OncomirsmicroRNAs with a role in cancer 翻译稿.docx

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OncomirsmicroRNAswitharoleincancer翻译稿

Oncomirs—microRNAswitharoleincancer.

摘要：

MicroRNAs（miRNAs）是一类分布广泛的小的非编码蛋白质的RNAs，其功能是负调控基因表达。

它们调节了多种生物学信号通路，生物信息学数据显示，每个miRNA可以调节数百个靶基因，这也表明miRNAs可能影响所有的信号途径。

最近的证据表明，miRNA突变或者异位表达与多种人类癌症相关，miRNAs可以起到肿瘤抑制基因或者癌基因的功能。

研究表明miRNAs可以抑制重要的肿瘤相关基因的表达，可能在癌症的诊断和治疗中起重要作用。

肿瘤是由于细胞不受控制的增殖，受到损伤的细胞不能正常死亡引起的。

细胞有几种保护措施，保证在发育过程中和成体中的细胞通过一种协调的机制，进行正常的分裂，分化，和死亡。

多种调控因子通过基因表达的开关，调节细胞分裂和分化。

在肿瘤，被称为肿瘤抑制基因和癌基因表达失调。

大多数肿瘤抑制基因和癌基因都是从DNA转录成RNA，然后翻译成蛋白质，行使其生物学功能。

最近的证据表明，非编码蛋白的RNA分子，被称为microRNAs（miRNAs），也可以起到肿瘤抑制基因和癌基因的作用。

我们正在开始了解这种新颖的基因调节机制如何参与肿瘤相关过程。

在最近发现的数百种miRNAs中，仅有一小部分从线虫、果蝇和人基因组来源的miRNAs得到了较为清楚地研究。

它们控制了细胞的生长、分化和凋亡，因此，这些miRNAs表达的失调与肿瘤发生有关。

持续对miRNA功能的研究，可以促进人们对肿瘤发生的具体机制的理解。

在本综述中，我们讨论了“oncomirs”与癌症相关的miRNAs-领域的兴起,以及如何利用这些miRNAs对肿瘤进行诊断和治疗。

miRNAs是一大类基因表达调控因子

miRNAs是由约22个核苷酸组成的非编码的单链RNAs，这是一类在动植物中新发现的基因表达调控因子。

它们通过依赖于miRNA和靶基因的互补性的两种不同的机制反向调控靶基因的表达。

当miRNAs和编码蛋白质的mRNA几乎完全配对时，miRNAs诱导RNA介导（RNAi）的干扰途径。

简而言之，mRNA转录本在miRNA关联的多蛋白RNA介导的沉默复合体（miRISC）中被核酸酶剪切，导致靶mRNA的降解。

这种miRNA介导的基因沉默机制在植物中比较普遍，但在哺乳动物中也有发现。

然而，绝大多数哺乳动物中的miRNAs并不导致靶mRNA的降解，而是通过另外一种机制进行基因表达调控的。

这些miRNAs通过不完全的碱基配对和mRNA的3`非翻译区（UTRs）,在一个类似于或者可能是等同于RNA干扰途径中使用的RISC复合物中，在转录后水平上抑制基因翻译。

与抑制翻译一致的是，通过这种机制控制翻译的miRNAs仅降低其靶基因的蛋白质表达水平，但其mRNA水平几乎没有受到什么影响。

然而，最近的一些发现表明，miRNAs与它们的靶基因只有部分互补的情形也会导致mRNA的降解，但是目前还不清楚，翻译抑制是否发生在mRNA的降解之前。

miRNAs的生物合成最近才得到了比较详细的阐明。

miRNAs，通常是由RNA聚合酶II（PolII）转录的，最初产物是被称为pri-miRNA的大的前体分子。

pri-miRNAs在细胞核内被RNaseIIIDrosha和双链RNA结合蛋白Pasha处理成约70个核苷酸组成的pre-miRNA，这种分子为一个不完全的茎环结构。

RAN和GTP依赖的exportin5将这种前体分子输送到细胞质中。

茎环结构随后被另一个RNaseIIIDicer处理，剪切产生约22个核苷酸长度的miRNA：

miRNA*双链。

然后这种双链很快被整合到miRISC复合体中。

成熟的miRNA保留在具有功能的复合物中，对靶基因表达进行反向调控。

在二十年前研究人员最初发现miRNAs时，并没有意识到这些miRNAs的重要性。

因为，第一个在线虫中发现的在其生命周期中控制时序发育的miRNAs基因lin-4被认为是线虫中独有的。

然而，通过传统的克隆方法和生物信息学手段发现在线虫、果蝇、哺乳动物中存在着数百个miRNAs，这引起了各领域科学家的重视。

据估计，在人类基因组中至少存在300个miRNAs（也有可能为1000个），约占人类基因的~1-4%，这使得其成为最大的一类基因表达调控因子。

大多数人类的miRNAs位于编码蛋白或者非编码蛋白的mRNA转录本的内含子区域。

其余的miRNAs位于基因组的转录本之间，或者在mRNA非编码的外显子区域，或者是mRNA3`非翻译区域。

此外，也有的几个miRNAs聚集在一起，成为一个miRNA基因簇，如19号染色体上的由54个miRNAs组成的一个基因簇。

通过序列同源性可以对miRNAs进行分组归类。

研究发现，成熟miRNA通常在5`端同源性较高，但是同一个miRNA家族的成员是否调控类似的生物学过程仍需要进一步研究。

很多miRNAs在线虫到人类的进化过程中是保守的，这预示着这些miRNAs在发育过程和成体中引导了基本的生物学过程。

miRNAs调节多个靶基因

目前的挑战是精确的鉴定miRNAs所调节的靶基因。

由于miRNAs和其结合位点并不是完全互补的，可以存在短的错配和G-U配对，因此，通过简单的BLAST确定其靶基因是不可能的。

但是，最近的生物信息学手段开始利用同一家族的成熟miRNAs在5`末端具有高度的同源性这一特点。

数项研究表明，miRNA的5`末端对于miRNA进入miRISC，并在其中保持稳定是非常重要的，而且，这一末端对于其生物学功能也相当关键。

因此，大多数生物信息学算法利用一个包含了成熟miRNA的2-8位的碱基序列的“miRNAseed”来搜索所有基因的3`非编码区域的互补序列。

这些研究发现一个单独的miRNA可以结合多达200个靶基因，而这些靶基因可以行使不同的功能，包括转录因子，分泌蛋白，受体，转运蛋白。

所以，miRNAs可能控制着1/3的人类基因的表达。

然而，通过”miRNAseed”搜索会错过很多靶基因，有证据表明，在2-8位核苷酸以外的变化也会影响miRNA的调节功能。

例如，整个成熟的let-7miRNA序列在线虫和人中是保守的，说明其3`端也具有生物学功能。

而且，我们实验室的突变研究发现let-7miRNA的5`端和3`端对于一个靶基因的调控都是必需的。

因此，已知的miRNA的数目可能进一步的增加，如何确定预测所得的靶基因在生物学上确实与miRNA相关也是一个难题。

研究还发现单个基因的3`非翻译区域具有几个miRNAs的结合位点，这表明miRNAs调控基因表达存在着复杂的组合模式。

由于miRNAs可能调节数个信号通路，这些小RNAs的缺失或者异常表达可能与疾病密切相关，包括肿瘤。

miRNA相关的基因和人类肿瘤

研究表明miRNA生物合成的组成部分与肿瘤发生有关。

在肺癌中发现Dicer的表达下调。

Karube等检测了67个非小细胞肺癌样品中的DICER和DROSHA的RNA表达水平。

他们发现DICER的表达量下降与术后存活期缩短相关，这表明了Dicer可能阻止肺组织的转化。

由于Dicer与异染色质的维持和中心粒沉默有关，其蛋白质水平的降低可能直接导致基因组的不稳定，从而引起肿瘤形成。

然而，Kanellopoulou等最近证实缺少Dicer的鼠胚胎干细胞尽管有异染色质不足的现象发生，但并不引起染色体的数目或者结构失常，并且注射这些缺少Dicer的胚胎干细胞到裸鼠中也不会导致肿瘤发生。

因此，Dicer在肿瘤发生中的作用可能是非直接的，可能是通过其缺失而导致了具有肿瘤抑制因子效应的miRNAs的减少起作用的。

小鼠Dicer基因的缺失研究表明这个基因在哺乳动物发育和干细胞正常分化、T细胞发育、四肢形成的重要性，这也预示着成熟的miRNAs在这些过程中起作用。

因此，肺癌和Dicer的联系表明了这个基因在肺组织分化中的作用，并且可能它可能是通过miRNAs起作用的。

图一：

miRNAs的生物合成microRNA（miRNA）基因通常是由RNA聚合酶II（PolII）转录的，一般最初产物为大的具有帽子结构（7MGpppG）和多聚腺苷酸尾巴（AAAAA）的pri-miRNA。

这些pri-miRNA在RNaseIIIDrosha和其辅助因子Pasha的作用下被处理成70个核苷酸组成的pre-miRNA前体产物。

RAN-GTP和exportin5将这种前体分子输送到细胞质中。

随后，另一个RNaseIIIDicer将其剪切产生约为22个核苷酸长度的miRNA:

miRNA*双链。

这种双链很快被引导进入（miRISC）复合体中，其中含有Argonaute蛋白，并且成熟的单链miRNA保留在这一复合物中。

成熟的miRNA结合到与其互补的mRNA的位点通过两种依赖于序列互补性的机制负调控基因表达。

与靶mRNA不完全互补的miRNA在蛋白质翻译水平上抑制其表达。

然而，最近也有证据表明，这些miRNA也有可能影响mRNA的稳定性。

使用这种机制的miRNA结合位点通常在mRNA的3`端非翻译区。

如果miRNA与靶位点完全互补（或者几乎完全互补），那么这些miRNA的结合往往引起靶mRNA的降解。

通过这种机制作用的miRNAs的结合位点通常都在mRNA的编码区或开放阅读框中。

蛋白Argonaute是短的干扰RNA（siRNA）和miRNA介导的基因调节RISC复合物的至关重要的组成部分，也与多种肿瘤有关。

3个人的Argonaute基因——AGO3（又称真核转录起始因子2亚基2（EIF2C3）），AGO1（又称EIF2C1）和AGO4（又称EIF2C4），前后排列在1号染色体（1p34-35）——在wilms肾癌中经常缺失，还与神经外胚层瘤有关。

AGO1在肺和肾的发育过程中高表达，在缺少Wilms肿瘤抑制基因WT1的肾癌中表达显著上升。

这表明，AGO1在这些组织在胚胎发生的分化过程中起重要作用。

另一个Argonaute基因，HIWI，与果蝇中piwi功能类似的基因，定位在基因组12q24.33，而这一位点与睾丸生殖细胞肿瘤有关。

这种睾丸特异表达的基因在19份睾丸精原细胞瘤的12份样品中表达上升。

这些研究表明，HIWI可能具有癌基因的活性，可能控制了生殖细胞的分裂和维持。

进一步研究这个介导miRNA加工和miRNA抑制基因表达的复合物的组成部分对于设计利用miRNAs治疗肿瘤等疾病的药物是必不可少的。

miRNAs，生长、分化和疾病

目前只有一小部分的miRNAs生物学功能得到了阐明。

这些miRNAs调节了肿瘤有关的过程如细胞生长，组织分化，所以，它们可能起到oncomirs的功能。

例如，由lin-4和let-7编码的miRNAs在线虫中控制了细胞分化和增殖的时序。

这些miRNA基因的突变导致了细胞周期和末端分化的异常，这也是肿瘤细胞的特性。

有趣的是，哺乳动物lin-4和let-7的同源基因也被发现在人细胞系中控制细胞增殖，并与多种癌症有关。

果蝇中由bantam编码的miRNA通过刺激细胞增殖和抑制细胞凋亡来诱导组织生长，这与bonafide癌基因的特性一致。

然而，在人类中，没有bantam的近似的同源基因。

另一个果蝇的miRNA，miR-14，强烈抑制细胞凋亡，也具有癌基因的重要特点。

此外，miR-14看起来还具有不相关的调节脂肪代谢和严谨反应的功能。

研究发现其他miRNAs在发育和诱导细胞分化发挥基础作用。

其中包括，miR-273和lys-6编码的miRNA，参与了线虫的神经系统发育过程；miR-430参与了斑马鱼的大脑发育；miR-181控制哺乳动物血细胞分化为B细胞；miR-375调节哺乳动物胰岛细胞发育和胰岛素分泌；miR-143在脂肪细胞分化起作用；miR-196参与了哺乳动物四肢形成，miR-1基因与心脏发育有关。

对于新的miRNA基因的分析，可能揭示其他参与器官形成、胚胎发育和生长的调节因子，促进对癌症等人类疾病机制的研究。

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与癌症有关的miRNA

miRNA表达与多种癌症相关，并且这些基因可能起到肿瘤抑制基因或是癌基因作用。

最近的研究发现，大约50%的得到注解的miRNAs在基因组上定位于与肿瘤相关的脆性位点（fragilesite）。

这说明miRNAs在肿瘤发生过程中起了至关重要的作用。

例如，mir-125b-1，线虫lin-4的同源基因，在染色体的11q24脆性位点，在很多乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宫癌病人中有缺失。

Sonoki等报道这一基因也和白血病相关，有一例前体B细胞急性淋巴型白血病人在免疫球蛋白重链位点有这一基因的插入突变。

尽管研究人员未能测定这一基因表达的改变，但是这一研究支持了这一基因的oncomir功能假设。

Calin等人首先发现miRNAs可以起到肿瘤抑制基因作用。

他们研究发现，患有一种成年型B细胞慢性淋巴型白血病（CLL）病人常有mir-15a和mir-16-1基因簇的缺失或是表达下调。

65%的CLL病人，50%的套细胞淋巴瘤病人，16-40%的骨髓瘤病人、60-%的前列腺癌病人中有13q14位点的缺失。

因此，在这个30Kb的区域中必定有一个肿瘤抑制基因的存在。

有趣的是，mir-15a和mir-16-1位于一个功能未知的被称为LEU2的非编码蛋白的RNA基因的内含子区域。

临床研究早就发现，13q14位点缺失的CLL病人预后要好于染色体异常或是11q23或是17p13位点缺失的病人。

这可能是由于mir-15a和mir-16-1的同源基因（mir-15b和mir-16-2）存在于3号染色体上。

而这两个基因在CLL病人有低水平的表达，因此，13q14位点的缺失并没有造成这一家族的miRNA的完全消除

Climmino等最近报道，miR-15a和miR-16-1负调控BCL2，这是一个抗凋亡基因，在多种肿瘤中过量表达，包括白血病和淋巴瘤。

因此，这两个miRNAs的缺失或下调，导致了BCL2表达的升高，促进了白血病和淋巴瘤的发生。

研究还发现，两个CLL病人存在miR-16-1前体的下游7个碱基中有一个C突变为T，这种突变导致miR-16-1表达水平下降，这进一步证明了其肿瘤抑制基因的作用。

尽管对于miR-15a和miR-16-1生物学功能的进一步研究还未完成，证据显示，miR-16-1表达水平的下降多发现在各种白血病中，而在其他组织来源的肿瘤中并不多见。

这说明这个miRNA在免疫系统和B细胞分化中的作用。

图二：

MicroRNAs可以起到肿瘤抑制基因和癌基因的作用在正常组织中，miRNA正常转录，加工，结合到靶mRNA的互补位点，通过抑制蛋白翻译或是改变mRNA的稳定性来抑制基因表达。

最终的结果是，细胞生长、增殖、分化和死亡保持在一个正常的水平。

一个起肿瘤抑制基因作用的miRNA表达下降或者缺失，导致肿瘤形成。

成熟miRNA水平下降可能是由于miRNA生物合成的任何步骤的缺陷造成的，而这最终将导致不适当的miRNA的靶蛋白的表达。

最后的结果可能导致过度增殖、侵入、凋亡的减少、不能正常分化或者去分化，引起肿瘤的形成。

具有癌基因功能的miRNA的过表达也将导致肿瘤发生。

在这种情形下，在异常组织或是不适当的发育阶段这些miRNA的表达增加，可能导致其靶基因（抑癌基因）的表达下降，引起肿瘤形成。

miRNA的表达增加，可能是由于miRNA基因的扩增，持续性的启动子活性，miRNA加工的效率增高，或是miRNA的稳定性提高。

其他的研究也表明，miRNAs的表达下调和肿瘤发生有密切关系。

例如，mir-143和mir-145在结肠癌中明显下调。

有趣的是，其发夹结构的前体分子在肿瘤和正常组织中含量相似，这表明，可能是由于其加工过程受到破坏。

但是，mir-143和mir-145的肿瘤抑制基因功能可能不仅仅局限于结肠癌，在乳腺癌、前列腺癌、子宫癌、淋巴癌等细胞系中其表达量也明显下调。

另一个报道表明，miR-21在胶质母细胞瘤中表达增加。

这个基因在肿瘤组织中表达量比正常组织高5-100倍。

反义核酸的研究发现这个miRNA通过抑制凋亡而并非影响细胞增殖控制细胞生长，这预示着这个miRNA具有癌基因的功能。

一项独立研究，利用芯片来检测肿瘤和正常组织的245个miRNAs的表达水平，也发现胶质母细胞瘤中miR-21表达升高。

但是，由于mir-21不是一个大脑特异性的基因，在乳腺癌样品中表达也有增加，这个基因可能在肿瘤发生中起到广泛的作用。

需要多项研究来证明这些miRNAs对于肿瘤发生时具有直接的作用还是仅仅在肿瘤中受到了异常的调节。

let-7家族负调控Ras

由let-7家族编码的miRNAs是第一个被发现的可以调节癌基因Ras基因表达的oncomirs。

Ras蛋白是一个膜相关的GTPase信号蛋白，调节细胞生长、分化。

大约有15-30%的人类肿瘤都含有Ras突变，而激活的突变导致这个蛋白表达上升可以引起细胞转化。

因此，一个能够调节这些潜在的癌基因表达的miRNA，可以控制细胞的增殖速度。

在人类基因组中存在12个由let-7同源基因家族编码的miRNAs，可能起到抑癌基因的作用。

研究还发现其与肺癌、乳腺癌、子宫癌等有关的脆性位点有联系。

更直接的证据是，Takamizawa等发现人的肺癌中的let-7同源物的表达显著减少，并且这导致更差的预后。

这些研究进一步说明let-7可以用于诊断，因为非小细胞肺癌病人的let-7表达水平越低，其预后越差，术后生存期越短。

体外组织培养实验表明，在人的肺癌细胞中瞬时的增加let-7可以抑制细胞的增殖，这也说明let-7在肺组织中可能是一个抑癌基因。

因此，可以考虑使用let-7来治疗肺癌。

线虫实验为研究let-7家族如何控制细胞的增殖提供了线索。

特定的let-7家族成员与Ras具有遗传学上的相互作用，并且其表达是此消彼长的。

此外，Ras的3`非翻译区域具有多个let-7家族的互补结合位点。

我们也证明了在人类细胞中let-7负调控Ras。

在人的肿瘤细胞中过表达let-7导致Ras表达下降。

而减少let-7的表达，会导致Ras蛋白明显增加。

我们还发现let-7通过3`非翻译区域直接抑制了Ras表达。

含有Ras3`UTR报告基因载体在翻译水平上受到了let-7的抑制，而let-7的抑制剂可以逆转这一作用。

而且，对比人类肺癌和癌旁正常组织的let-7和Ras表达水平，发现其表达是相反的：

let-7同源基因在肿瘤中表达下降，而Ras表达增加。

综上以上情况，这些研究表明，let-7对于Ras激活的肺癌可能是一个有前途治疗药物。

并且，let-7的表达下降可能是肺癌特有的。

对于21个不同肿瘤病人分析表明，12个肺癌病人的肺癌样品中的let-7表达均显著降低，而在其他肿瘤病人中只有零星的降低。

此外，167个miRNAs的表达谱芯片研究表明，肺癌中的大多数miRNAs基因表达并没有发生改变。

与MYC癌基因有关的miRNAs

MYC癌基因，编码一个基本的转录因子，在人的肿瘤样品中常常有突变或者表达增加，并且这一基因也被证明是一个细胞生长的重要调节因子，因为其能够诱导细胞增殖和凋亡。

有趣的是，miRNAs和MYC的表达增加有着紧密联系，并且这会导致B细胞的恶性增殖。

例如，当MYC异位到mir-142位点会导致一种侵入性的B细胞白血病。

这种异位导致MYC位于miRNA的发夹结构的下游，其转录受到miRNA启动子的控制。

当MYC异位到这一位点后，使得miRNA前体分子下游的20个核苷酸保守区域的丢失，破坏了miRNA的加工，导致MYC表达上调，并引起B细胞的转化。

另一个miRNA，miR-155，也和MYC在B细胞中的高表达有关。

这个miRNA是由BIC基因的241-262核苷酸编码的。

这个基因最初发现是禽类白血病病毒的整合位点，而后发现在B细胞淋巴瘤中过表达。

数年间，研究人员感到困惑，这种非蛋白编码的在禽类、小鼠和人的基因组中并不保守的RNA是如何促进淋巴瘤形成和MYC表达的。

Metzler等人发现，在BIC上具有一段138个核苷酸的保守序列，编码了mir-155的发夹结构。

该研究组还发现在儿科Burkitt淋巴瘤中，表达量上升了100倍，此外的研究也发现，Hodgkin淋巴瘤等肿瘤中miR-115水平也有提高。

因此，mir-115可以作为一个癌基因和MYC协同作用，而其正常功能是在B细胞的选择中起作用，其可能的靶基因是那些对抗MYC信号通路的基因。

在乳腺癌中也有报道miR-155上调，这预示着这个基因在血液系统外也有功能。

而且，mir-115/BIC基因的结构类似于mir-15a和mir-16-1基因，这是由非编码蛋白的LEU2基因的内含子部分编码的，另外，C13orf25的情形也是类似的，其上含有mir-17-92基因簇。

不过一个非编码蛋白的包含miRNAs的转录本和肿瘤发生之间的关系还不是很清楚。

He和O`Donnell等人最近发表的两篇论文更直接的描述了miRNAs、MYC和癌症之间的关系。

在散布的B细胞淋巴瘤、滤泡型淋巴瘤、套细胞淋巴瘤等肿瘤中常常13q31位点的扩增。

而在这一扩增区域的唯一的基因就是一个非编码蛋白的RNA，C13orf25，这个转录本编码了mir-17-92基因簇，其中包含了7个miRNAs：

miR-17-5p，miR-17-3p，miR-18a，miR-19a，miR-20a，miR-19b-1，andmiR-92-1。

He和他同事分析了具有13q31扩增的细胞系的191个miRNAs，发现其中有6个miRNA的表达增加，其中5个属于mir-17-92基因簇。

此研究组还发现，在65%的B细胞淋巴瘤细胞样品mir-17-92的前体分子表达增加。

他们由此推断，这个基因簇的过表达与肿瘤形成有关。

为直接检验这一假设，研究人员利用一个逆转录病毒系统在带有Myc转基因的小鼠血细胞（HSCs）表达mir-17-19-b1（mir-17-92基因簇的一部分）基因簇。

野生型小鼠接受了一个亚致死剂量的射线照射，去除所有的骨髓细胞，然后移植那些逆转录病毒转染的HSCs。

移植了带有mir-17-19-b1基因簇和Myc的HSCs的小鼠更快的发育成恶性淋巴瘤（约51天），而移植了仅含有Myc的HSCs的小鼠需要3-6个月。

并且，过表达Myc和其他单个的96无关的miRNAs或者单个的mir-17-19-b1基因簇成员并不能加速肿瘤发生。

过量表达Myc和mir-17-19-b1基因簇miRNAs的淋巴癌与仅有Myc过量表达肿瘤相比较，具有更强的增殖能力，更低的细胞死亡率。

这些实验证实，mir-17-19-b1中的miRNAs可以协同地行使癌基因的功能，可能是由于其靶基因是在MYC过表达条件下激活的凋亡因子。

当凋亡途径被去除，MYC可以诱导细胞不受控制地增殖，这导致了肿瘤发生。

mir-17-92基因簇的癌基因的功能也在其他肿瘤病例中得到证实，miR-19a和miR-92-1的表达水平在B细胞CLL病人的肿瘤细胞中上调，mir-17-92基因簇中的miRNAs在肺癌中过表达，C13orf25在腺泡状横纹肌肉瘤和脂肪肉瘤也有