miRNAs在放射医学研究中的应用

冉曦 王明科 冉新泽 王艾平

miRNAs在放射医学研究中的应用

冉曦 王明科 冉新泽 王艾平

microRNAs（miRNAs）是一类内源性的非编码RNA，通过与靶mRNA特异性的结合而导致靶mRNA降解或抑制其翻译，对基因进行转录后调控，进而影响各种生命活动。大量研究表明，miRNAs与辐射致癌效应、辐射增敏效应、肿瘤辐射抗拒和辐射旁效应密切相关，已成为放射医学研究的热点。笔者就miRNAs及其在放射医学研究中的应用作一综述。

微小RNAs；放射医学；辐射致癌；辐射增敏；辐射抗拒

自1895年伦琴发现X射线以来，放射医学经历了近120年的发展历程，已成为医学中的一门重要学科。microRNAs（miRNAs）是一类长19～22个核酸的内源性非编码小RNA，存在于绝大多数动植物中，在进化中高度保守，其表达既具有时空特异性，也具有组织和细胞的特异性，可通过作用于靶mRNA的3’UTR（3’非翻译区）使其靶基因降解或抑制其翻译，广泛地参与调节细胞增殖、分化、代谢和凋亡等生命活动[1-2]。笔者就miRNAs及其在放射医学研究中的应用作一概述。

1 miRNAs

miRNAs与一般的mRNA一样，是由RNA聚合酶Ⅱ在核内转录，经过加工（主要是5’端的加帽和3’端的多聚腺苷化）形成的产物称为pri-miRNAs（primary transcripts of miRNA genes）；随后经历两次剪切过程，第一次在核内，被微处理器（microprocessor，由RNaseⅢ酶Drosha和DGCR8构成）剪切成60～70个核苷酸的pre-miRNAs（precursor miRNAs），Drosha执行酶切功能，DGCR8进行定位；第二次在核外，pre-miRNAs在Exportin-5蛋白和Ran-GTP帮助下转运出核，再经细胞质中的RNaseⅢ酶Dicer剪切成约22个核甘酸的双螺旋结构，然后由RNA双链解旋酶解螺旋，双链中的其中一条链和RNA诱导沉默复合体结合从而行使其功能，另一条链则被降解[3]。目前，已发现超过15 000个miRNAs且其数目仍在增加，miRNAs主要通过作用于靶mRNA的3’UTR降解或抑制其靶基因转录而发挥生物学效应，改变组蛋白修饰及DNA甲基化过程也是其发挥生物学效应的重要机制[4]。大量文献证实，miRNAs参与胚胎发育、肿瘤形成、免疫调节、病毒感染、细胞增殖与分化、细胞凋亡和血管发生等病理生理过程[2，4]，其已成为生命科学研究的热点之一[5]。

2 miRNAs与辐射致癌效应

辐射致癌效应是人类最严重的辐射远期效应，辐射可引起的肿瘤包括白血病、甲状腺癌、肺癌、乳腺癌、胃癌、结肠癌、多发性骨髓瘤等[6]。大量研究表明，miRNAs在辐射致癌效应中起重要作用。Bueno等[7]研究发现，miR-203表达下调使其靶基因ABL1和BCR-ABL1表达增加，从而参与γ射线诱导的T细胞淋巴瘤形成。Zhu等[8]研究结果显示，辐射可在早期（2 h内）激活AP-1而在晚期（2 h后）激活ErbB/Stat3通路，从而诱导miR-21表达，促进辐射诱导的肝癌形成；而辐射诱导miR-21表达增加及其靶基因Big-h3降低可能还与小鼠胸腺淋巴瘤的形成有关[9]。Li等[10]研究表明，miR-23a/b表达上调使其靶基因Fas表达下调，可能参与辐射诱发的小鼠胸腺淋巴瘤形成。Iizuka等[11]研究发现，2 Gy γ射线诱导的乳腺癌样本较自发的乳腺癌样本及正常的乳腺组织中miR-135b、miR-192、miR-194和miR-211表达要高，miR-192和miR-194在人乳腺癌细胞系中较非癌细胞系中表达也高，抑制miR-194表达可显著抑制乳腺癌细胞系MCF-7和 T47D细胞的增殖，说明 γ射线诱导miRNAs表达异常促进了细胞增殖，可能参与了辐射诱导的乳腺癌形成。刘聪[12]应用聚类分析法研究发现，辐射致癌组织与正常组织的总体miRNAs表达谱有非常明显的差异，进而应用SAM软件统计分析发现在各样本中表达重复性较好、表达丰度高、表达差异2倍以上且P<0.001的miRNAs有68条，其中辐射致癌组织中表达上调的miRNA有48条，下调的有20条。同时通过扩大样本Real Time-PCR方法验证获得了20条左右差异表达的miRNAs。以上结果表明，辐射致癌组织中有众多miRNAs的表达异常，且miRNAs可能参与了辐射致癌的发生，进一步研究提示miRNA-23可能是新的与辐射致癌发病及诊断相关、重要的miRNA分子标签[12]。

3 miRNAs与辐射增敏效应

提高肿瘤组织的辐射敏感性和增强正常组织的辐射耐受性是目前肿瘤放射生物学研究的重点[13]。miRNAs作为基因调节的重要参与者必然参与细胞辐射敏感性的调节[1]。研究miRNAs在肿瘤组织的辐射敏感性中的作用已成为国内外学者研究的热点。肖海楠等[14]通过MTT比色法检测肺腺癌A549细胞的生长抑制率；流式细胞术检测细胞周期；藻红B染色法观察细胞凋亡率；Western blot检测p53蛋白的表达，结果发现转染联合照射处理组的A549细胞的抑制率、凋亡率、p53蛋白表达都较单独转染或单独照射组高，且随着miR-34c转染浓度增加而升高，转染联合照射处理组A549细胞明显阻滞于G1/G0期，说明miRNA-34c可强化A549细胞p53蛋白的表达，诱导A549细胞G1/G0期阻滞和凋亡，对A549细胞有辐射增敏效应。Wang等[15]研究结果显示，电离辐射能引起肾癌细胞miR-185表达下调，而过表达miR-185则可增加细胞的辐射敏感性，其机制是miR-185通过靶向调控关键DNA损伤传感因子ATR，从而增强电离辐射诱导的细胞凋亡及增殖抑制。Upraity等[16]研究发现，增加miR-224表达或降低miR-224的靶基因API5表达，可增加胶质瘤细胞辐射敏感性；而Lynam-Lennon等[17]研究证实，增加miR-31表达，可使辐射抗性的食管癌细胞重新变得对辐射治疗敏感。但也有研究发现，敲除miRNAs合成的关键蛋白Dicer或Drosha及Ago2并不影响肺癌的辐射敏感性[18]。

4 miRNAs与肿瘤辐射抗拒

肿瘤放射治疗目前已成为肿瘤治疗的重要手段，但肿瘤放射治疗中的肿瘤辐射抗拒常影响放射治疗的效果[19]。国内外研究发现，大量miRNAs参与了肿瘤辐射抗拒过程。陈鑫等[20]构建了放射抗拒食管鳞癌细胞株Eca-109R、TE-1R，通过与母代细胞比较，Eca-109R、TE-1R均存在多个明显差异表达的miRNA，但仅miR-21在两种放射抗拒细胞株的放射抗拒形成前后具有共同的表达改变趋势，因而认为miR-21的表达可能与食管鳞癌放射抗拒特性相关。曲昌菊等[21]在验证相同遗传背景鼻咽癌（NPC）细胞CNE-2R和CNE-2不同辐射抗拒的基础上发现，在CNE-2R和CNE-2细胞中存在miRNA的差异表达，即与CNE-2细胞比较，在检测到的719个miRNA中，CNE-2R细胞中有37个miRNA上调，29个下调，其中检测量的绝对值≥2000且两者相差≥2倍的miRNA共12个：hsa-miR-200b、hsa-miR-224、hsa-miR-26b、hsa-miR-125a-5p、hsa-miR-205、hsa-let-7e、hsa-let-7g、hsa-miR-19b、hsamiR-24、hsa-miR-103、hsa-miR-106b和hsa-miR-93，这些差异表达的miRNA可能与鼻咽癌辐射抗拒相关。Ke等[22]研究发现，miR-181a在放射抗拒的人子宫颈癌标本和子宫颈癌细胞系SiHa和Me180中表达较高，并通过细胞培养模型和小鼠体内移植模型证实增加的miR-181a降低了其靶基因凋亡相关蛋白PRKCD，这可能与子宫颈癌辐射抗拒有关。Anastasov等[23]通过研究辐射敏感的乳腺癌细胞系MDAMB-361和辐射抗拒的乳腺癌细胞系T47D发现，高表达miR-21导致G2/M阻滞可能是乳腺癌辐射抗拒的重要机制，anti-miR-21联合放射治疗对辐射抗拒的乳腺癌具有潜在的治疗价值。

5 miRNAs与辐射旁效应

电离辐射旁效应是指受辐射损伤的细胞产生的各种信号作用于周围细胞，引起了未受照射细胞出现损伤效应。目前电离辐射旁效应已成为放射医学的研究热点[24]。Kovalchuk等[25]利用miRNA芯片研究α粒子对人体组织的辐射旁效应，结果发现邻近未照射旁效应组c-MYC介导的miR-17-92家族上调而其靶基因RB1和E2F1下调，从而导致细胞周期失调；miR-29家族上调而其靶基因DNMT3a下调导致DNA低甲基化；MCL1下调导致凋亡异常；miR-16表达上调而其靶基因BCL2下调导致凋亡异常。Ilnytskyy等[26]用0.5 Gy X射线照射研究辐射旁效应发现，皮肤和脾脏的有关miRNAs的辐射旁效应不同，脾脏miRNAs所受影响更大，miR-194在小鼠头颅照射6 h后脾脏中表达增加，使其靶基因MeCP2表达降低，miR-194可能参与了X射线诱导的脾脏旁效应。

6 展望

miRNAs已广泛应用于放射医学及创伤医学研究领域，但尚有很多问题亟待解决：如miRNAs与肿瘤辐射敏感性有关，但miRNAs调节肿瘤辐射敏感性的机制还不清楚；提高肿瘤细胞的辐射敏感性和降低正常组织的损伤仍是肿瘤放射治疗的关键，而目前的研究多集中在miRNAs如何能提高肿瘤辐射敏感性，但是对如何利用miRNAs降低肿瘤放射治疗时正常组织的辐射损伤的研究较少，miRNAs参与辐射旁效应的作用机制有待进一步阐明。本实验室曾对正常皮肤和切割创伤后7 d肉芽的miRNAs表达谱进行了分析，发现了一系列miRNAs的表达变化，其中miR-21表达上调了2倍，相应的定量PCR和Northern blot也验证了这一结果；同时成功构建了小鼠miR-21的真核表达载体，为深入探讨miR-21的生物学功能奠定了基础[27]。原位杂交显示miR-21可广泛表达于新生肉芽组织，而抑制miR-21的表达则可延缓创面愈合，影响创面早期收缩和重塑期的胶原沉积[28]。目前对miRNAs在放射医学研究中存在的问题，特别是血液、唾液、痰、尿液等体液的miRNAs表达改变能否作为辐射监测的生物标志物，能否用于放射性损伤的诊断、放射治疗的预后等方面，都值得进一步探索。总之，研究miRNAs在放射医学中的应用可为辐射致癌的诊断、预防和治疗提供重要的新靶点、新方法和新思路。

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MicroRNAs and their applications in radiation medicine

Ran Xi*,Wang Mingke,Ran Xinze,Wang Aiping.*Institute of Combined Injury,School of Military Preventive Medicine,Third Military Medical University,Chongqing 400038,China

Wang Aiping,Email:waiping2012@163.com;Ran Xinze,Email:ranxinze@163.com

MicroRNAs（miRNAs）are endogenous non-coding RNAs,which can degrade their target mRNAs or inhibit their translation by binding to their target mRNAs specifically.MiRNAs act as post-transcriptional regulators of gene expression,and then are involved in diverse physiological activities. Many studies has shown that miRNAs are closely related with radiation carcinogenesis,radiosensitivity, radioresistance and radiation-induced bystander effects,and have being a hotspot in radiation-medicine research.This review focuses on the introduction of miRNAs and their applications in radiation medicine.

MicroRNAs；Radiation medicine； Radiation carcinogenesis；Radiosensitivity；Radioresistance

2015-01-04）

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2015.04.013

国家自然科学基金（81172600，81272101）

400038重庆，第三军医大学军事预防医学院全军复合伤研究所（冉曦、王艾平），创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室（冉新泽）；200433上海，海军医学研究所（王明科）；400037重庆，第三军医大学新桥医院检验科（冉曦）

王艾平（Email：waiping2012@163.com）；冉新泽（Email：ranxinze@163.com）