miR-181基因家族在临床常见疾病中的研究进展*

王春芳 综述,柴 富 审校

右江民族医学院附属医院检验科,广西百色 533000

微小RNA(miRNA)是一类长约22个核苷酸的内源性非编码小RNA分子,通过与目的基因信使RNA(mRNA)的3′非翻译区(3′UTR)不完全互补配对结合,导致靶mRNA发生降解或沉默,从而在转录后水平参与靶基因表达的调控[1]。miR-181具有丰富的生物学功能,参与心脏、肺、骨骼肌和免疫系统的正常生长发育[2-3],其表达异常时可与多种人类疾病的发生、发展相关,在心血管、免疫系统疾病的发生中扮演着重要的角色,但具体机制仍有待进一步研究[4-6]。现将miR-181在系统性红斑狼疮(SLE)、白血病、脑卒中、肝癌、肺癌等疾病中的表达调控作用及具体机制进行综述,以期为临床治疗和预后评估提供新的方向。

1 miR-181基因家族的基因结构

miR-181基因家族由miR-181a、miR-181b、miR-181c和miR-181d组成,表达出8个成熟序列,分别是miR-181a-3p、miR-181a-2-3p、miR-181a-5p、miR-181b-3p、miR-181c-3p、miR-181b-5p、miR-181c-5p和miR-181d-5p,其中miR-181c的成熟体有22个核苷酸,miR-181a、miR-181b 和miR-181d的成熟体有23个核苷酸。虽然miR-181a1、miR-181a2、miR-181b1 与 miR-181b2前体结构不同,但成熟体序列却是一致的。miR-181所有成员含有共同的5′端“种子”序列ACAUUCA,造就它们成为在进化过程中基因组结构非常保守的关键序列,且常成簇地排列在染色体上,使其碱基序列相差甚微,功能相近,因此会协同表达及发挥功能[7]。

2 miR-181基因家族的生物学作用

miR-181基因家族是免疫系统调节的重要调控因子,可调控T细胞和B细胞的增殖、分化、免疫应答、免疫耐受等生理、病理过程[8-9]。大量研究表明,miR-181在多种疾病的病理、生理中发挥调控作用,其中包括炎症反应、自身免疫及细胞的增殖分化[8-10]。miR-181a为miR-181家族重要成员,可表达于人体组织细胞中。有研究表明,miR-181a在胸腺T细胞发育和外周T细胞激活期间可以调节T细胞激活阈值,并且与老年人的抗病毒和疫苗反应密切相关[10]。miR-181a和miR-181b (miR-181a/b)位于1号和9号染色体上,miR-181a/b的调控机制复杂,与不同的靶基因直接相关,有研究表明,miR-181a/b在肺癌患者的肿瘤组织和血浆中存在异常表达[11]。miR-181c、miR-181d 2个miR-181家族成员也能参与免疫炎症反应的发生。其中,miR-181c靶向结合炎症因子白细胞介素(IL)-2的3′UTR,从而抑制CD4+T细胞的激活,参与免疫炎症反应[12]。目前,miRNA在肿瘤的研究中有了很大进展,有研究表明,miR-181a在肝癌和乳腺癌的肿瘤组织中表达异常,同时还调控了肿瘤细胞的凋亡、侵袭、增殖和分化,并参与了Wnt/β-连环蛋白和转化生长因子(TGF)-β信号通路的调控[13]。有研究发现,上调miR-181b可通过靶向结合炎症细胞因子CXCL1和CXCL2来抑制乳腺癌细胞的迁移[14],也可通过靶向结合Sox6来抑制肺癌细胞的增殖和分化[15]。以上研究表明,miR-181家族在疾病的发生、发展中发挥着重要的作用。

3 miR-181基因家族与疾病的相关性

3.1miR-181与SLE 多种miRNA目前被证实与SLE的发生、发展密切相关[16-18],miR-181在其发病过程中扮演重要角色。SLE是一种多器官受累、临床异质性明显、免疫耐受失调的自身免疫性疾病,自身抗体的产生及免疫复合物的不同脏器累积是其标志性特征,其中狼疮性肾炎(LN)是最常见的并发症。SLE在西方国家、日本的发病率和病死率有下降趋势,但在我国的形势依然严峻。有研究发现,miR-181a在调节T细胞和B细胞分化及免疫应答中起着关键作用,并在SLE患者血清中存在差异表达[19]。ALEXANDER等[20]研究显示,miR-181a通过靶向调控IL-8、IL-1α、IL-1β、IL-6等免疫炎症因子的表达参与SLE的病理进程。有研究表明,在缺血/再灌注(I/R)暴露的肾脏中miR-181d-5p的表达下调,可以改善肾脏功能,减少细胞凋亡和炎症反应[21],然而有关miR-181d在SLE的发生、发展中的作用机制仍未被充分研究。上述研究表明,miR-181可能成为评估SLE病情发展的关键性标志物。

3.2miR-181与白血病 白血病是一种造血系统的恶性肿瘤,由于发病机制复杂,导致治疗难度较大。有充分的证据表明,miRNA在白血病患者中异常表达,参与了疾病的发生、发展[22]。目前,临床药物治疗白血病不良反应明显,很多患者都存在耐药现象,所以急需发现白血病新的潜在作用机制,寻求新的治疗方式。VERMA等[23]研究表明,miR-181家族成员与IL-1β、Toll样受体(TLR)介导的白血病TCL1原癌基因及免疫相关基因表达呈负相关,miR-181a的表达水平在M1/M2型患者较M3/M4型患者细胞中明显升高。有研究发现,miR-181b表达水平在慢性淋巴细胞白血病(CLL)患者体内表达下调,这可能与CLL患者预后不良相关[24]。多年来,化学免疫疗法氟达拉滨-环磷酰胺-利妥昔单抗(FCR)是一线治疗症状性B-CLL患者的金标准,有研究发现,血液miR-181c是FCR疗效的有效预测生物标志物[25]。此外,ZHU等[26]研究表明,miR-181a/b在慢性粒细胞白血病(CML)中表达下调,且其下调与不良预后有关。体外动物研究发现,miR-181a/b可以调控靶基因BCL-2、MCL-1和XIAP,同时BCL-2、MCL-1和XIAP的表达下调与白血病细胞对化疗药物的耐药有关,提示miR-181a/b与白血病细胞对化疗药物的耐药密切相关。有研究发现,miR-181d在CML中呈过表达,通过靶向结合组蛋白去甲基化酶(RBP2)促进白血病细胞增殖[27]。以上研究表明,miR-181家族参与了白血病的多个生物学过程,可以在疾病的诊断和治疗中发挥重要作用,有望成为白血病的预后评估指标。

3.3miR-181与脑缺血损伤 脑卒中是一种严重威胁人类健康的脑血管疾病,由于该疾病的发病因素较多,发病率高,预后差,早期预防成为疾病治疗的关键。目前,研究已经发现miR-181基因家族可通过调控NF-κB信号通路参与炎症反应,而炎症反应是脑卒中的重要并发症,可见miR-181与脑卒中的病理进程密切相关。目前研究发现,能量衰竭、兴奋性氨基酸细胞毒性作用、氧化应激、免疫反应、凋亡是缺血性脑卒中主要的发病机制,其缺血性炎症反应过程可能通过激活TLR来发挥炎症作用。研究发现,miR-181c通过其3′UTR末端负向调控TLR4信号的表达,抑制NF-κB的激活,进一步抑制炎症因子TNF-α、IL-1α和IL-1β的表达。miR-181c可减少神经胶质细胞释放TNF-α,进而也减少了神经细胞的凋亡[28];miR-181a可通过直接下调单核细胞和巨噬细胞释放的IL-1α,从而达到抗感染作用,miR-181a从整体上能引起星状胶质细胞功能障碍。上述研究表明,miR-181家族分子在脑卒中发展过程中发挥着重要的作用。有趣的是,目前鲜有miR-181d与脑卒中的相关报道,可以作为研究的新方向。但是一种miRNA往往存在多个作用靶点,盲目地选用miRNA反而会不利于疾病的治疗,所以临床要依据miRNA的功能基础实施治疗。

3.4miR-181与肝癌 肝癌是我国最常见的实性肿瘤,分为原发性肝癌和继发性肝癌两大类,原发性肝癌是我国常见的恶性肿瘤之一,高发于东南沿海及广西地区。最新研究表明,肝细胞癌可以释放大量的miRNA,miRNA可以直接或间接地通过靶向有关蛋白来参与肿瘤调控,同时miRNA可以改变肿瘤的微环境。研究发现,miR-181基因家族miR-181a、miR-181b、miR-181c和miR-181d在肝细胞癌中的表达均明显上调,并且通过直接靶向调控细胞分化相关的转录因子CDX2、GATA6及Wnt信号通路抑制因子NLK的表达,达到维持肝癌细胞的特性[8],提示miR-181有望成为治疗肝癌的分子靶标与生物标志物。ZHAO等[29]研究证实,高转移性结直肠癌细胞释放的富含miR-181a-5p的细胞外囊泡通过激活肝星状细胞和重塑肿瘤微环境促进肝转移,为肝转移机制提供新的见解。WANG等[30]研究发现,miR-181b和miR-181d高表达于被喂食无胆碱与限定氨基酸诱发的肝癌小鼠肝组织中,调控金属蛋白酶组织抑制因子-3(癌症抑制因子)的表达明显降低,同时发现miR-181b在肝癌细胞中呈高表达,其表达水平受到TGF-β的调控,但是其作用机制尚未明确。WEI等[31]研究发现,肝癌细胞来源的外泌体通过miR-181d-5p的传递和SOCS3/FAK/Src通路在骨髓间质干细胞分化和肝癌转移中发挥作用。上述研究提示,miR-181在肝癌的发生、发展过程中扮演重要的促癌基因角色。

3.5miR-181与肺癌 肺癌是全球发病率最高的癌症,大多数患者为非小细胞肺癌(NSCLC)。肺癌的治疗仍存在很多困难,如患者后期易出现多重耐药和癌细胞的转移。有研究指出,miRNA可以作为肺癌诊断和预后的重要标志物,其中miR-181与肺癌调控作用密切相关。CHEN等[32]通过微阵列表达谱检测筛选发现15种miRNA在耐放疗NSCLC患者及非耐放疗NSCLC患者肺癌组织中存在明显差异,且发现miR-181a的靶基因在磷脂酰肌醇3-羟基激酶(PI3K)/蛋白激酶B (AKT)信号通路、NSCLC信号通路等癌症信号通路中明显富集,靶向结合会对NSCLC的放射敏感性产生影响。有研究表明,小细胞肺癌(SCLC)患者体内miR-181d的表达水平升高,可以靶向结合BCL-2,抑制肿瘤细胞的增殖[33]。ZHU等[34]进行了人肺癌细胞多药耐药性研究,发现与亲本细胞比较,耐药细胞株中miR-181b 的表达水平明显下调,且通过外源性转染过表达miR-181b,使耐药细胞可恢复相应药物敏感性,此外,miR-181b主要通过对Bcl-2的调控而发挥作用。疾病的早期诊断至关重要,目前miRNA可以对多种疾病患者进行生存预测,起到辅助治疗的作用,但miR-181在肺癌组织中的作用机制及靶标调控仍有待进一步研究。

3.6miR-181与妊娠期高血压疾病(HDCP) HDCP是一种产科常见的综合征,是临床上发病率较高的多器官受累性疾病,由于缺乏有效的预防及治疗手段,HDCP严重危害着孕妇及胎儿的健康。HDCP以高血压、蛋白尿、免疫系统失调为主要的临床特征。由于miRNA在血液中表达水平较高且容易获得,所以血液中差异表达的miRNA有望成为HDCP诊断的标志物。有研究发现,miR-181b可能在HDCP诱导的心脏病中起到保护心肌的作用,有望成为新的标志物[35]。研究指出,miR-181b在HDCP患者胎盘中高表达,主要作用机制是miR-181b的3′UTR末端能与纤溶酶原激活物抑制剂1(PAI-1) mRNA结合并调控PAI-1的表达,PAI-1在血管内皮细胞及血管平滑肌细胞上表达丰富,在血管平滑肌细胞的肥大、增殖、重塑中发挥至关重要的作用,表明miR-181b通过影响血管重塑可提高胎盘细胞的侵袭力,在HDCP的发生、发展中起重要作用[36]。有研究显示,miR-181a在孕妇体内表达水平升高,尤其在子痫前期孕妇体内表达水平升高更明显,可见miR-181a的异常表达在HDCP的发生、发展中具有重要的参考意义。

3.7miR-181与其他疾病 很多前瞻性研究报道了miR-181家族成员可能与心脑血管疾病、炎症反应、肿瘤、病毒感染和神经系统疾病密切相关。JIN等[37]研究发现,miR-181a-2-3p在预测胃癌患者顺铂治疗获益方面有着重要的价值,靶向下调miR-181a-2-3p可抑制肿瘤生长,抑制顺铂介导的耐药。此外,顺铂联合miR-181a-2-3p下调可能是未来顺铂耐药胃癌患者的一种有前途的治疗选择。有研究发现,在人表皮生长因子受体2 (HER2)阳性乳腺癌中观察到高去甲基化酶(FTO)表达,则提示着乳腺癌晚期进展,通过FTO/miR-181b-3p/ARL5B信号通路促进乳腺癌细胞的侵袭和迁移的致癌活性[38]。LI等[39]报道表明,GSKIP基因是miR-181c-5p在宫颈鳞状细胞癌(SCC)中的靶基因,而GSKIP是Wnt/β-catenin信号的激活剂,通过负向调节β-catenin抑制剂GSK3β,miR-181c-5p通过抑制GSKIP的表达来减弱SiHa细胞的干细胞特性。miR-181d是一种对肿瘤具有调控作用的microRNA,有研究发现miR-181d可以通过调节胞内PI3K/AKT途径抑制胃癌细胞的增殖和转移[40]。以上研究均表明miR-18的表达与多种疾病相关。

4 展 望

miRNA作为一类内源性非蛋白编码基因,通过与目的基因mRNA的3′UTR不完全互补配对结合,从而精准地调控靶蛋白编码基因的表达水平,已成为后基因组时代医学及生物学领域的研究热点之一。尽管miR-181在调控肿瘤、免疫系统及心血管等疾病发生、发展方面的研究已取得一定的进展,其主要研究着重于miR-181的表达调控作用,但miR-181如何导致其靶mRNAs抑制或沉默的机制仍未阐明,因此,有必要进行miR-181对特定靶基因具体调控机制的研究。另外,miR-181家族成员在相关疾病的动物模型或人体中发生了异常变化,但是其在人类疾病中的具体作用尚无确切的定论。然而,随着分子遗传学、分子生物学、人类基因组学研究的逐步深入,发现miR-181家族在肝细胞癌、口腔鳞状细胞癌、胶质瘤、SLE等疾病的病理进程中扮演着重要的角色,有望成为一类新的生物标志物或治疗靶标,为临床诊断和治疗及预后提供有利的方向。