微RNAs与内质网应激信号通路的相互调控作用

罗琦琦， 曲光瑾， 罗善顺

(哈尔滨医科大学附属第一医院干部一病房， 哈尔滨 150001)

内质网(endoplasmic reticulum，ER)是真核细胞内脂类、糖类、蛋白质类合成和修饰的重要场所。在某些生理、病理条件刺激下，内质网中的蛋白质会发生错误折叠并不断积聚，进而引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，激活未折叠蛋白反应(unfolded protein response UPR)[1]。UPR激活降低了错误折叠蛋白质的水平，但长期且不可修复的内质网应激便会触发细胞凋亡[2]。内质网应激在调节细胞凋亡和自噬等方面具有重要的意义。微RNAs( microRNAs, miRNAs)是一种小的非编码RNA，通过与靶向信使RNA(messenger RNA ,mRNA)的3′非翻译区(3′ untranslated region, 3′UTR)形成不完全互补配对，对许多关键基因转录后水平发挥重要的调控作用[3-4]，并诱导多种复杂的细胞功能，包括增殖、分化和凋亡[5]。miRNAs可调节ERS相关信号通路中关键蛋白质和基因的表达，内质网应激通过降低mRNA或miRNAs的稳定性间接调控靶基因的表达[6]。本文就miRNAs与内质网应激信号通路相互调控作用进行梳理。

1 内质网应激信号通路概述

内质网应激主要有3种信号通路，即蛋白激酶样内质网激酶(protein kinase-like ER kinase，PERK)通路、肌醇酶1(inositol-requiring kinase l，IRE1)通路和激活转录因子6(activating transcription factor 6，ATF6)通路。这3种信号通路通过与葡萄糖调节蛋白78(glucose regulated protein 78，GRP78)/免疫球蛋白结合蛋白(immunoglobulin binding protein，BiP)结合，保持正常生理功能；但是在营养剥夺、细胞分化或其他应激状态下，GRP78会与这些蛋白质分离，从而激活和启动下游信号通路[7-11]。PERK被BiP激活后导致真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2-α，eIF2α)的磷酸化，减轻了蛋白质的负荷。同时，也上调了激活转录因子4 (activating transcription factor 4，ATF4) mRNA的翻译，ATF4是CCAAT/增强子结合蛋白(CCAAT enhancer binding protein，C/EBP)家族成员，可激活C/EBP同源蛋白(CCAAT enhancer binding protein homology protein，CHOP)的转录[12]。IRE1α是第一个被发现启动内质网应激的特异性传感器，活化的IRE1α能够剪切X-盒结合蛋白1 (X-box binding protein 1，XBP1) 的mRNA，使其形成有活性的转录因子XBP-1 s(X-box binding protein 1 s，XBP1s)，这种剪切的XBP1s与各种应激反应基因启动子结合，从而抑制应激反应蛋白质的表达，促进展开蛋白质的正确折叠和错误折叠蛋白质的降解，这一过程称为内质网相关降解(ER-associated degradation，ERAD)[13-14]。ATF6是亮氨酸拉链转录因子家族成员，其通过ATF6二硫键转运到高尔基体中发挥作用，并通过位点1蛋白酶(site 1 protease，S1P)和位点2蛋白酶(site 2 protease，S2P)进行加工，产生裂解的活性ATF6α，ATF6α也可与UPR结合，激活CHOP[15-17]，参与调控相关靶基因的表达(Fig.1)。

Fig.1 Endoplasmic reticulum stress (ERS) signaling pathways In some physiological conditions such as nutrient deprivation and cell differentiation, and in some pathological conditions such as infection and cellular injury, endoplasmic reticulum homeostasis imbalance can lead to ERS. ERS mainly has three signaling pathways namely PERK, IRE1 and ATF6. The activation of PERK by BiP leads to the phosphorylation of eIF2α, which also up-regulates the translation of ATF4 mRNA, and ATF4 can activate CHOP. Activated IRE1α can shear the mRNA of XBP1 to form active transcription factor XBP1s, which promotes the degradation of misfolded or unfolded proteins, known as ER-associated degradation (ERAD). ATF6 is processed by S1P and S2P to produce lytic active ATF6α, which also binds to UPR and activates CHOP

2 微RNAs对内质网应激相关信号通路的调控作用

2.1 miRNAs对PERK通路的调控作用

miRNAs对PERK通路的调控，既有促凋亡作用，也有促细胞增殖和自噬的作用。PERK持续激活在促细胞凋亡中发挥重要的作用。然而，人们对其机制知之甚少。现有的研究中，miRNAs调控其促凋亡作用部分依赖于下游因子。例如，有研究者在对人脐静脉内皮细胞和小鼠的研究中发现，抑制miR-1283可通过上调PERK/ATF4通路的表达，促进内质网应激，刺激细胞凋亡和炎症，最终导致血管内皮损伤[18]。一种依赖PERK及其下游调节物ATF4微小核糖核酸分子miR-706，可通过调节凋亡抑制剂1(apoptosis inhibitor 1，CAAP1)促进内质网应激诱导的细胞死亡[19]。Read等[20]发现，内质网应激过程中，miR-17-92可被PERK下游ATF4和核因子相关因子2(nuclear factor E2-related factor 2，NRF2)抑制，进而介导细胞凋亡。这一发现表明，miRNAs的调控与PERK/ATF4通路存在双向调控关系。综上所述，参与PERK通路的miRNAs通过调控其下游转录因子在促细胞凋亡中发挥重要作用。

miRNA-PERK信号通路调控细胞凋亡的最终结果并非均为有害的，其在促肿瘤细胞凋亡中可达到治疗作用；例如在大肠癌细胞中，miR-7112-3p靶向PERK并调控其下游ATF4-CHOP-caspase(胱天蛋白酶)级联途径，从而诱导卟啉钠-光动力治疗处理的CX-1(大肠癌细胞)细胞凋亡[21]，为结直肠癌病人的治疗提供了新的靶点。miR-211除以PERK依赖的方式调控CHOP表达外，最近被证明有另一种机制，即PERK诱导的miR-211对异源二聚体转录因子Bmal1(brain and muscle ARNT-like protein 1)具有抑制作用，可以通过限制蛋白质过载来促进细胞生存和肿瘤进展[22-23]。可见内质网应激通过激活PERK分支，有助于肿瘤细胞适应恶劣的生存环境。miRNAs调控PERK在诱导细胞增殖上具有间接的促凋亡特性，例如糖尿病病人miR-98-5p下调，可通过靶向蛋白磷酸酶1调节亚基15B(protein phosphatase 1 regulates subunit 15B，PPP1R15B)提高p-eIF2α、BiP和CHOP的水平，抑制增殖并促进凋亡，其可能会加重糖尿病病人皮肤损伤程度[24]。miRNAs可通过内质网应激调控肿瘤细胞增殖和凋亡，Wang等[25]用荧光素酶活性在miR-520a模拟物或抑制剂存在的情况下分析Raji(恶性淋巴瘤细胞)细胞的功能。结果表明，miR-520a通过调节AKT1(又称蛋白激酶B)/核因子κB(protein kinase B，PKB/ nuclear factor-kappa B，NF-κB)或PERK/eIF2α信号通路，可介导恶性淋巴瘤Raji细胞增殖和内质网应激，并具有加强胱天蛋白酶(caspase)依赖的凋亡作用。PERK是诱导自噬的媒介，在炎症性肠病中，miRNAs通过调节核因子κB/雷帕霉素机制性靶标(NF-κB/mechanistic target of rapamycin，mTOR)信号通路，诱导或抑制细胞自噬，影响炎症因子的抗炎或促炎作用[26]。因此，miRNAs诱导PERK通路对凋亡、增殖和自噬过程的调控，为疾病的治疗靶点提供了新的研究思路。

2.2 miRNAs对IRE1通路的调控作用

目前研究表明，miRNAs通过介导IRE1通路可发挥抗凋亡特性。Panganiban等[27]提出，miR-124-3能通过抑制IRE1/XBP1通路减弱CHOP活化，从而抑制内质网应激介导的细胞死亡。IRE1不仅能处理XBP1mRNA，还会处理选择性mRNA或前体miRNAs(precursor miRNA，pre-miRNA)导致其降解，这一过程被称为调控IRE1依赖性衰变(regulating IRE1 dependent decay，RIDD)[28-29]。而miR-424(322)通过调节蛋白质二硫化物异构酶家族A成员6(protein disulphide isomerase family A, member 6，PDIA6)表达，可调控IRE1的RIDD活性[30]。IRE1α在内质网应激的3′UTR共识位点切割磷脂酰肌醇蛋白聚糖3mRNA(glypican-3mRNA，GPC3mRNA)，促进GPC3mRNA降解，参与致癌过程；例如miR-214可以直接识别XBP-1 mRNA的3′UTR，并抑制XBP-1的翻译，可能有助于诱导肝癌细胞凋亡；在大肠癌中，下调miR-3648可直接靶向XBP-1mRNA的3′UTR，并增加大肠腺瘤性息肉病2(adenomatous polyposis coli 2，APC2)的表达以减少细胞增殖，促进肿瘤细胞凋亡[31-33]。因此，抑制IRE1α-XBP1s通路可抑制肿瘤细胞的进展。IRE1α抑制剂(STF083010)可通过介导信号通路中miRNAs的表达来诱导细胞凋亡，对机体发挥保护作用。例如大鼠缺氧缺血性脑病模型中，Huang等[34]发现，IRE1α抑制剂(STF083010)可通过miR-125/ NOD-受体蛋白1炎性小体 /胱天蛋白酶-1(miR-125/ NOD-like receptor protein 1 inflammasome，NLRP1/caspase-1)信号通路，部分降低神经元凋亡。也有研究者发现，IRE1α抑制剂(STF-083010)在新生儿缺氧缺血性脑病发生24 h后，过表达miR-17-5p可发挥神经保护作用，其机制可能与硫氧还蛋白相互作用蛋白/ NOD-受体蛋白3炎性小体(thioredoxin-interacting protein，TXNIP/ NOD-like receptor protein 3 inflammasome，NLRP3)的活性受到IRE1α抑制有关[35]。因此，IRE1α抑制剂可逆转新生儿缺氧缺血性脑病大鼠模型的脑损伤。儿童恶性肿瘤中，IRE1抑制剂(STF-083010)可上调miR-34a的表达，抑制胱天蛋白酶-2的激活，对β淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)肽诱导的人神经母细胞瘤细胞损伤具有保护作用[36]。IRE1也参与诱导自噬，miR-200c-3p以IRE1α依赖的方式诱导前列腺癌细胞自噬[37]；有望成为前列腺癌的治疗靶点。在诱导细胞分化方面，过表达miR-24能通过抑制内质网应激效应因子IRE1α、XBP1和ATF4诱导细胞凋亡去分化来保护胰腺β细胞[38]。

2.3 miRNAs对ATF6通路的调控作用

研究表明，参与ATF6通路的miRNAs也表现出双向调控的作用。但与前2种信号通路相比，miRNA-ATF6信号仍未得到广泛的研究。内质网应激过程中，PERK通路可抑制miR-424(322)-503簇，并通过与ATF6mRNA的3′UTR结合，使miR-424下调ATF6的转录；miR-103/107通过靶向前脂肪细胞Wnt3a-β-联蛋白-ATF6信号通路促进内质网应激介导的细胞凋亡[39-40]。在心血管中，miR-199a-5p通过影响靶基因ATF6和GRP78的表达，促进UPR和抑制凋亡，对心血管具有保护作用[41]。在大鼠脊髓损伤模型中，通过双荧光素酶报告基因检测结果表明，miR-211-5p直接调控ATF6可有效减轻大鼠脊髓损伤后神经元凋亡和炎症反应，从而减轻内质网应激[42]。总之，虽然参与ATF6通路的miRNAs表现出双向调控作用，但相比其余2条通路，ATF6通路不具广泛的下游信号因子，且在疾病表达谱中尚未有明确抑制剂用于临床治疗，因此仍需进一步研究。

3 内质网应激对miRNAs的调控作用。

miRNAs通过转录后作用可调节内质网应激相关靶基因的表达。反之，内质网应激信号通路也可调控miRNAs的转录水平。NF-κB作为PERK下游分子，可参与内质网应激诱导miR-30c-2-3p表达的调控，且miR-30c-2-3p可负调控XBP1mRNA表达[43]。内质网应激激活的转录因子XBP1，通过诱导抗原肽转运蛋白1(the human antigen peptide transporter1，TAP1)mRNA来调控免疫调节基因miRNA-346表达；在促凋亡上，PERK依赖的C-EBP同源蛋白/生长停滞及DNA损伤诱导基因153(CHOP/ growth arrest-and DNA damage-inducible gene 153，GADD153)转录因子可直接调控miR-216b的表达，促进细胞凋亡[44-45]。PERK下游转录因子ATF4可诱导miR-483的表达，并通过介导肌酸激酶脑型(creatine kinase, BB form，CKB)基因沉默破坏细胞ATP稳态，二者引起内质网应激过度激活至细胞凋亡[2]。内质网应激过程中，miR-29a以ATF4依赖的方式被强有力地诱导，进而增强了神经元对ERS诱导的凋亡的敏感性[46]。Shimizu等[47]在制作的心血管特异性PERK基因敲除小鼠模型研究中，对接受或不接受西地那非(sildenafil)治疗的衰竭心脏进行转录分析发现，PERK下游信号通路eIF2的下调和NRF2信号通路的上调可抑制miRNAs，改善心力衰竭线粒体功能障碍。ATF6-miRNA信号通路中，ATF6的激活下调了miR-455的表达，并通过分子伴侣的作用在一定程度上缓解了ERS，同时增强了钙网蛋白的表达，可能有助于ATF6对心血管发挥保护作用[48]。这表明，内质网应激可通过ATF6介导miRNAs调控基因表达。IRE1α-miRNA信号通路中，IRE1α调控miRNAs的表达可通过RIDD通路在pre-miRNA水平上发生，与XBP1的激活无关。例如，IRE1通过RIDD机制可抑制miR-3607降解，进而控制侵袭性腔内乳腺癌细胞中RAB3B(RAS癌基因家族成员)基因的表达；糖尿病创面愈合中，IRE1α通过抑制pre-miRNA可调控促血管生成因子血管生成素1(pro-angiogenic factor angiopoietin 1，ANGPT1)蛋白质的表达，促进糖尿病骨髓基质干细胞(bone marrow stromal cells，BMSCS)的血管生成[49,29]，Ma等[50]研究表明，IRE1α通过下调miR30a-5p的表达，促进了传染性肠胃炎病毒(transmissible gastroenteritis virus，TGEV)感染。并强调了IRE1α在先天抗病毒抗性中的关键作用，以及IRE1α作为抗冠状病毒感染的新靶点的潜力。因此，IRE1α在某些疾病中以调控miRNAs的表达为基础，可能成为疾病的治疗靶点。内质网应激除通过信号通路调控miRNAs的表达外，也可通过一些靶点来诱导miRNAs，例如乳腺癌细胞中，Yao等[51]发现，内质网应激提高了乳腺癌细胞来源外泌体miR-27a-3p的表达，其上调了巨噬细胞中程序性细胞死亡配体1(programmed cell death-Ligand 1，PD-L1)的表达，并通过激活磷酸酶和紧张素同源物/AKT/磷脂酰肌醇-3-羟激酶(phosphatase and tensin homolog，PTEN/AKT/phosphatidylinositol 3-hydroxy kinase，PI3K)通路促进乳腺癌细胞发生免疫逃避。在黑色素瘤中，Grzywa等[52]研究了维莫非尼(vemurafenib)的一种新机制，即维莫非尼通过内质网应激上调miR-410-3p的表达，增加了黑色素瘤细胞对维莫非尼的耐药性，这可能有助于其表型向治疗耐药表型转变。综上所述，在诱导细胞凋亡和增殖等过程中，内质网应激对miRNAs也有一定的调控作用，但其研究不如前者深入，且在疾病的表达谱中也不够完善，其是通过降低mRNA或miRNAs的稳定性来间接实现调控机制的。

4 问题与展望

miRNAs在内质网应激信号通路中发挥重要的作用，也可直接受到内质网应激信号通路的调控。了解miRNAs与内质网应激信号通路相互调控的机制，有利于从分子生物学水平理解ERS介导miRNAs参与各种生理、病理过程的机制基础，以及其在疾病中作为潜在治疗靶点的可行性。然而，miRNAs与内质网应激相关信号通路的调控机制仍处于探索阶段，尤其是现有的研究多侧重于miRNAs对ERS的调控，而针对内质网应激也可间接调节miRNAs的表达还未得到广泛提及，因此，未来应着重于疾病中内质网应激相关miRNAs的标志物检测和治疗靶点的研究。