竞争性内源RNA与肿瘤发生*

蔺新秀， 杨 蔓， 夏 天， 郭俊明

(宁波大学医学院生物化学与分子生物学教研室，浙江省病理生理学技术研究重点实验室，浙江宁波 315211)

竞争性内源RNA与肿瘤发生*

蔺新秀， 杨 蔓， 夏 天， 郭俊明△

(宁波大学医学院生物化学与分子生物学教研室，浙江省病理生理学技术研究重点实验室，浙江宁波 315211)

微小RNA(microRNA，miRNA)、长链非编码RNA(long non-coding RNA，lncRNA)等转录物在肿瘤发生发展中发挥着重要作用［1-4］，越来越多的研究表明，它们之间存在着复杂的网络关系［5-6］。2011年，哈佛大学医学院的研究人员提出了竞争性内源RNA(competing endogenous RNA，ceRNA)假说。该假说认为mRNA、lncRNA等转录物通过miRNA应答元件(miRNA response element，MRE)竞争性结合miRNA，从而相互调控各自的表达水平，进而影响各自功能的发挥［7］。随后的研究从生物信息学、细胞生物学和动物模型等不同水平验证了该假说［8］。这些研究向我们展示了基因转录后调控的全新层面，也为我们理解肿瘤等疾病发生的病理生理机制提供了新思路。

1 ceRNA与肿瘤

尽管ceRNA假说提出的时间不长，但人们已经在前列腺癌、结直肠癌、黑色素瘤、恶性胶质瘤、肝癌和乳腺癌等多种肿瘤中证实了ceRNA调控机制在肿瘤发生中的作用。

1.1 ceRNA与前列腺癌 前列腺癌是西方国家男性最常见的恶性肿瘤，因而国外对其发病机制的研究一直非常重视;在肿瘤相关ceRNA研究方面也不例外。磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog，PTEN)基因是一种重要的抑癌基因，其蛋白质产物通过阻断磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/丝-苏氨酸蛋白激酶(serine-threonine protein kinase，Akt)信号通路抑制肿瘤生长［9］。PTEN假基因1(phosphatase and tensin homolog pseudogene 1，PTENP1)和PTEN的序列同源性很高，因此它们具有许多相同的MRE。Poliseno等［10］的研究表明，在前列腺癌细胞中，PTENP1通过竞争性结合miR-19b、miR-20a、miR-21、miR-26a和miR-214等多种 miRNA，导致这些靶向 PTEN的miRNA水平下降，从而使PTEN的表达水平升高，最终抑制癌细胞增殖;而当PTENP1表达水平下降时，将有较多的miRNA来抑制PTEN的表达，结果促进癌细胞增殖。值得一提的是，PTENP1受其反义RNA β调控，后者通过与PTENP1部分互补配对，提高其稳定性，从而增加 ceRNA的效率［11-12］。此外，在前列腺癌细胞中，KRAS假基因1(KRAS pseudogene 1，KRASP1)和KRAS基因的转录物都拥有miR-143和let-7家族的结合位点，所以，KRASP1通过竞争性结合这些miRNA调控KRAS的表达水平［10］。这些例子说明，假基因转录物与其同源基因的转录物之间较易形成ceRNA。

1.2 ceRNA与结直肠癌 除了上述的假基因转录物与其同源基因转录物之间可以互为ceRNA外，mRNA之间也可以互为ceRNA。Tay等［13］的研究表明，在结直肠癌细胞中，囊泡相关膜蛋白相关蛋白A (vesicle-associated membrane protein-associated protein A，VAPA)基因和CCR4-NOT转录物复合体亚基6样(CCR4-NOT transcription complex，subunit 6-like，CNOT6L)基因的mRNA都是PTEN mRNA的ceRNA。VAPA mRNA通过竞争性结合miR-17、miR-19a、miR-20a、miR-20b、miR-26b、miR-106a和 miR-106b等7种 miRNA调控 PTEN的表达水平，而CNOT6L mRNA通过竞争性结合miR-17、miR-19a、miR-19b、miR-20a、miR-20b和miR-106b等6种miRNA调控PTEN的表达水平，从而影响PI3K/Akt信号通路［13］。当VAPA或CNOT6L表达上调时，结合大量与PTEN共享的miRNA，导致PTEN蛋白产量升高，提高其抑癌活性;当VAPA或CNOT6L表达下调时，释放大量靶向PTEN的miRNA，导致PTEN蛋白产量降低，降低其抑癌活性［13］。我们注意到，在这2组ceRNA中，有5种miRNA(miR-17、miR-19a、miR-20a、miR-20b和miR-106b)是相同的。事实上，它们都是典型的致癌性miRNA，具有促进肿瘤细胞生长的作用［1］。这种作用是通过下调其靶标实现的［1］，这是miRNA的基本作用机制;而ceRNA的发现拓展了miRNA的作用形式和范围。

1.3 ceRNA与黑色素瘤 PTEN失活或抑制在多种类型的肿瘤中具有普遍现象，为此，它成为了研究ceRNA在肿瘤发生中作用的良好代表［10-14］。Karreth等［14］利用小鼠模型证明了锌指E盒结合同源异型框2(zinc finger E-box binding homeobox 2，ZEB2)基因的转录物是PTEN mRNA的ceRNA，两者都存在miR-25、miR-92a、miR-181和miR-200b的结合位点。当高表达ZEB2时，PTEN蛋白水平升高，抑制黑色素瘤发生;当沉默ZEB2时，PTEN蛋白水平降低，促进黑色素瘤发生［14］。

1.4 ceRNA与恶性胶质瘤 Sumazin等［5］分析了来自癌症基因组图谱(the cancer genome atlas，TCGA)的恶性胶质瘤基因表达数据，认为存在24.8万多种miRNA介导的相互作用，其中约7 000多种基因的转录物以ceRNA的方式相互作用。他们发现多种信号通路通过ceRNA相互影响，包括PTEN、血小板源性生长因子α多肽(platelet-derived growth factor receptor，α polypeptide，PDGFRA)、视网膜母细胞瘤1 (retinoblastoma 1，RB1)、血管内皮生长因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGF-A)、信号转导和转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)和Runt相关转录因子1(Runtrelated transcription factor 1，RUNX1)等关键基因的转录物［5］。这提示了ceRNA现象的普遍性和作用的广泛性。

1.5 ceRNA与肝癌 我国是肝癌高发国家，我国学者在肝癌病生机制研究方面取得了一系列的进展。一种称为肝癌高表达转录物(highly up-regulated in liver cancer，HULC)的lncRNA在肝癌等肿瘤的发生中起着重要作用。Wang等［15］的研究表明，HULC作为天然 miRNA海绵(natural miRNA sponge)抑制miR-372活性，从而解除miR-372对cAMP依赖性蛋白激酶催化亚基β(protein kinase，cAMP dependent，catalytic β，PRKACB)的抑制作用，促进蛋白激酶A (protein kinase A，PKA)信号通路进程。这是 lncRNA充当ceRNA的一个例子，与前面提到的假基因转录物和mRNA作为ceRNA的RNA类型是不同的。lncRNA是长度超过 200核苷酸的非编码RNA［4］;而miRNA是长度约为19～22核苷酸的短链非编码RNA［1］。这个例子说明非编码RNA之间可以相互作用。

miRNA发挥作用的主要方式是通过结合mRNA的3＇非翻译区(3＇-untranslated region，3＇-UTR)，而3＇-UTR也被发现能充当ceRNA发挥作用的中坚力量。Fang等［16］研究了透明质酸结合蛋白versican在肝癌发生发展中的作用，发现versican mRNA的3＇-UTR能竞争性结合 miR-133a、miR-144、miR-199a-3p和miR-431，从而调控这些miRNA的靶标的表达水平，促进肝癌细胞的增殖、迁移和侵袭，并抑制细胞凋亡。

八聚体结合转录因子4(octamer-binding transcription factor 4，OCT4)是胚胎干细胞多能性的调控因子之一，在多种肿瘤中也呈现异常表达。Wang等［17］的研究表明，在肝癌细胞中，OCT4假基因OCT4-pg4能够竞争性结合miR-145，从而解除miR-145对OCT4的抑制，在肝癌发生中具有促癌作用。这是假基因转录物与其同源基因转录物间形成ceRNA的又一例子。

1.6 ceRNA与乳腺癌 乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤，人们非常重视对其发病机制的研究，最近在ceRNA研究方面也取得了较多进展。Versican mRNA的3＇-UTR除了被发现在肝癌细胞中发挥ceRNA作用［16］外，Lee等［18］的研究表明，在乳腺癌中，它还能够竞争性结合miR-136、miR-144和miR-199a-3p，从而调节这些miRNA的靶标PTEN和RB1的水平，影响乳腺癌细胞的生长。

此外，Jeyapalan等［19］的研究表明，白细胞分化抗原44(cluster of differentiation 44，CD44)mRNA的3＇-UTR能够竞争性结合miR-216a、miR-330和miR-608，而这些 miRNA能靶向细胞分裂周期蛋白42 (cell division cycle 42，CDC42)。超表达CD44 mRNA 3＇-UTR解除了这些miRNA对CD44本身和CDC42的抑制作用，导致两者的蛋白产物增加，抑制乳腺癌细胞生长，促进细胞死亡，小鼠实验也表明肿瘤生长减慢［19］。这为利用ceRNA原理治疗肿瘤提供了新思路。

2 ceRNA数据库和算法

随着越来越多的人关注ceRNA研究领域，ceRNA相关的数据库也陆续建立了。Sarver等［20］建立了首个 ceRNA数据库(competing endogenous RNA database，ceRDB)，可用于预测互为ceRNA的mRNA，网址为 http://www.oncomir.umn.edu/cefinder/。Liu等［21］建立了长链基因间非编码RNA(long intergenic noncoding RNA，lincRNA)数据库Linc2GO (http://www.bioinfo.tsinghua.edu.cn/～ liuke/ Linc2GO/index.html)，他们基于ceRNA假说来注释这些lincRNA的功能。StarBase［22］数据库目前已经更新到第2版(http://starbase.sysu.edu.cn/)，不仅可以预测miRNA与mRNA、miRNA与lncRNA、miRNA与假基因转录物、miRNA与环状RNA(circular RNA，circRNA)、RNA与蛋白质的相互作用，还可以预测ceRNA相互作用。有效利用这些数据库将有助于我们快速了解研究目标，避免研究的盲目性，节约实验成本，为揭示肿瘤发生的病生机制提供了方便。

ceRNA预测算法是后期实验验证的基础。Tay等［13］使用RNA22预测ceRNA，前者主要基于miRNA种子序列与靶RNA之间的碱基互补配对原理; Sumazin等［5］开发了一种称为Hermes的多变量分析算法，用于从大量肿瘤样本的全基因组表达谱中推断调控miRNA活性的RNA。Ala等［23］构建了ceRNA计算机模型，模拟结果表明改变其中一种RNA，会显著影响整个ceRNA网络。Bosia等［24］和Noorbakhsh等［25］也对ceRNA进行了建模，用于描述ceRNA网络中各种转录物的相互关系、稳健性以及对干扰的应答。

3 ceRNA在肿瘤治疗中的应用前景

miRNA海绵(miRNA sponge)是一种miRNA抑制剂，用于抑制特定 miRNA的活性［26］。相对于miRNA海绵而言，ceRNA的优势在于可以抑制多种miRNA的活性，通过改变MRE的种类和数量，可起到网络调控的作用。为此，Tang等［27］开发了一种人工ceRNA，称为短串联靶标类似物(short tandem target mimic，STTM)，可有效抑制多种miRNA的功能。

最近的研究表明，circRNA也可以ceRNA的形式发挥作用［28-30］。这是目前发现的第4类ceRNA形式。人们发现:ciRS-7含有大量miR-7结合位点，是miR-7的高效抑制剂［31］。由于miR-7可以调控多种癌基因的表达，所以ciRS-7/miR-7系统在肿瘤发生中起着较为重要的作用。Liu等［32］构建了人工的circRNA，用于抑制miR-21和miR-221的活性，效果远优于线性miRNA海绵和其它miRNA抑制剂，显示出良好的抗癌活性。

研究表明，ceRNA与多种肿瘤相关，调控肿瘤发生发展［33］。未来，我们还需进一步研究ceRNA网络是如何在肿瘤中发挥作用的。此外，以往对ceRNA的研究主要集中于mRNA，越来越多的研究表明，lncRNA也可以作为ceRNA，例如，lincRNA-RoR可以竞争性结合miR-145［34］;H19可以竞争性结合let-7家族［35］。迄今为止，ceRNA网络世界正越来越丰富，mRNA、假基因转录物、lncRNA和circRNA等均能与miRNA相互作用，参与ceRNA调控网络，在肿瘤发生中发挥着难于估量的作用。

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Competing endogenous RNAs and oncogenesis

LIN Xin-xiu，YANG Man，XIA Tian，GUO Jun-ming

(Department of Biochemistry and Molecular Biology，Zhejiang Provincial Key Laboratory of Pathophysiology，Ningbo University School of Medicine，Ningbo 315211，China.E-mail:guojunming@nbu.edu.cn)

Competing endogenous RNAs(ceRNAs)regulate other RNA transcripts by competing for shared microRNAs.They might be coding RNAs or non-coding RNAs including long non-coding RNAs，pseudogene transcripts，and circular RNAs.Recent discoveries reveal the important pathophysiological roles of ceRNAs in prostate cancer，colorectal cancer，melanoma，glioblastoma，liver cancer，breast cancer，etc.We discussed the molecular mechanisms of ceRNAs in cancers and their possible applications.In addition，several databases and algorithms，such as ceRDB，Linc2GO，star-Base，RNA22 and Hermes，have been developed for the convenience in ceRNA investigation.

竞争性内源RNA;MicroRNA;肿瘤发生

Competing endogenous RNAs;MicroRNA;Oncogenesis

R363.2;R730.23

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2014.03.032

1000-4718(2014)03-0563-04

2013-10-27

2014-01-03

国家自然科学基金资助项目(No.81171660);宁波市自然科学基金资助项目(No.2012A610207);宁波市科技创新团队资助项目(No.2011B82014);宁波市重点学科资助项目(No.XKL11D2127;No.XKL11D2128);宁波大学大学生科研创新计划资助项目(No.2013506);宁波大学优秀学位论文培育基金资助项目(No.PY2012004)

△通讯作者Tel:0574-87600758;E-mail:guojunming@nbu.edu.cn