微RNAs的生物学特性及相关疾病概述

李 华

(江苏联合职业技术学院南京卫生分院 南京卫生学校 210038)

微RNAs (miRNAs) 最初由Lee等人于1993年发现，是一类长度约为18～25个核苷酸的非编码单链RNA。miRNAs广泛存在于生物界，在进化上十分保守，能参与真核生物基因表达的特异性调控。到目前为止，已经发现人类约有1500个miRNAs基因组，且人类约有60%的mRNA包含miRNAs的结合位点[1]。本文对miRNAs的生物学特性和相关疾病作一概述。

1 miRNAs的生物学特性

1.1 生物合成 miRNAs的生物合成始于由RNA聚合酶II(RNA polymerase II，POL II)催化的miRNAs基因的转录过程，转录产生几千个碱基长度的初始microRNAs(pri-microRNAs)。继而，由RNA酶III核酸内切酶(Drosha)及其辅助因子DGCR8(DiGeorge syndrome critical region 8)连同其他蛋白形成的复合物对pri-microRNAs进行剪切，生成一种具有发卡结构的长度约为60～100个核苷酸的miRNAs前体(pre-miRNAs)。

Pre-miRNAs在Exportin-5蛋白(RAN-GTP依赖性转运蛋白)的帮助下，从细胞核运输到质膜。Pre-miRNAs一旦进入细胞质，就会在RNA酶III核酸内切酶(Dicer)、人类免疫缺陷病毒活化反应RNA 结合蛋白(the human immunodeficiency virus transactivating response RNA binding protein, TRBP)和argonaute2蛋白(AGO2)的共同作用下，最终产生18～25个核苷酸长度的成熟双链miRNAs，即miRNA：miRNA*(其中的miRNA*表示miRNA的互补链)。随后，双链miRNAs中的一条链被降解，另外一条链以不完全互补配对的方式被装载到RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex，RISC)中形成新的复合物miRNA-RISC，从而成为一个成熟的有生物学功能的miRNAs。miRNA-RISC复合物能识别并结合到mRNAs的特定序列如3′-非翻译区(3′-UTR)上，并通过包括对翻译和延长阶段的抑制在内的多种机制，或使靶mRNA脱腺苷化，或将核酸内切酶裂解，来促使基因沉默，减少相应蛋白质的表达[1]，最终实现miRNAs的各种生物学调节功能。

1.2 生物学调节功能 miRNAs调节多种生物学过程，包括细胞凋亡、胰岛素分泌、脂质代谢、干细胞分化、抗原呈递等[2]。

1.2.1 调节细胞凋亡 细胞凋亡指由细胞发生自主且有序的死亡过程，具有维持生物机体内环境稳定的作用。miRNAs的表达异常可导致细胞凋亡失败，最终导致癌症的发生。miRNAs在细胞凋亡的确切作用机制尚未完全研究清楚，但Cimmino等的研究显示，miR-15和miR-16两种miRNAs诱导的细胞凋亡通过锚定Bcl2蛋白来实现。miR-330能通过降低细胞转录因子E2F1介导的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Akt)的磷酸化来诱导人前列腺癌PC-3细胞凋亡[2]。

1.2.2 调节胰岛素分泌 糖尿病是世界上最常见的代谢紊乱性疾病。研究发现miRNAs参与胰岛素分泌的各个生理过程以及体内葡萄糖的平衡。miR-375在胰岛β细胞的增殖和分裂过程中都起着至关重要的作用。miR-375过表达可抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌；而内源性的miR-375被抑制则促使胰岛素分泌增强。且miR-375直接影响胰岛β细胞对胰岛素的胞吐过程。miR-9是胰岛素释放的负性调节因子。敲除β细胞中miR-24、miR-26、miR-182和miR-148可导致胰岛素mRNA的水平降低[2]。

1.2.3 调节脂质代谢 miRNAs是脂质代谢过程中重要的调节因子。miR-143参与调节脂肪细胞的分化，其水平降低会影响甘油三酯的合成。miR-122被抑制后能降低血清胆固醇水平。此外，miR-33a参与胆固醇的转运和脂肪酸的β-氧化，若被抑制则导致高密度脂蛋白水平的提高。miR-223能通过直接锚定并抑制清道夫β1受体来调节高密度脂蛋白胆固醇的摄取，并通过直接抑制胆固醇合成过程的限速酶3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶来抑制胆固醇的生物合成[2]。

1.2.4 调节免疫 CD34+造血干细胞能表达33种miRNAs，其中miR-155能调节髓系和红系生成。在胚胎干细胞(ES)中，miRNAs调节多功能转录因子SOX2、Nanog和Oct-4，这些转录因子在免疫中发挥重要的作用。miR-181a的过表达能降低CD8+T细胞的数量。在B细胞发育的早期敲除miRNAs生物合成所需的Dicer，能阻止前B细胞向原B细胞的转变。Dicer缺乏还会使T细胞的发育和分化受损，且胸腺 CD8+和CD4+T细胞的数量都减少。Liu等的研究表明，miR-148和miR-152 负调控树突状细胞(dendritic cells，DC)的抗原呈递并抑制细胞因子的产生。抗原特异性T细胞介导的免疫受miR-155抑制，且抑制miR-155能逆转此作用[2]。

1.2.5 调节造血 miRNAs在血细胞生成过程中的每个阶段都发挥至关重要的作用。Dicer是miRNAs生物合成过程中必不可少的酶，它的缺乏会导致胚胎造血干细胞系统受损，从而导致胚胎死亡。miR-15a的过表达能阻止粒细胞和红细胞的分化。miR-221、miR-222和miR-24能抑制红细胞生成[2]。

2 与miRNAs相关的疾病

miRNAs控制着人类大多数基因的表达，从而参与许多生理和病理过程。最近的研究发现，miRNAs与肿瘤、遗传、免疫、神经变性以及心血管疾病的发生有关。

2.1 miRNAs与肿瘤 越来越多的研究表明，miRNAs在肿瘤的发生发展过程中起着关键作用。在肿瘤细胞，miRNAs的失调可由多种机制引起，包括编码miRNAs的染色体区域缺失或扩增、miRNAs靶基因的突变、miRNAs的启动子表观遗传沉默、细胞信号传导和转录因子的失调等。在肺癌患者，miRNA-125A-5p能抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡，从而具有抑制肿瘤的转移和侵袭的关键作用。Nishida等则提出miRNA-125A-5p可作为胃癌预后的独立标志物。但是，Odar K等的实验表明，在头颈部鳞癌患者miRNA-125A-5P没有发生明显的变化[3]。研究还发现肝癌、肺癌、胃癌和多发性骨髓瘤患者的miR-194降低，且miR-194通过抑制PDK1/ AKT2/ XIAP信号转导通路来抑制大肠癌的发生[4]。miR-21和miR-210通过诱导癌细胞，使其适应于快速增长时的缺氧条件来直接参与神经胶质瘤的发展和演变[5]。miR-148A通过甲基化来下调鼻咽癌细胞株的数量[6]。而miR-221的表达降低则会增加前列腺癌手术后复发的风险[7]。

2.2 miRNAs与心脏疾病 研究已经明确心肌特异性的miRNAs有5个，包括miR-1、miR-133、miR-206、miR-208和miR-499。实验室检测发现，心肌梗塞患者体内miR-1、miR-29、miR-133、miR-146、miR-150、miR-155、miR-208、miR-186、miR-210和miR-451都出现不同程度的上调或下调，它们通过各种路径诱导细胞凋亡。柯萨奇病毒引起的急性心肌炎患者的心肌组织内miR-155和miR-148a的表达显著上调。小鼠体内实验还证明miR-155过表达能通过抑制NF-κB通路来调控柯萨奇病毒引起的免疫反应，从而提高柯萨奇病毒感染小鼠的存活率。冠心病患者与健康对照组相比较，其血清miR-135a水平增加、miR-147水平降低，与炎症相关的miR-155和与平滑肌细胞相关的miR-145则均减少。

与稳定型心绞痛患者相比较，不稳定型心绞痛患者的miR-134、miR-370和miR-198水平显著上调，并且这种变化可以用来预测该病的临床结果。动脉粥样硬化闭塞性脉管炎患者血清中miR-21、miR-130a、miR-27b和miR-210增加，而miR-221和miR-222均降低。心脏衰竭时，多个miRNAs表达水平异常。其中miR-423-5p与心衰的关联性最密切；miR-126能刺激心脏新血管形成并改善心功能。miR-423-5p的水平升高则与扩张型心肌病的严重程度有关[1]。

2.3 miRNAs与神经系统疾病 缺氧缺血性脑损伤时，miR-9参与负性调控脑组织中少突胶质细胞系基因1，从而影响后者在缺氧缺血性脑损伤和髓鞘修复中的作用[8]。在神经退行性疾病阿尔茨海默氏病(Alzheimer′s Disease，AD)大鼠体内，miR-26b水平显著升高，且miR-26b在大鼠神经元过表达可导致DNA复制和细胞周期的异常，同时还使tau蛋白(一种微管相关蛋白)磷酸化增加，这最终导致神经细胞的凋亡。tau蛋白磷酸化和细胞周期的异常是AD患者脑神经元的典型特征[9]。此外，Wu等还发现小鼠神经损伤后miR-431通过沉默Wnt/β-catenin信号通路(Canonical Wnt/β-catenin pathway)的拮抗剂Kremen1来促进轴突再生长，从而确定了miR-431作为轴突再生长的重要调节器和治疗靶点[10]。

2.4 miRNAs与消化系统疾病 研究发现，溃疡性结肠炎患者体内miR-20b、miR-99、miR-203、miR-26b和miR-98的水平上调超过10倍，miR-125的水平上调超过5倍。而miR-141则通过锚定趋化因子CXCL12β来参与结肠炎炎症过程中炎症细胞的迁移[11]。miRNA-122在肝脏特异性表达，并在脂肪酸代谢过程中起着至关重要的作用，它能通过结合到丙型肝炎病毒(HCV)的5′-UTR来增强其复制[12]。

2.5 miRNAs与血液系统疾病 检测结果发现，在急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)患者体内miR-22、miR-29、miR-125和miR-126水平往往失调；急性早幼粒细胞白血病(Acute Promyelocytic Leukemia，APL)患者体内miR-92a水平上调，且miR-92a被抑制后能降低急性早幼粒细胞白血病细胞系(HL-60)细胞的分裂增殖。

2.6 miRNAs与呼吸系统疾病 急性肺损伤时，miR-127能作用于巨噬细胞免疫球蛋白受体FcγRI(CD64)，从而使巨噬细胞释放的炎症因子显著减少，最终促进肺部炎症的减轻。Wu等通过测定肺结核患者、健康对照组以及鉴别诊断组(包括肺炎、肺癌、慢性阻塞性肺病)患者血清中的91种miRNAs，发现肺结核患者血清内HSA-miR-378、HSA-miR-483-5p、HSA-miR-22、HSA-miR-29、HSA-miR-101和HSA-miR-320b这6种miRNAs的含量明显异常，且特异性高达90%以上；跟健康对照组比较，慢性阻塞性肺病患者血清中miR-20、 miR-28-3p、miR-34c-5p和miR-100下调，而miR-7上调；miR-21和miR-126的上调均与过敏性哮喘发生和治疗相关联[13]。

2.7 miRNAs与生殖系统疾病 研究表明，与健康对照组比较，多囊卵巢综合征(polycystic ovary syndrome，PCOS)患者体内let-7i-3pm、miR-5706、miR-4463、miR-3665、miR-638这5个miRNAs显著上调，而miR-124-3p、miR-128、miR-29a-3p和let-7c则下调[14]。

2.8 miRNAs与运动系统疾病 Duchenne型肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy，DMD)的小鼠体内，将作为肌肉特异性基因的miR-486过表达能减少血清肌酸激酶水平，改善细胞膜的完整性，增加肌纤维的大小，并提高肌肉的生理功能[15]。

鉴于在细胞生理及疾病发生、发展过程中发挥的重要作用，miRNAs将有可能成为疾病诊断新的生物学标记以及药物靶点，给人类疾病的检测和治疗提供新的手段。