microRNA 在肝癌诊治中的研究进展
2015-03-17邱历伟潘刘翃姚登福
邱历伟,潘刘翃,姚登福
南通大学附属医院医学实验中心,江苏 南通226001
肝细胞性肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是我国常见的恶性肿瘤之一,其发病率在恶性肿瘤中居第3 位。肝癌的发生、发展是多因素、多步骤参与的复杂过程,多种癌基因的激活和/或抑癌基因的失活在肝癌的发生、发展及转移中发挥重要作用[1]。microRNA(miRNA)是一类内源性非编码小分子RNA,高度保守,可经序列特异性翻译抑制或mRNA 裂解来调控基因表达,参与细胞发育、增殖、分化、凋亡等[2]。自第一个miRNA 被发现以来,大量新miRNA 陆续被发现,已鉴定命名的人类成熟体miRNA 超过2 500 个,调控体内1/3以上的基因[3]。随着miRNA 的发现和研究技术的进步,在肝癌各个病理过程中,对miRNA 调控靶基因发挥作用的研究正在不断深入。本文就近年miRNA 与肝癌研究的新进展作一概述。
1 miRNA 在肝癌中作用机制
miRNA 由19 ~26 个核苷酸组成,以多顺反子的形式与宿主基因共同转录。体内miRNA 形成过程含初级miRNA(pri-miRNA)合成、前体(pre-miRNA)剪切、成熟双链RNA 装配等多个复杂步骤,有细胞核内外RNA 聚合酶、Drosha 剪切酶、Dicer 剪切酶及输出蛋白-5(Exportin-5)等多种酶类蛋白参与其中。成熟单链miRNA 与RNA 诱导沉默复合体(RISC)结合,并诱导RISC 引起靶基因mRNA 降解或翻译抑制。在动物体内,绝大多数情况下因miRNA 和靶mRNA 3'-非编码区并不完全互补配对,则主要是经翻译抑制下调靶mRNA 表达[4]。
miRNA 对其靶基因mRNA 的翻译抑制具有网络化的特点,单一miRNA 即可调节其下游多个甚至数百个靶基因(包括转录因子、细胞因子、受体等),几种miRNA 也可联合调控单一基因表达,与靶基因组成复杂的调节反馈回路[5]。此外,miRNA 调控的靶基因在各自的信号通路中往往起到重要的作用,因此,miRNA-靶基因-信号通路之间形成复杂而作用多样的调控网络,揭示miRNA 作用机制对体内miRNAs 间、miRNAs与mRNA 间、miRNAs 与蛋白质及DNA 间的网络交互作用具有重要意义[6]。
肝癌是机体在基因转录水平调控失去平衡,局部组织的细胞克隆性异常增生而形成的新生物。它的发生、发展是多个癌基因、抑癌基因表达紊乱及相关调控机制失衡的复杂过程[7]。在肝癌发生、发展过程中,miRNA 既可下调抑癌基因的活性,促使细胞发生恶性转化,或抑制细胞分化和凋亡相关基因以促进细胞永生化生长,发挥远癌基因的作用;也可作为抑癌基因,下调原癌基因、侵袭转移相关基因等的活性,从而抑制肝癌发生、发展和转移[8]。此外,miRNA 对基因调控在细胞水平产生广泛作用,可对细胞活动的各个层面进行调节,参与如细胞增殖分化、细胞凋亡、细胞骨架重排等一系列的病理、生理进程,因而miRNA 在肝细胞的恶性转化、侵袭、转移等各个病理生理过程中发挥重要作用[9]。
2 miRNA 与肝炎病毒感染
约70%以上的肝癌是由慢性肝炎经肝硬化发展而来,在我国主要为HBV 感染,而欧美国家以HCV 多见。研究miRNA 在肝炎病毒感染复制、宿主免疫应答、抗原呈递等过程中的作用对探讨肝癌发生机制具有重要意义[10]。研究显示肝脏特异性miR-122 在肝脏中表达丰度最高,并在肝细胞分化、脂质代谢等方面起核心调节作用,而在肝炎病毒感染复制过程中,miR-122 既可以通过与HCV 基因组相关位点结合,加强病毒基因稳定性,进而刺激HCV 病毒复制[11];也可以经miR-122-Cyclin G1/P53 通路,抑制HBV 基因表达和复制[12]。miR-122 在不同肝炎病毒病理过程中截然相反的作用机制,值得深入研究。除肝脏特异性miRNA外,尚有多种miRNA 与肝炎病毒促进肝细胞恶性转化有关,如HBV 可通过激活miRNA-181a 启动子上调miRNA-181a 表达,而miRNA-181a 上调可抑制其靶基因E2F5 转录因子转录,进而在体内和体外促进肝癌细胞增殖,这可能是HBV 促肝癌发生的机制之一[13]。
miRNA-205 作为一种抑癌基因,可通过靶基因E2F1 抑制肝癌细胞的增殖,已在体内和体外试验中得到证实,但在多种HBV 阳性的肝癌细胞系中miRNA-205 低表达,与HBV-X 基因通过诱导miRNA-205 启动子甲基化密切相关,表明HBV 在病毒复制过程中有针对性地抑制肝癌相关抑癌基因的表达,进而促进肿瘤发生[14]。而HCV 相关肝癌研究显示,HCV 核心蛋白可以通过抑制miR-152 上调Wnt1,促进肝癌细胞增殖,而转染miR-152 的模拟物后,Wnt1 在mRNA 和蛋白水平均表达下调,肝癌细胞增殖受到抑制[15]。miR-130a 通过其靶基因和相关信号通路,不但可恢复机体固有免疫应答,同时还抑制miR-122 的表达,进而抑制HCV 的复制,这种miRNA 之间相互作用的现象和机制,可能是未来miRNA 研究的新方向[16]。此外,HCV诱导miR-155 过表达,通过Wnt 通路促进肝细胞增殖和恶性转化;miR-198 通过有丝分裂相关途径抑制HCV 阳性肝癌细胞的增殖和侵袭等,均已有报道[17-18]。
3 miRNA 与肝细胞恶性转化
HCC 发生、发展与细胞周期失控、癌基因与抑癌基因异常等有关。miRNA 在肝细胞癌发生过程中,既可以通过调节细胞凋亡或者细胞周期,也可以经调节癌基因和/或抑癌基因参与肿瘤发生途径,影响HCC的发生。其作用具有网络化、双向性及组织特异性的特点[19]。如肝癌组织miR-26a 表达明显低于配对癌周和远癌组织,显示miR-26a 可直接靶向于肝细胞生长因子(HGF),抑制肝癌细胞生长[20];同时对VEGF也有调控作用,阻止新生血管形成[21],miR-26a 被认为在肝细胞恶性转化过程中起抑癌基因作用;miR-21作为促癌miRNA,可抑制其靶基因丝裂原活化蛋白激酶激酶-3(MAP2K3)表达,促进肝癌细胞增殖;人肝癌HepG2 细胞中导入含miR-21 沉默质粒后,MAP2K3 在基因和蛋白水平均上调表达,细胞增殖显著减少[22]。
miRNA 经多种信号通路途径,在HCC 相关的细胞凋亡和细胞周期中起调控作用。作为最重要的肝脏特异性miRNA,占肝脏miRNA 总量70%的miR-122在Hep3B2、SNU-182 和SNU-475 等HBV 阳性肝癌细胞系中表达下降,而AKT 信号通路中的AKT3 在这些细胞系中表达明显升高,与miR-122 的表达呈显著负相关。经证实AKT3 是miR-122 靶基因之一,在肝癌细胞中转入含miR-122 质粒后,可抑制AKT3 以诱导细胞凋亡,并经体内试验证实[23]。信号传导与转录激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)蛋白家族是一组可被不同细胞因子受体激活的相关蛋白,其中STAT3 与肝癌关系较为密切,miR-124可调控HepG2 细胞STAT3 基因表达及蛋白磷酸化,诱导细胞凋亡,抑制细胞增殖,miR-124 表达下调被认为是肝细胞恶性转化的机制之一[24]。
miRNA 还可通过细胞周期调节蛋白Cyclin 家族等途径调节细胞生长,如miR-503 的直接靶基因是Cyclin D3 和E2F3,该miRNA 可以通过Rb-E2F 信号通路诱导肝癌细胞G1期阻滞,因而作为抑癌miRNA在肝癌组织和肝癌细胞系中表达下调[25];同样作为抑癌miRNA,miR-451 的靶基因是核转录因子NF-κB 通路激活剂IκB,miR-451 通过调节NF-κB 通路影响其下游基因Cyclin D1 和c-myc,进而促进肝癌细胞G1期阻滞,诱导其凋亡,因此,miR-451 的表达抑制可能是肝癌恶性转化的启动环节[26]。
4 miRNA 与HCC 侵袭、转移
肝癌细胞的侵袭、转移是一个复杂的过程,牵涉到许多细胞、分子之间的相互作用和改变,如肝癌细胞的局部侵袭、肿瘤新生血管的形成及上皮间充质转化(EMT)等[27]。miRNA 在这些病理生理过程中均发挥重要作用。基质金属蛋白酶(MMP)-9 是公认的与肝癌细胞局部侵袭密切相关的蛋白,miR-224 在高侵袭性的MHCC-97H 肝癌细胞中表达上调,显示该miRNA可直接靶向同源异形盒基因(Hox)家族成员HoxD10,进而激活下游MMP-9,促进肝癌细胞局部侵袭[28]。对不同分化程度的肝癌组织和不同侵袭潜能的肝癌细胞系进行miRNA 芯片分析发现,miR-491 在分化程度较低的肝癌组织和侵袭潜能较高的肝癌细胞系中表达明显下调。抑制低侵袭潜能的HepG2 中的miR-491 表达可以增加该细胞中MMP-2/9 的水平并增加细胞侵袭能力,反之在高侵袭力的MHCC-97H 细胞中过表达miR-491,则能降低MMP-2/9 水平和细胞侵袭能力。此外,miR-491 水平还与E-钙黏素(E-cadherins)呈明显正相关,与波形蛋白(Vimentin)呈明显负相关,显示miR-491 也可以通过封闭EMT 途径抑制肝癌细胞侵袭、转移[29]。
新生血管形成是肿瘤远处转移的重要环节,而血管内皮生长因子(VEGF)是肿瘤血管生成最重要的启动因子,发现肝癌组织miR-195 表达明显下调与肝癌血管新生、转移及生存期短呈显著负相关。体外研究显示miR-195 不但可降低内皮细胞微管形成,还可直接抑制肝癌细胞迁移能力、穿透基质胶侵袭能力;体内研究中,miR-195 明显降低移植瘤内微血管密度(MVD)、抑制肝内转移和肺转移,其机制主要通过调节其靶基因VEGF 实现,在肿瘤微环境中下调miR-195 可增加VEGF 表达,进一步激活内皮细胞VEGF受体2 通路,促进肿瘤血管新生[30]。
5 miRNA 与HCC 诊断
miRNA 与HCC 发生、发展关系密切,在肝细胞恶性转化早期即发生改变的miRNA,可用于肝癌早期发现和诊断。近来,随着对miRNA 的认识,循环miRNA(circulating miRNA)倍受关注,已发现外周血及尿液等体液中多种miRNA 表达丰度高,且理化特性稳定,作为肝癌诊断标志物具有临床应用前景[31]。以大通量检测技术分析手术切除癌组织及手术前后血miRNA:发现癌组织miR-15b、miR-21、miR-130b 和miR-183 高表达,血miRNA 表达在手术切除前后差异显著,推测血miRNA 源自肝癌组织。经临床验证表明,miR-15b 和miR-130b 是肝癌诊断较好标志物,两者联合检测敏感度为98.2%,特异度为91.5%;AFP 水平低于20 ng/ml 的肝癌患者敏感率达96.7%,具有互补诊断价值和良好效率[32]。
HBV 阳性肝炎、肝硬化和肝癌患者血浆24 种miRNA 进行逆转录实时定量PCR 分析,发现miR-125b-5p 表达分别上调2.85、2.46 和1.89 倍,而miR-223-3p 分别下调5.55、13.88 和12.65 倍,显示两种类型miRNA 在乙型肝炎经肝硬化发展至肝癌过程中,早期血浆改变明显,有可能成为肝癌早期诊断血清标志物[33]。此外,芯片技术比较HCV 阳性肝癌、慢性肝炎及对照人群尿液miRNA 表达谱改变,发现肝癌患者尿miR-625、miR-532 和miR-618 表达上调,miR-516-5p和miR-650 下调;定量PCR 证实miR-618 和miR-650是早期诊断HCV 相关肝癌有效指标,两者联合检查敏感度为58%,特异度为75%,均优于AFP[34]。
6 miRNA 与HCC 治疗
癌组织miRNA 表达异常,针对肝癌相关的miRNA 进行基因调控,进而影响这些miRNA 下游靶基因的表达,可能是基因治疗肝癌的新途径。目前最有应用前景也是研究最多的是针对肝脏特异性miR-122 的各种基因治疗手段,如已进入临床2 期试验的miravirsen,是一种新型锁核酸修饰的硫代反义寡核苷酸拮抗剂,它可以在体内与miR-122 形成高度稳定的杂交双链,从而抑制其功能。一些临床抗病毒治疗耐受的慢性丙肝患者,皮下注射miravirsen 后,可在相当长时间内持续降低患者体内HCV RNA 水平,抗病毒作用呈miravirsen 剂量依赖,且不产生病毒耐药[35]。
腺病毒-单纯疱疹病毒胸苷激酶基因载体联合阿昔洛韦治疗肝癌在临床上取得了不错的疗效,但也存在非目的载体扩散、自杀基因表达等毒副作用引起的肝损伤。有研究将miR-122 靶向的基因序列插入TD基因3'非编码区,构建miR-122 调控性载体,转染肝癌细胞并注射入miR-122 缺失的原位肝癌小鼠瘤内。显示插入miR-122 调控序列可明显减少细胞内载体的转基因表达,选择性地保护miR-122 阳性细胞;而在小鼠体内,插入miR-122 调控序列可有效减少载体在正常肝脏中的表达,同时对载体在肿瘤中的表达没有影响,提升了基因药物在肿瘤内的表达特异性。与未插入miR-122 调控序列的载体药物相比较,小鼠在达到治疗剂量时肝损伤明显减少。因而miR-122 调控的TD 载体联合阿昔洛韦治疗在有效提升药物抗肿瘤效力的同时还增强了药物的安全性[36]。
以miRNA 治疗肝癌仍处于探索阶段,除miravirsen 外,绝大部分研究均为基础性工作,应用于临床尚待时日。单纯模拟或敲除某些特定miRNA,可能会因靶基因的复杂性而致某些副作用;肝癌是多基因疾病,如何针对多个肝癌过表达或缺失表达的基因设计miRNA,沉默或上调多个肝癌相关基因以增强治疗效果值得探讨。
7 miRNA 与HCC 预后
转移和复发是肝癌术后患者生存的关键,因miRNA 与癌细胞侵袭及转移相关,因而对肿瘤侵袭、转移相关miRNA 进行监测,有助于肝癌的预后判断。对不同分化程度的肝癌进行大样本miRNA 芯片分析,发现12 个miRNA 与肝癌的病理分化程度有关。其中miR-18b 在低分化肝癌中的表达明显高于高分化肝癌,且肝癌手术后患者miR-18b 高表达预示其肝癌复发时间提前[36]。另有研究对治疗后复发与未复发肝癌患者miR-185 水平进行分组分析,发现miR-185 的低表达与肝癌高复发率相关,而与肝癌临床病理指标如年龄、性别、AFP 水平、肿瘤大小、分化程度及包膜完整等无相关性,表明miR-185 的低表达是肝癌早期复发的灵敏预警指标[37]。miR-100 作为肝癌转移抑制基因,与miR-185 的表达趋势相似,肝癌组织中miR-100 的水平明显低于邻近非癌组织,而miR-100 的低表达与肝癌的高分级、高淋巴转移率、TNM 进展期及高复发率密切相关[38]。而miR-25 在肝癌组织中的表达明显高于邻近非癌组织,高miR-25 水平的肝癌患者生存期明显低于低水平者,miR-25 表达水平、TNM 分期及血管侵袭均是肝癌预后的独立预测因子[39]。
8 展望
miRNA 与HCC 的相关性研究已取得明显进展,为基因诊断、治疗等提供了理论依据和新思路,但因肝癌自身复杂性及技术局限性,需探讨的问题仍很多,如miRNA 多态性与肝癌关系、调控网络和正反调节机制等;随着大通量miRNA 检测、痕量miRNA 检测、循环miRNA 检测及miRNA 寡核苷酸抗体等技术的发展,肿瘤发展不同阶段miRNA 表达差异及其具体机制将被深入研究。随着对miRNA 认识的不断深入,以miRNA 为桥梁,在肝癌诊断、发病机制和靶向治疗等方面,将会有更广阔的应用前景。
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