miR-155/HIF-1α/p53对骨髓增生异常综合征调控机制的研究

薛婷婷 陶雨晨 徐 皓 胡可心 王艳璐 陆嘉惠

骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes,MDS)是一组具有高度异质性的髓系恶性克隆性肿瘤,其特征是造血功能低下和发展为急性髓性白血病 (acute myeloid leukemia,AML),表现为造血细胞形态发育不良和外周血细胞减少[1]。MDS的多发年龄段为老年群体,它是由肿瘤性骨髓细胞中的结构染色体改变和体细胞突变驱动的[2]。复杂组合的基因突变是MDS发病机制的核心,例如SF3B1、SRSF2、TET2、DNMT3A、RUNX1 和TP53这些基因突变会影响RNA 剪接、DNA 甲基化、基因表达的转录调控以及 DNA修复等,从而导致异质的临床表型和结果[3]。对于MDS患者的治疗,低危患者的治疗原则主要集中在改善外周血细胞减少和生活质量,而高危患者的治疗目标是预防疾病进展和提高生存率。目前临床上的常用药物有促红细胞生成素、来那度胺、免疫抑制剂、去甲基化药物等,造血干细胞移植仍然是MDS患者唯一可能痊愈的治疗方式。除此之外,缺氧诱导因子稳定剂罗沙司他、端粒酶抑制剂伊美司他、口服去甲基化药物、TP53 调节剂等药物也将用于MDS的治疗。

一、缺氧是MDS疾病发生、发展过程中的重要因素

氧气参与生物与细胞的新陈代谢,几乎是一切生命活动的物质基础。在哺乳动物中,对缺氧应激的转录反应主要是由缺氧诱导因子 (hypoxia inducible factor,HIF) 介导的。HIF是由一个对氧敏感的α 亚基和对氧不敏感β 亚基组成的异二聚体,其中α 亚基中包含3个组分,分别为HIF-1α、HIF-2α 和 HIF-3α。HIF-1α 是 HIF组成中特征最为明确的,在所有细胞中普遍表达,已有很多科学研究是在其基础上进行。而 HIF-2α和 HIF-3α在某些组织中选择性表达,HIF-3α作为多个剪接变体存在,其中一些会抑制 HIF-1α和HIF-2α活性[4,5]。HIF-1α的降解激活机制是,在常氧条件下,脯氨酰羟化酶(prolyl hydroxylase,PHD)使HIF-1α亚基发生羟基化,然后肿瘤抑制因子 VHL (von hippel lindau)的 E3 连接酶可以识别羟基化的亚基,并通过蛋白酶体途径诱导HIF-1α降解,而在缺氧条件下,PHD 由于缺乏其共底物氧气使得活性受到抑制,这使HIF-1α可以稳定移位到细胞核中与HIF-β结合,形成具有活性的HIF转录复合物,从而进一步激活下游信号通路[6]。

HIF作为主要的缺氧转录激活因子,可以调控细胞基因的表达来适应体内的缺氧环境。它可以调节骨髓中的血管生成,白血病细胞的代谢、增殖和扩散从而促进肿瘤的发生和进展[7]。并且在血液系统恶性肿瘤的发展过程中,缺氧和血管再生是两个普遍存在的反应状态,两者之间密切联系,恶性造血细胞的快速增殖会消耗大量的氧气,造成骨髓中的缺氧环境,继而引起骨髓微环境中血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的过度表达,从而使得骨髓中的血管化和血管通透性增加,这一系列反应过程可以对MDS的整个病程产生影响。也有研究表明,在骨髓间充质基质细胞中,缺氧环境通过促进VEGF的过表达可以改善细胞增殖和血管生成[8～10]。除了与血管再生的联系之外,缺氧还可以通过作用于促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)来影响MDS的进展。贫血是MDS的主要症状,而EPO是造血的主要调节因子。对于EPO在MDS发病中作用机制的研究也早已开展,结果表明它的异常产生会助长MDS的无效造血功能。除此之外,也有研究证明,血清 EPO 可作为原发性 MDS 患者独立预后因素的一项重要指标[11]。而EPO 的产生可以由缺氧来激活,并且通过对氧敏感的反馈回路可以调节它在机体内的表达[12]。

二、HIF-1α可以在缺氧条件下激活p53,诱导细胞凋亡

p53/TP53作为一种重要的肿瘤抑制因子,在细胞的应激反应中起着核心作用。它可以转录调控多种蛋白基因来参与体内的生物学反应过程,包括DNA损伤修复、细胞周期阻滞、凋亡以及衰老[13]。在MDS患者中,TP53突变与MDS低危向高危的转化、MDS 向 AML的转变、常规疗法的耐药性以及预后情况密切相关[14]。在一项MDS的相关研究中, APR是 PRIMA-1 的甲基化衍生物,它可以通过恢复突变的p53,使其反式激活来促使肿瘤细胞凋亡。并且研究数据表明,低剂量的 APR 与5-阿扎胞苷联合应用可重新激活p53并诱导细胞凋亡程序,且其抑制作用在TP53 突变的 MDS 衍生的 SKM-1 细胞系中更为明显[15]。除此之外,p53 是造血干细胞功能的核心,除了参与造血过程之外,p53还可降低细胞内活性氧水平,从而有助于造血干细胞的稳态和遗传稳定性。p53发生畸变的造血干细胞在遗传毒性应激期间会不断扩张,最终取代正常的造血功能[16]。此外,在MDS 中,TP53突变状态与 del(5q) 综合征密切相关,这会造成染色体不稳定和疾病的克隆进化,而在MDS 频繁突变的一组基因中, TP53的改变有助于具有特殊生物学和临床方面的患者亚组的确定。此外,TP53等位基因状态对 MDS 患者基因组的稳定性、预后和临床表现具有多重影响[17]。

HIF-1α和p53之间存在密切且复杂的作用关系,它们在调节缺氧诱导的细胞变化中发挥着重要作用,在缺氧状态下,它们必须竞争有限的转录共激活因子 p300 才能获得转录活性。而HIF-1α对p53的作用调节机制可以是直接的也可以是间接的。HIF-1α可以直接与p53结合发挥调节作用,例如在一项研究中表明,p53 启动子上的 HRE3 区域可以作为 HIF-1α 结合位点,HIF-1α-HRE3 的结合急剧激活了p53 的转录水平,上调的p53抑制了细胞周期的进程,从而导致 G2/M期细胞的积累[18]。也有研究发现,p53 突变体可以与HIF-1α 形成复合物来对促癌基因的转录表达进行调节控制,从而影响肿瘤的进程[19]。HIF-1α对p53的间接调控机制比较复杂,HIF-1α可以在不同缺氧程度下激活p53,完全激活的 p53 可以通过诱导下游靶基因Bax 来触发细胞凋亡。具体的调节机制是HIF-1α可以通过直接或间接靶向MDM2来完成,也可以通过靶向MDM4及其他E3连接酶来诱导p53。并且随着细胞类型的不同,缺氧对 p53 表达水平和转录活性的诱导也具有相应的特异性,像在前列腺癌中HIF-1α对p53可能起激活作用,而在乳腺癌中HIF-1α是抑制p53的表达[20]。在MDS的相关实验中表明,复方砷剂可以下调HIF-1α的表达,并且上调p53的表达,这提示了在MDS中HIF-1α可能对p53起抑制作用[21]。

三、miR-155对HIF-1α的调节可能是治疗MDS的潜在靶点

microRNA(miRNA) 是一类小的成熟非编码 RNA,可使基因发生沉默来调节基因的表达。miRNA在细胞发育、细胞分化、细胞增殖和细胞凋亡等生物学过程中发挥重要作用,其介导的基因沉默是多种疾病基因表达调控的重要组成部分,而且miRNA 的表达谱与癌症检测、分期、进展和对治疗的反应息息相关[22, 23]。miR-155 是第1个在癌症中显示增加的 miRNA,在实体瘤和血液系统恶性肿瘤中经常过度表达,它的高表达水平与大多数癌症的肿瘤亚型、临床病理标志物和低生存率有关。miR-155可以直接靶向抑制体内的多种基因,像SHIP1、WEE1、VHL、PU.1、TP53INP1、Bcl-2和SOX 家族等,从而参与了免疫反应、DNA损伤反应、缺氧、炎症等细胞功能的表达。此外,miR-155介导的信号通路已成为癌症分子治疗的潜在靶点[24]。

miR-155 是血液恶性肿瘤中最常过表达的 miRNA 之一,在造血系统中发挥着重要作用,在正常造血干细胞和祖细胞中,miR-155会呈现高表达水平,而在成熟造血细胞中表达水平变低。miRNA-155可以阻断多个谱系的造血分化,并且对正常的骨髓生成和红细胞的生成起负向调控的作用[25]。除此之外, miR-155也可能是评估血液系统恶性肿瘤患者诊断、治疗和预后的重要指标。在MDS中,通过微阵列分析与PCR验证,MDS患者中的miR-155-5p表达显著升高[26]。并且对于MDS患者而言,原始骨髓腔内 miR-155 的失调可能使造血干细胞的自我更新功能发生异常并且会使其进展为 AML的风险变大。数据研究表明,miR-155 的表达水平不仅可以区分高危和低危型 MDS,而且还与 MDS 患者中较短的总生存期和转化为 AML 的风险显著相关。除此之外,相对较高的miR-155表达还具有不良的预后意义[27]。

miR-155可以抑制体内HIF-1α的转录激活。它可以直接靶向调节HIF-1α来发挥作用,有研究发现,外源应用成熟的 miR-155可以降低缺氧状态下HIF的表达活性,并且通过增加抗 miR-155 的共同处理可以逆转活性的表达。在进行外源性 miRNA-155 转染后,常氧细胞中 HIF-1α mRNA的表达水平显示出了轻度但明显的降低,并且会抑制HIF-1α蛋白水平的表达。此外,增加 miR-155 的浓度会以剂量反应的方式特异性地降低 HIF-1α mRNA 和蛋白质的表达水平。这些数据表明miR-155 可以减少体内的 HIF 信号,并且这种改变主要在 HIF-1α层面发挥作用[28]。除此之外,miR-155也可以间接调控HIF-1α的表达,研究发现,肿瘤抑制因子VHL是miR-155另一直接靶向因子,miRNA-155可以下调VHL的表达,而VHL 作为 HIF-1α 和 HIF-2α的 E3 连接酶,使得这一下调对HIF-1α的活性产生影响。黄天丰等[29]研究证明,经药物处理后,急性肺损伤模型小鼠中miR-155的表达降低,并且HIF-1α的表达增加,提示药物减轻急性肺损伤的机制可能是通过miR-155对HIF-1α的的负性调控来发挥作用的。

四、展 望

在实体瘤中,HIF-1α引起的缺氧激活反应已经被认为是推动肿瘤进展的关键环境因素,后续实验也相继证明了其在血液系统恶性肿瘤也有着重要影响。HIF-1α作为缺氧转录因子,在 MDS 患者中显示出高度激活,通过调控骨髓中的造血干细胞和血管再生,对骨髓微环境产生影响,使造血系统发生异常改变,从而促进MDS的进程和发展。p53和miR-155也可以通过各种生物反应过程影响了骨髓的正常造血功能,从而在MDS的整个病程中发挥作用。而HIF-1α可以受到miR-155直接或间接的靶向作用,然后根据环境的不同调节性的激活p53,从而激发更多的细胞功能,这一系列的调节可能会对MDS的发展产生重要影响。因此,基于上述研究进展,提出如下科学假说:通过对miR-155/HIF-1α/p53这一反应机制的调控,可以影响MDS的发生和发展。并且深入探索该调控机制对了解 MDS 的发病机制和促进新的治疗和预防策略具有重要意义,这也为之后的研究提供了明确的思路。