microRNA与红系造血调控的研究进展

韩娜慧 李文倩 冯建明▲

1.青海大学医学院，青海西宁810001；2.青海省人民医院，青海西宁810007

microRNA与红系造血调控的研究进展

韩娜慧1李文倩2冯建明2▲

1.青海大学医学院，青海西宁810001；2.青海省人民医院，青海西宁810007

微小RNA（microRNA）是一种序列上高度保守的小分子非编码RNA，在转录后水平发挥基因调控作用，已被认为是多细胞生物基因表达的重要调控方式。红细胞的发育成熟是多个基因有序开启（或表达增强）和关闭（或表达降低）的结果，伴随生物信息学的发展和靶基因的确定，近年来发现诸多microRNA在红系细胞中表达，对红系造血发挥重要调控作用，其调控作用与红系分化转录因子有关。

microRNA；红系造血；红系转录因子

1993年Lee等［1］在研究秀丽隐杆线虫发育缺陷时首次发现第一个microRNA，2001年Leed、Lagos-Quintana M、Lau NC等所在的三个实验室同时在Science报道了这类小RNA的存在，被正式命名为microRNAs。随着研究的深入，越来越多的microRNA被发现，microRNA数据库最新版收录了来自约40篇新文献报道的microRNA前体序列和成熟microRNAs，其中人成熟的microRNA有2578条，小鼠1908条。本文就microRNA分子特性、microRNA与红细胞分化调控的关系做一综述。

1 microRNA的生物学特性

microRNA是一种小分子非编码RNA，双链结构，长度为20～25 bp，广泛存在于低等生物到哺乳动物体内。其生物特性有：①microRNA基因高度保守，它们不仅在亲缘关系相近的物种中高度保守，而且在许多亲缘关系较远的物种中也很相近。在秀丽隐杆线虫中鉴定出的88种microRNA基因（这些microRNA基因从属于48个microRNA基因家族）有86个microRNA（占97%以上）在广杆属线虫中有同源体，同样在这48个基因家族中又有22个家族在人类中有同源体，即在已鉴定的秀丽隐杆线虫的microRNA基因中，至少有1/3在人类和其他脊椎动物中保守［2］。②microRNA具有在时间上和组织中特异表达的性质，如1in-4和let-7在线虫发育过程中呈时间特异性表达［3］。在小鼠干细胞中特异表达miR-290～miR-295［4］及在人干细胞中特异表达的miR-371～miR-373［5］。

2 microRNA的作用机制

成熟的microRNA与RNA诱导沉默复合物（RNA-induced silencing complex，RISC）结合形成miRISC复合物，该miRISC复合物与mRNA的3'端非翻译区（3'UTR）特异结合，其可通过两种转录后机制调节基因表达：当成熟microRNA与靶mRNA完全互补时，则直接导致靶基因mRNA降解，当成熟microRNA与靶mRNA不完全互补时，则抑制靶基因mRNA翻译［6］。

3 microRNA的功能

microRNA对生物体基因的表达起着非常重要的调控作用。microRNA在基因数量上相对较少，但是据估计在人体内，microRNA参与调控约1/3的基因［7］。这是因为单个microRNA可以参与调控数百个基因，相反地，mRNA的3'端非翻译区（3'UTR）可以协同结合多种microRNA。microRNA与mRNA是一个复杂的调控网络，控制着成千上万的编码基因的mRNA水平，使得各种蛋白的表达处在一个适合的水平。通过对线虫、果蝇等生物模式的研究发现，microRNA在动物的生长发育、细胞的增殖与死亡、干细胞分化和激素分泌等许多生命过程中扮演着重要的角色［8］。近年来在对人体造血细胞的分化、肿瘤的发生发展及缺血缺氧性疾病的研究中发现诸多microRNA表达，其对许多生理和病理过程发挥重要的调控作用。

4 microRNA与红系造血

4.1 microRNA在红系细胞中存在特异性表达

第一个验证红系增生有关的microRNA改变是由Lu等［9］完成的。他们用磁珠微阵列技术追踪红细胞分化培养体系培养的脐带血CD34+造血干细胞microRNA的表达，发现红系分化的增加伴随着microRNA水平的增加。之后Choong等［10］以体外培养的造血干细胞分化诱导而来或红白血病细胞株（K562细胞）为模型，发现37个microRNA在CD34+细胞尚未分化的细胞（零时点）和红系成熟的许多时间点都有大于2倍的差异表达。这些数据与Lu等［9］的研究结果大部分都保持一致。这说明造血干/祖细胞向红系的分化与microRNA表达有关。Choong等［10］发现在脐带血来源的CD34+细胞相关分析显示miR-15b、miR-16、miR-22和miR-185与带有红系特异性表面抗原（CD71、CD36、CD235a）标记细胞有很强的正相关，而miR-28与带有这些标记的细胞呈负相关。与CD34+分化的红系细胞相比较，在K562细胞呈模型中有127个差异表达的microRNA。这说明microRNA在K562细胞株与体外CD34+分化的红系细胞之间有着不一样的表达，这可能是由于两种红系分化模型的不同所造成的。

Rathjen等［11］对疟疾寄生虫恶性疟原虫的microRNA表达研究时发现miR-451在红细胞表达明显增高。此后的许多研究证实miR-451在红系的分化早期开始表达，并在之后成熟过程中持续高水平表达：未处理的MEL细胞类似于原始红细胞（来源于转染了病毒的小鼠的脾脏，处于原始红细胞阶段），二甲亚砜处理的细胞被认为类似于晚幼红细胞，Zhan等［12］使用微阵列比较分析microRNA在二者中的表达，并用定量实时聚合酶链反应验证，发现miR-451上调大于7倍，在所发现的上调的microRNA中最为显著。Merkerova等［13］研究表明，与血液中其他细胞群（如血小板、粒细胞、单核细胞和淋巴细胞）相比，miR-451在红细胞和网织红细胞表达升高。这提示miR-451是红系特异表达的microRNA。另外还有microRNA在红细胞的分化过程中上调，如miR-486在人脐带血CD34+细胞体外培养体系中随着造血干细胞向红系分化，其表达水平随之增高［14］。miR-210在UT-7/ EPO（促红细胞生成素依赖型细胞系）中表达升高［15］。另有一些microRNA在红系细胞发育成熟过程中表现为表达下降，如miR-221和miR-222［16］；miR-298、miR-320在二甲基亚砜处理的MEL细胞（来源于转染了病毒的小鼠脾脏，处于晚幼红细胞阶段）中下调［12］。因此，microRNA在红系造血及发育成过程中有升高或下降的特异性表达，说明红细胞的成熟与microRNA表达变化有关。

4.2 microRNA参与红系分化的调控

红系细胞中存在microRNA的特异性表达的同时，还发现这些microRNA的不同表达影响红系的发育分化，对红系分化增殖具有调控作用。miR-221和miR-222在培养的人脐血CD34+祖细胞中表达下降可促进造血干/祖细胞向红系分化，生物信息学分析表明，这两个microRNA的靶基因KIT基因（编码一种细胞表面受体酪氨酸激酶）及其mRNA水平均与miR-221和miR-222水平负相关，在CD34+细胞中过表达miR-221/222，能够抑制KIT基因的表达，促进红系分化［16］。miR223在进行红系诱导定向分化的CD34+细胞中表达明显减少，且发现miR-223与CD34+红系生成模型中LMO2（LIM domain Only protein 2，一种转录辅助因子）蛋白的表达成负性关系，转染了miR-223或直接诱导沉默LMO2的CD34+细胞引起了不成熟红细胞的增加［17］。miR-451在MEL细胞转染能使β-珠蛋白的表达升高，而沉默miR-451则导致β-珠蛋白表达减低［12］。miR-210在UT-7/EPO（促红细胞生成素依赖型细胞系）中表达升高，在UT-7/EPO细胞中该基因沉默导致细胞凋亡［15］。miR-155基因转导至正常人外周血CD34+造血干细胞中，引起红系造血集落克隆数目明显少于骨髓，所形成集落小于骨髓［18］。人的集落形成样红细胞体外培养实验发现miR-155在培养早期以未分化细胞居多时高表达，随着向成熟红细胞分化表达明显下降［19］。综上所述，miR-221、miR-222、miR-223、miR-155的表达使红系发育受阻，它们表达下降促进红系发育，而miR-451、miR-210表达升高则有助于红系的发育。这些研究提示microRNA参与红细胞生成调控，是调控红系分化的重要因素。

5 microRNA与红系转录因子的调控关系

microRNA参与红系分化的调控与某些转录因子密切相关，红系特异核蛋白转录因子GATA-1（β珠蛋白基因增强子中的序列结构）是在红系分化和成熟过程中起关键作用的中心转录因子，它可以与FOG（friend of GATA）、红系特异活化转录因子（erythroid Krüppel-like factor，EKLF）等其他红系转录因子相互作用，发挥转录活化功能，共同调节红系的分化［20］。2008年，Dore等［21］报道了在小鼠miR-144/451基因上游-2.8 kb处发现了GATA-1、FOG-1与RNA聚合酶Ⅱ结合，并证实GATA-1可激活RNA聚合酶Ⅱ，协同转录小鼠miR-144/451基因，从而促进红系前体细胞向红系分化。2011年朱勇等［22］首次证明在人miR-144/451基因簇上游-3.8 kb位点存在GATA-1和EKLF的结合，协同激活miR-144/451基因的转录。这表明microRNA作用于靶基因，靶基因编码的转录因子对microRNA基因自身的转录发挥调控作用。最近研究表明氯化高铁血红素诱导K562细胞向红系分化过程中miR-96表达显著升高，双荧光报告基因实验证明EKLF对miR-96转录起始点上游序列具有转录激活作用［23］。另外，Yang等［24］发现K562细胞miR-103的异常表达被发现阻止了红系分化，而该microRNA的靶基因就有FOXJ2。因此，microRNA参与红系分化的调控与红系特异转录因子密切相关。

6 展望

microRNA的发现使我们重新思考生物体遗传及其发育调控的奥秘。目前的研究已经证实microRNA参与红系造血过程，与红系转录因子的相互作用构成一个复杂的调控网络，是红系造血的一个重要调控因素。高原红细胞增多症（high-altitude polycythemia，HAPC）是人体对高原低氧环境（海拔2500 m以上）失去习服而引起的临床综合征，主要表现红细胞数量和血红蛋白增加（女性Hb≥190 g/L，男性Hb≥210 g/L），该病是低氧这一环境因素对机体红系造血调控的疾病体现，属于表观遗传学范畴的microRNA可能在HAPC发病机制中发挥作用。近年来研究表明低氧时转录因子HIF表达增多导致一系列靶基因转录，从而参与机体细胞增殖、血管生成等病理生理过程［25］。有研究表明miR-210在依赖低氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）途径的低氧反应中所诱导［26］。“低氧-HIF-microRNA-红系特异基因表达”可能组成一个调控轴，在低氧诱导红系造血过程中发挥着重要作用。然而，目前关于低氧通过microRNA调控红系造血的研究非常有限。Chen等［27］通过动态检测4名高山登山者外周血的转录组和microRNA表达谱发现，红系造血是低氧对高海拔机体最显著的上调过程之一。但具体的调控机制尚不明确。因此，研究“低氧-HIF-microRNA-红系特异基因表达”调控轴，对于阐明低氧环境下红系造血的调控机制有重要意义。此外，世居高原的藏族人HAPC发病率明显低于移居者，他们对高原低氧环境具有适应性，并且这种适应性是可遗传的。HIF通路与高原低氧适应有关，HIF相关基因EGLN1［编码脯氨酰羟化酶2（prolyl hydroxylase 2，PHD2）］和EPAS1（编码HIF2a蛋白）是普遍证实的藏族人群高原适应相关基因［28］。研究表明大约有6%的人类microRNAs表现出HIF位点，在17个物种中都有着显著的保守性［29］。因此属于表观遗传学的microRNA是否在高原低氧环境适应的发生机制中有着重要作用也是值得关注。

［1］LeeRC，FeinbaumRL，AmbrosV.TheC.elegansheterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14［J］.Cell，1993，75（5）：843-854.

［2］Lim LP，Lau NC，Weinstein EG，et al.The miroRNAs of Caenorhabditis elegans［J］.Genes Dev，2003，17（8）：991-1008.

［3］Lee RC，Ambros V.An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans［J］.Science，2001，294（5543）：862-864.

［4］Houbaviy HB，Murray MF，Sharp PA.Embryonic stem cellspecific microRNAs［J］.Dew Cell，2003，5（2）：351-358.

［5］Suh MR，LeeY，Kim JY，et al.Human embryonic stem cells express a unique set of mieroRNAs［J］.Dev Biol，2004，270（2）：488-498.

［6］Bartel DP.MicroRNAs：genomics，biogenesis，mechanism，and flinction［J］.Cell，2004，116（2）：281-297.

［7］Lewis BP，Burge CB，Bartel DP.Conserved seed pairing，often flanked by denosine，indicates that thousands of human genes are microRNA targets［J］.Cell，2005，120（1）：15-20.

［8］王娜娜，罗辽复.microRNA进化关系和编码特性研究［D］.呼和浩特：内蒙古大学，2007.

［9］Lu J，Getz G，Miska EA，et al.MicroRNA expression profiles classify human cancers［J］.Nature，2005，435（7043）：834-838.

［10］Choong ML，Yang HH，McNiece I.MicroRNA expression profiling during human cord blood-derived CD34 cell erythropoiesis［J］.Experimental Hematology，2007，35（4）：551-564.

［11］Rathjen T，Nicol C，McConkey G，et al.Analysis of short RNAs in the malaria parasite and its red blood cell host［J］.FEBS Lett，2006，580（22）：5185-5188.

［12］Zhan M，Miller CP，Papayannopoulou T，et al.MicroRNA expression dynamics during murine and human erythroid differentiation［J］.Experimental Hematology，2007，35（7）：1015-1025.

［13］MerkerovaM，BelickovaM，BruchovaH.Differentialexpression of microRNAs in hematopoietic cell lineages［J］. European Journal of Haematology，2008，81（4）：304-310.

［14］孙燕，肖凤君，张怡堃，等.miR486在造血细胞红系分化中的表达及机制研究［J］.军事医学，2013，37（4）：263-267.

［15］Kosaka N，SugiuraK，Yamamoto Y，et al.Identification of erythropoietin-induced microRNAs in haematopoietic cells during erythroid differentiation［J］.British Journal of Haematology，2008，142（2）：293-300.

［16］Felli N，Fontana L，Pelosi E，et al.MicroRNAs 221 and 222 inhibit normal erythropoiesis and erythroleukemic cell growth via kit receptor down-modulation［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2005，102（50）：18081-18086.

［17］Felli N，Pedini F，Romania P，et al.MicroRNA 223-dependent expression of LMO2 regulates normal erythropoiesis［J］.Haematologica，2009，94（4）：479-486.

［18］Georgantas RW，Hildreth R，Morisot，et al.CD34+hemato-poietic stem-progenitor cell microRNA expression and function：A circuit diagram of differentiation control［J］. Proc Natl Acad Sci USA，2007，104：2750-2755.

［19］Masaki S，Ohtsuka R，Abe Y，et al.Expression patterns of microRNAs 155 and 451 during normal erythropoiesis［J］. Biochem Biophys Res Commun，2007，364：509-514.

［20］Lowry JA，Mackay JP.GATA-1：oneprotein，many partners［J］.Int J Biochem Cell Biol，2006，38（1）：6-11.

［21］Dore LC，Amigo JD，Dos Santos CO，et al.A GATA-1-regulated microRNA locus essential for erythropoiesis［J］. Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（9）：3333-3338.

［22］朱勇，宋方洲.GATA1、EKLF结合于人miR-144/451基因簇上游协同激活其转录调控［D］.重庆：重庆医科大学，2011.

［23］蒋凤兵，阎文婷，朱勇，等.EKLF转录激活miR-96在红系分化过程中表达［J］.基础医学与临床，2012，32（4）：369-374.

［24］Yang GH，Wang F，Yu J，et al.MicroRNAs are involved in erythroid differentiation control.Journal of Cellular Biochemistry［J］.J Cell Biochem，2009，107（3）：548-556.

［25］Kulshreshtha R，Davuluri RV，Calin GA，et al.A microRNA component of the hypoxic response［J］.Cell Death Differ，2008，15（4）：667-671.

［26］Kulshreshtha R，Ferracin M，Wojcik SE，et al.A microRNA signature of hypoxia［J］.Molecular Cell Biology，2007，27（5）：1859-1867.

［27］Chen F，Zhang W，Liang Y，et al.Transcriptome and networkchangesinclimbersatextremealtitudes［J］.PLoSOne，2012，7（2）：e31645.

［28］梅普明，辛洪波，邓立彬.全基因组等位基因差异分析发现新的低氧反应基因与藏族适应相关［D］.南昌：南昌大学，2013.

［29］Kulshreshtha R，Davuluri RV，Calin GA，et al.A microRNA component of the hypoxic response［J］.Cell Death and Differentiation，2008，15（4）：667-671.

Research progress of the microRNA and regulating erythropoiesis

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1.Medical College of Qinghai University,Qinghai Province,Xining810001,China;2.Department of Hematology, Qinghai Provincial People's Hospital,Qinghai Province,Xining810007,China

microRNA is a small molecule non-coding RNA which sequence highly conserved,it plays a role in posttranscriptional gene regulation level,and has been considered as an important way of regulating gene expression in multicellular organisms.The development and maturity of red blood cells are because of switching many genes on or off,or increase or decrease genes expression.With the development of bioinformatics and the determination of target genes,in recent years it finds that a variety of microRNAs express in erythroid cells,which plays an important role in the regulation of erythropoiesis,and its regulatory role is related with erythroid differentiation related transcription factor.

microRNA;Erythropoiesis;Erythroid transcription factor

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2014-11-26本文编辑：张瑜杰）

韩娜慧（1988-），女，硕士研究生；研究方向：高原血液病。

▲通讯作者