化，仅miR-21为三组共有，IL-6和IL-8信号通路被提出为所有三组的潜在靶点。人肺成纤维细胞培养物暴露于不同浓度丙烯醛导致超过30种microRNA水平变化，生物信息学预测提示细胞外基质蛋白相互作用可能介导这些microRNA的效应。重金属化合物暴露后也观察到microRNA水平变化。例如砷暴露与miR-200b水平降低、上皮-间质转化及恶性细胞表型发展相关。砷化合物处理支气管上皮细胞导致miR-218-5p水平降低及其靶点EGFR水平升高，提出的机制包括调控细胞增殖、生长、迁移和血管生成。硫酸铍暴露导致支气管上皮细胞中88种microRNA水平升高和91种水平降低，涉及的主要分子通路为MAPK和VEGF通路。氯化镉处理改变8种microRNA水平，后续基因网络分析显示大多数靶基因受miR-27b-3p调控，涉及的生物学过程包括细胞应激反应、转录和细胞周期调控、p53信号通路等。氯化镍暴露与miR-4417水平升高及其靶基因TAB2表达降低相关，这些变化可能通过影响纤连蛋白表达和上皮-间质转化促进致癌过程。硫化镍暴露还与miR-222水平升高相关，后者可能通过影响其靶点CDKN1B和CDKN1C在体外和体内刺激细胞增殖。关于电子尼古丁传送系统对细胞microRNA水平影响也有一些数据。一项研究中，支气管上皮细胞培养物分别用含尼古丁和不含尼古丁的vaping液体及其气溶胶冷凝物处理，与未处理对照组和烟草烟雾冷凝物处理组相比检测到几种microRNA水平显著差异，证实miR-26a-2-3p、miR-126-5p、miR-140-5p、miR-29a-5p、miR-374a-3p和miR-147b水平显著升高，其中miR-126-5p升高最为显著，miR-126-5p还显示其靶点MYC和MRGPRX3水平降低，而烟草烟雾冷凝物处理组未观察到该现象。因此可以合理假设烟草烟雾和电子烟冷凝物暴露后microRNA表达谱差异可由吸入成分组成和浓度差异解释。为对所列miRNA潜在影响的分子通路进行初步分析，使用DIANA-miRPath v4.0数据库进行生物信息学KEGG通路富集分析，分析显示相当部分已识别分子通路和数百个预测靶点与致癌过程相关。结论部分指出，文献中有大量证据表明烟草烟雾及其个体成分影响转录后水平的致癌机制，烟草烟雾成分及其衍生物的影响不仅限于直接遗传毒性效应导致的直接DNA损伤，证据表明暴露于这些衍生物改变众多microRNA的表达水平，但这些变化的具体机制及其影响的分子通路尚待阐明和实验验证。分子背景似乎不仅取决于肿瘤的组织和细胞来源，还取决于吸入烟雾中个体化学化合物的量和浓度。除细胞microRNA水平变化的大量积累信息外，还涉及多种分子过程，包括增殖、细胞周期进程、DNA修复、转录调控、血管生成等。解释所呈现数据的一个关键警告是体外实验中使用高浓度、常为超生理浓度的烟草烟雾衍生物，这意味着并非所有描述的microRNA变化可能在长期吸烟者实际组织中观察到，强调需要在临床样本中验证这些发现并进一步评估其诊断或预后价值。此外，由于实验模型和条件差异，观察到的microRNA谱差异目前不能被认为严格特异，这一局限性强调需要使用标准化和直接可比较的实验设计进一步研究以识别特定microRNA谱并阐明其潜在差异。目前尚不能确定特定microRNA或特定水平变化是否独特地与个体烟草烟雾衍生物相关，但该问题代表进一步研究的有前景领域。大多数关于microRNA水平变化的文献数据集中于PAH和尼古丁衍生物的影响，但也存在关于各种其他化学化合物影响的证据，强调需要进一步研究。本文综述的证据表明，烟草及其个体成分暴露改变至少数百种microRNA的水平，其pathogenetic意义尚待确定。值得注意的是，既往文献已证明不同组织学亚型肺癌之间以及肺腺癌患者组内根据吸烟状态存在microRNA表达谱差异。同时，不同化合物诱导的分子谱明显差异提示，旨在识别特定pathogenetic相互作用并最终识别临床相关生物标志物的基础研究也应考虑所用物质的化学组成。哪些烟草衍生物对肿瘤生长最为重要，以及它们在不同细胞和组织背景中诱导的变化的具体分子谱特征，仍有待研究。此类数据可能有助于识别最有前景的预后评估标志物并揭示吸烟相关肺癌的新治疗靶点。