MicroRNA与细胞信号转导通路研究进展.docx

1、MicroRNA与细胞信号转导通路研究进展综述与专论生物技术通报B I O TECHNOLOGY BULL ET I N2010年第2期M icroRNA 与细胞信号转导通路研究进展魏运荣1卢清显1卢清君2(1首都医科大学基础医学院,北京100069;2首都医科大学眼科学院北京市眼科学与视觉科学实验室重点实验室,北京100730摘要:成熟的m icr oRNA (m i RNA 是一种长约22nt 的非编码RNA,通过与靶基因的3非翻译区(3UTR 结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA 达6397个。m i RNA 的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前研究

2、者不仅证实m i RNA 在生物体生长、发育和疾病发生等过程中发挥着重要的作用,而且开始进一步探寻其发挥作用的分子机理。综述了m i RNA 与细胞信号转导途径之间的关系,从而有助于从基因水平上理解疾病的发生机制,为疾病的诊断、治疗提供依据。关键词:M icr oRNA基因表达基因调控细胞信号转导转导通路Research Advances of M i croRNAs i n Si gnali n g PathwayW ei Yunr ong1Lu Q ingxian1Lu Q ingjun2(1Institute of Experi m ental M edicine,B asic M ed

3、ical Sciences,Capital M edical U niversity,B eijing 100069;2School of O phthal m ology,V ision Science Laboratory,Capital M edical U niversity,B eijing 100730Abs trac t:M ature m i RNA s is a s ort of non coding RNA about 19-25nt in length,which can comp le ment t o the target mRNA by binding t o th

4、e regi on of 3UTR and then regulate their exp ressi on .To date,about 6397m i RNA s have been fund a mong different s pe 2cies,the discovery of which opens a ne w window f or the research of gene exp ressi on .A t p resent,the researchers not only confir med that m i RNA s p lay an i m portant r ole

5、 in gr owth,devel opment,and occurrence of diseases,and als o began t o exp l oring the molecular mecha 2nis m of m i RNA s .This paper su mmarized relati onshi p bet w een m i RNA s and the signaling path way,thus,p r ovide the basis for disease di 2agnosis and therapy .Key wo rd s:M icr oRNA Gene

6、exp ressi onGene regulati onCellular signal transducti onPath way收稿日期:2009212202基金项目:国家自然科学基金(30670643,30870788,北京市自然科学基金(7052016,7093116作者简介:魏运荣,女,硕士,研究方向:M icr oRNA 与细胞信号转导;E 2mail:weiyunr ongyahoo .cn 通讯作者:卢清君,E 2mail:s oovsl基因转录表达调控机制是系列复杂的过程,传统的中心法则已经不足以完全解释生命调控中的很多现象。近年来,越来越多的研究发现有一种小RNA 也能参与基

7、因转录调控,随着研究的深入,人们对其功能的了解也越来越清楚。成熟的m icr oR 2NA (m i RNA 是一种长19-25nt 的非编码RNA ,通过与靶基因的3非翻译区(3UTR 结合来调控靶基因的表达。直至目前,在不同物种中发现的m i RNA 达6397个,其中在人类中发现并已经得到试验证实的有847个,小鼠中有609个,大鼠中有351个(htt p:/m icr orna .sanger .ac .uk /。m i RNA 的发现为基因表达调控研究打开了新的窗口。目前,研究者不仅证实m i RNA 在生物体生长、发育和疾病发生等过程中发挥着重要的作用,而且开始进一步探寻其发挥作用

8、的分子机理。综述了m i RNA 与细胞信号转导途径之间的关系,从而有助于从基因水平上理解疾病的发生机制,为疾病的诊断、治疗提供依据。1m i RNA 的发现与命名早在1993年Lee 等1利用遗传分析方法已经在线虫中发现一个22nt 的小分子非编码RNA:lin 24。该基因具有以下特点:长度较小,不编码任何蛋白质,转录成具有发夹结构的前体RNA ,前体RNA 在剪切酶的作用下被加工成长度约20个核苷酸的2010年第2期魏运荣等:M icr oRNA与细胞信号转导通路研究进展RNA。这种转录产物在幼虫的L1后期表达,与lI N2 14mRNA的3端非翻译区(UTR序列互补,当lin24与lI

9、 N214mRNA3UTR互补结合时,可短暂下调lI N214编码的蛋白,使线虫由L1期向L2期转化。基因lin24被发现后,并未引起研究者太多的注意,因为尚未在其它生物中找到类似的RNA。直至Reinhart等2发现了另一个类似的具有转录后调节功能的小分子RNA:let27。由于两者卓越的时序调节功能,被命名为小时序RNA(s mall te mporal RNA, st RNA。随后的几年时间里,许多研究人员相继发现了这类RNA,并将这些具有时空表达特异性的非编码小分子RNA命名为m icr oRNA(m i RNA3,随着对这些m i RNA功能的逐步了解,对m i RNA的研究也成为新

10、的热点。2m i RNA的合成与作用机制M icr oRNA(m i RNA是一种长约22nt的非编码RNA,m i RNA的生物合成需要复杂的蛋白系统,包括A rgonaute家族成员,Poll以及RNA酶D r osha和D icer。m i RNA基因在核内由RNA聚合酶(Poll 转录,最初产物是具有帽状结构和多聚腺苷尾巴的初级m i RNA(Pri2m i RNA。Pri2m i RNA在核酸酶D r osha和其辅因子Pasha的作用下被处理成70 nt的含茎环结构的前体m i RNA(Pre2m i RNA。Pre2 m i RNA被RAN2GTP和exportin5复合物输送到

11、细胞质后,由核酸酶D icer将其剪切为22nt的双链m i RNA。过去认为由核酸酶D icer生成的双链m i R2 NA被很快引导进入RNA诱导的沉默复合体(R I SC中,其中成熟的m i RNA被保留,通过与其靶mRNA结合,调控靶基因表达的翻译过程4,5。但最近有研究发现,双链m i RNA也常常以适当的生理水平存在,并同样可与R I SC中的A rgonaute蛋白结合6。m i RNA对靶mRNA的调控作用已被证实与生物体的生长、发育和疾病发生等过程有重要关系。m i RNA与靶mRNA的作用方式有两种:当两者完全互补时,m i RNA可导致靶mRNA降解,结合部位通常在mRN

12、A的编码区;而当两者不完全互补时, m i RNA则通过与靶mRNA3端非翻译区结合,阻遏基因转录后的翻译过程。研究发现,每个m i RNA可以有多个靶基因,而几个m i RNA也可以共同调节同一靶基因,由此形成复杂的调控网络,精细调控基因的表达7。3m i RNA与信号网络m i RNA因其靶基因种类繁多且数目巨大,广泛地参与到许多细胞信号转导系统中,并与之共同构成复杂的调控网络,从而发挥多种生物学作用。Yoo等8的研究第一次提及m i RNA参与到信号通路中并能影响细胞的分化转归。他们阐述了m i R261与L I N212/Notch及VAV21之间的相互联系。L I N212/Notc

13、h是细胞表面的一种受体,它调控着体内与细胞的发育分化有关的信号通路。对于C.elegans幼虫的外阴前体细胞P5.p和P7.p细胞, L I N212/Notch受体被激活后受体的胞内区被水解转位至核,在核内L I N212与DNA结合蛋白LAG21形成复合物,该复合物与m i R261的启动子结合激活其转录,说明信号通路能激活m i RNA的表达。m i R2 61与基因VAV21的mRNA3UT R互补,抑制VAV2 1蛋白的表达,受VAV21抑制的L I N212活性反而增高。这样L I N212,m i R261及VAV21形成了一个反馈环使得L I N212的活性最大化。Cui等9发

14、现,近30%的信号网络蛋白(总共159个为m i RNA的靶。而在人类基因组中,m i R2 NA的靶基因仅占总基因数的17%左右,这似乎提示与其它蛋白相比,m i RNA更倾向于选择信号转导通路上的蛋白为靶,因而在信号调控方面扮演更为重要的角色。此外,同配体、细胞表面受体之类的上游信号因子相比,m i RNA似乎更多地以下游信号转导元件如转录因子,尤其是那些能招募更多下游元件的多连接效应器(high2link adap t or为靶。与此同时,m i RNA似乎避免去干扰基本的细胞程序,几乎从来不以细胞信号网络中的普通基本元件为靶,因为后者被多种细胞程序所高度共享,在各种条件下被频繁利用。此

15、外,m i RNA还高度靶向那些具有正反馈连接的网络基序(最基本的网络元件,这些正反馈通路往往与超敏反应、生物稳定性以及转换行为等突发的网络特征有关10,11。由此可见,m i RNA 的作用是多种多样的,它既可以通过关闭一些关键基因来改变细胞的分化转归,也可能与其靶基因产物相互作用形成调节环并与其他调节通路交织作用形成网络调控机制。92生物技术通报B iotechnologyB u lletin2010年第2期3.1m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路信号转导通路如W nt、Notch、Hedgehog、P I3K/ AKT、RAS等在细胞活动中扮演着关键的角色。在肿瘤的发生及发展中,这些

16、正常情况下调控细胞生长、分化的信号通路往往会发生紊乱和异常。许多证据提示,m i RNA与肿瘤相关的信号转导通路具有密切的联系12。研究显示,一些肿瘤相关的信号转导通路直接调节某些特别的m i RNA的表达。如前所述,Yoo等8发现,L I N212/Notch信号通路直接涉及一个m i RNA基因2m i R261,在线虫的发育中可促进m i R261在外阴前体细胞(vulval p recurs or cells, VPCs中的表达,进而抑制vav癌基因同源物Vav21的翻译,而Vav21又能负调节lin212基因的活性。这个环形的调控机制构成了一个正反馈环,有助于使lin212的活性最大

17、化并持续激活Notch信号通路。另外,Johns on等13采用高通量m i RNA芯片检测和实时定量PCR的方法检测了感染EB病毒三期的淋巴细胞系m i RNA的表达,结果与对照组相比,发现8个m i RNA(m i R221,m i R223a,m i R224,m i R2 27a,m i R234a,m i R2146a and b,and m i R2155表达上调,1个m i RNA(m i R228表达下调,推测可能是由于病毒病毒感染引起某些信号通路激活,从而引起m i RNA表达发生变化。m i RNA也可通过抑制某些信号蛋白的分泌影响信号通路。RAS家族属于小G蛋白介导的胞内

18、信号转导途径之一,激活后可介导促进细胞增殖分化的信号转导,在多种信号通路中扮演重要角色,过度表达通常导致细胞向恶性转化。Ca mer on等14发现,RAS基因的3UTR s包含多个let27的互补结合位点,提示let27可调控RAS基因的表达。在人类癌细胞系中,let27的过度表达可导致RAS基因表达的下降。另一方面,敲除高表达let27的癌细胞系中的let27则造成RAS基因表达的显著增加,提示let27以某种机制负调节RAS。与体外试验结果一致的是,在肺部肿瘤组织中,let27的表达较正常偏低,而RAS蛋白水平则明显偏高15。将let27亚型(let27a和let27f注射进肺癌细胞系A

19、549可导致集落数目减少78.6%,证实let27可负调节RAS信号转导通路而抑制生长16。人肿瘤生长因子受体(HER表达变化可引起肿瘤发生,HER2过表达是乳腺癌浸润的重要标志17。HER2可通过细胞增殖有关的信号通路(P I3K/AKT引起重要的通路调节蛋白HER3的磷酸化,并引起AKT磷酸化,进而引起多种与肿瘤发生有关的信号激活。Marilena 等18发现,乳腺癌中m i R2205表达降低,将m i R2205的表达载体转染乳腺癌细胞(HEK293后发现HER3受体表达降低,证实m i R2205可抑制HER3受体的表达,推测m i R2205可通过抑制HER3受体的表达参与信号通路

20、P I3K/AKT的调节,进而影响肿瘤发生。据报道,m i R2143和m i R2145在结直肠癌中的表达降低,进一步研究表明,m i R2143和m i R2 145通过靶mRNA s影响与信号转导途径有关的蛋白(Raf,Rho,GTP酶激活蛋白,G2蛋白,NF2B和HGK表达19。综上所述,m i RNA可以通过与信号蛋白直接或间接作用而参与到肿瘤发生相关的信号转导过程中,从而影响肿瘤发生。3.2m i RNA与免疫相关的信号转导通路目前研究发现,m i RNA在对免疫细胞信号转导的调节中发挥着巨大的作用。Taganov等20用脂多糖(LPS刺激人单核细胞系T HP21后,用芯片技术检测

21、了200个成熟m i RNA的表达,发现3个m i RNA (m i R2132,m i R2146,m i R2155表达水平升高。进一步研究m i R2146对其他T LR配体和一些细胞因子刺激的反应情况,结果显示T LR2、T LR4和T LR5的配体可以明显刺激m i R2146表达上调。Taganov等20将m i R2146a/b的表达载体与接入了I RAK1或者TRAF63UTR的报告系统载体共转染293T细胞后,均可看到荧光素酶的相对水平明显降低。提示m i R2146a/b作为一个负调控分子,主要依靠互补结合于I RAK1或TRAF6的3UT R区域在转录后水平抑制TRAF6

22、和I RAK1的水平,从而对免疫信号转导起到反馈调节作用。OConnell等21通过检测m i RNA对病毒感染相关刺激的反应发现T LR3配体通过My D88/TR I F信号通路促进m i R2155表达上调,同时I F N s上调m i R2155表达水平主要是通过T NF2的自分泌信号途径实现的,揭示MAPK信号通路在调节m i R2155表达水平中发挥重要作用。3.3m i RNA与其他相关的信号转导通路Chulan等22在研究m i RNA对果蝇的心脏发育调节中发现,将m i R21的表达抑制可引起前体细胞032010年第2期魏运荣等:M icr oRNA与细胞信号转导通路研究进展

23、向心肌细胞的分化减少,前体细胞数量增多,Notch 配体Delta蛋白表达降低。而使m i RNA的表达上调则会引起前体细胞过早分化为心肌细胞,Delta蛋白表达水平升高。证实Notch信号通路蛋白Delta的编码基因是m i RNA的靶基因,m i RNA可直接调节Notch配体Delta蛋白的表达来调节Notch信号,进而促进前体细胞向心肌细胞的分化。胰岛素样生长因子(I GF21可通过线粒体和细胞色素C途径对由高葡萄糖引起的心肌细胞的凋亡23,Yu等24将心肌细胞系H9C2于25n M高糖中培养96h发现细胞发生凋亡,m i R21表达水平升高,并通过软件预测发现I GF21编码基因3U

24、TR与m i R21互补,进一步将m i R21表达载体转染H9C2细胞发现I GF21抗凋亡作用降低,从而证明m i R21参与调节I GF21对抗高糖引起的细胞凋亡信号通路。另外,在研究m i RNA 与胚胎干细胞的关系中发现,小鼠胚胎干细胞中的m i RNA有不少与小鼠的神经发育有关,其中m i R2 124a和m i R29特异性地调控神经干细胞的发育形成,并且初步推测可能是通过作用于ST AT信号转导通路发挥作用25,但具体机制还不清楚。4展望随着对m i RNA研究的不断深入,人们对其功能和作用机制的了解也越来越明确。但是,目前的研究仅限于m i RNA在正常或疾病状态下的表达谱变

25、化研究,m i RNA在正常组织发育和疾病发生中所发挥的具体作用机制还未见有报道。对于m i RNA的研究大多还处于理论水平上,对m i RNA的实际应用也并未开展。在今后的研究工作中,可以结合m i R2 NA的表达谱变化,通过生物信息学方法查找疾病或发育过程中表达变化明显的m i RNA的靶基因,并通过过量表达和沉默技术研究特殊m i RNA的功能,开展研究以拮抗m i RNA为主的化学合成药物,这对以m i RNA为基础的疾病诊断和治疗策略具有重要意义。值得注意的是,虽然以m i RNA的调节作用为基础而设计的药物作为疾病的靶向治疗可能性极大,但是若要实现,还存在不容忽视的障碍。单纯模拟

26、某些特定m i RNA仍然存在一定弊端,因为每个内源性m i RNA可调控上千个靶点,这样势必会引起某些副作用。单纯对内源性m i RNA进行基因打靶或拮抗其效果也不理想,因为敲除某个m i RNA会影响被该m i RNA调节的多基因的表达,以m i RNA为主的疾病治疗从实验室到临床应用还有待进一步研究。参考文献1Lee RC,Feinbaum RL,Ambr osV.The C.elegans heter ochr onic genelin24encodes s mall RNA s with antisense comp lementarity t o lin214 RNA.Cell,1

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32、is regulated by thelet27m icr oRNA fa m ily.Cell,2005,120(5:6352647.14Ca mer on JE,Fe well C,et al.TI F;%95%94tein2Barr virus gr owth/latency III p r ogra m alters cellular m icr oRNA exp ressi on.V ir ol ogy,2008,382:2572266.15Eder M,Scherr M.M icr oRNA and lung cancer.N Engl J Med,2005,352(23:244622448.16Taka m iza wa J,Konishi H,Yanagisa wa K,et al.Reduce