miRNA对秀丽隐杆线虫寿命的影响

曹 峥 张志华 傅紫东 张 妍，2▲

1.哈尔滨医科大学药理教研室，黑龙江哈尔滨 150081；2.心血管药物研究教育部重点实验室哈尔滨医科大学，黑龙江哈尔滨 150081

自古以来，人类从未停止追求青春永驻、长生不老的脚步。历史上也出现过很多“长生不老”的秘方和“灵丹妙药”的炼制。时至今日，人们已经认识到了“长生不老”只是个梦想，但是延缓衰老确实可能实现的。随着科学技术的发展进步，生命科学的研究触角已经深入到分子水平，在分子水平发现生命的奥秘，发现延缓衰老的新靶点、新物质。近年来一类新的非编码微小RNA（microRNA或 miRNA）引起研究者们的广泛兴趣。miRNA参与细胞的转录后调节，在胚胎发育、脂肪代谢、细胞增殖、凋亡、分化等一系列生命过程中扮演重要角色。miRNA表达水平受环境因素影响，在动物模型上已经发现miRNA对寿命密切相关的靶蛋白具有调节作用。

寿命研究需要较长的实验周期，寻找合适的模式生物进行研究至关重要。刊登在诸多重要杂志上的论文，80%以上寿命相关过程和机制的研究都是通过模式生物来实现的。应用于寿命研究的模式生物包括酵母、线虫、果蝇、斑马鱼和小鼠等。反复比较和实验后，秀丽隐杆线虫因其容易培养、繁殖能力很强、身体透明便于观察、2万个蛋白序列中83%与人类有同源基因等优势受到更多学者的青睐。本研究对其进行综述总结如下：

1 miRNA的发育及功能

miRNA是一种大小为21～23个碱基的单链小分子RNA。最原始的pri-miRNA，长度为300～1000个碱基；primiRNA经过一次加工后，成为pre-miRNA即miRNA的前体，长度为 70～90个碱基；pre-miRNA再经过 Dicer酶酶切后，最终成为了成熟miRNA[1]。这些非编码小分子RNA参与调控基因表达等重要活动[2]。多个研究小组在人类、果蝇、植物等多种生物物种中鉴别出了数千个miRNA，它广泛存在于人体各组织中，如肝脏、胰腺、脂肪、肌肉等。

1993年miRNA首先在秀丽隐杆线虫体内被发现[3]，从被发现至今，miRNA参与控制基因表达的机制已经有了很大的进展。miRNA的主要通过三种方式发挥作用：①切断靶基因的mRNA分子——miRNA与靶基因完全互补结合，作用方式和功能与siRNA非常相似，最后切割靶mRNA分子；②抑制靶基因的翻译——作用时与靶基因不完全互补结合，进而阻遏翻译而不影响mRNA的稳定性；③结合抑制——具有以下两种作用模式：当与靶基因互补结合时，直接靶向切割mRNA；当与靶基因不完全结合时，起调节基因表达的作用。

2 衰老的影响因素

衰老的影响因素主要来自三方面：环境因素、胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号传导通路（IIS信号通路）以及其他影响因素，如TOR、SIRT1信号通路等。

机体的内在环境对寿命起着主导作用，外界环境因素也无时无刻不在影响着人类的生命活动。环境因素，例如：热量控制可以影响寿命，限制卡路里的同时摄入一定量的维生素和矿物质，可以延长寿命和预防疾病[4]。热量控制也可以降低癌症的发生、恶化和转移。微阵列分析表明肿瘤患者的mir-203明显改变。进一步研究发现mir-203的作用靶点为Cav-1，一种存在于胆固醇稳态、膜泡运动和信号转导调节等的蛋白质[5]，抑制了Cav-1从而抑制肿瘤的增生，这个发现为癌症的治疗提供了更多的可能。

IIS信号通路是体内衰老相关的重要信号通路。通常情况下随着胰岛素肽的释放启动细胞内信号级联放大反应，激活 PI3K，活化 PDK-1和 AKT，并最终磷酸化 daf-16，使其失活而停留在细胞质中，使得长寿相关基因不能表达。实验已经证明，调控休眠的幼虫形成的基因（daf基因）能够影响线虫寿命，其中daf-2、daf-16是这一遗传调控通路下游的两个重要基因。Daf-2突变体可以引起细胞内IIS信号改变，通过激活daf-16/FOXO的转录因子，使寿命延长；daf-16则可以调节上百种涉及代谢和压力抵抗的基因表达[6-7]。

TOR（target of rapamycin）是一种苏氨酸/丝氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇3激酶相关激酶蛋白家族[8]。TOR激酶是一个从酵母到植物和人类，进化上保守的重要调控因子，其负责整合营养和能量信号，促进细胞增殖和生长。哺乳动物TOR激酶在细胞增殖、胰岛素信号、癌症启动与转移的翻译水平调控中发挥着重要作用[9-10]。将TOR信号通路的关键基因剔除可以明显地观察到突变生物寿命的延长[11]。Sirt1是依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的蛋白脱乙酰酶，通过脱乙酰作用调节脂质、葡萄糖和蛋白质的代谢，与细胞增殖、分化、衰老、凋亡和代谢密切相关。

3 miRNA对寿命相关信号通路的影响

在秀丽隐杆线虫成熟过程中，同一个miRNA在不同发育阶段的表达量是不同的，一部分miRNA的表达随着年龄改变，甚至有一些miRNA增加或减少两倍以上。其中动态变化比较显著的两个是mir-34和let-7。mir-34在十天内增加四倍多，而let-7则减少近7倍[12]，这两个miRNA也与肿瘤的发展有密切关系[13-14]。Mir-1在早衰的老鼠和人的体内都有明显的升高[15]。线虫的遗传学研究表明miRNA的表达减少或增加都会影响线虫的寿命[13，16]。有文献报道，线虫体内一些miRNA的表达模式可以预测线虫的寿命[17]，说明miRNA可能成为寿命的生物标记物。

多种miRNA对寿命相关IIS通路具有调节作用，例如mir-1、mir-320、mir-206 都可以抑制 IGF-1 相关蛋白[13，16]，从而产生延长寿命的作用，miR-239和miR-246则可以预测长寿[13]。在秀丽隐杆线虫头部或者尾部组织特异性表达的miR-71也是长寿的重要生物标记[17]。miR-71的长寿机制很可能是通过IIS途径，因为miR-71敲除可以增加IIS通路上的各种因子的表达。Daf-16突变体的miR-71表达增加，说明Daf-16和miR-71通过相互的反馈调节维持彼此的内环境稳态[13]。

miRNA对TOR、SIRT1信号通路的影响也有报道。过表达mir-100可以抑制TOR的转录[18]；支链氨基酸是TOR和胰岛素分泌的主要生理学激活剂，而mir-277控制着支链氨基酸和支链酮酸的比例[19]。细胞核内FXR/SHP通路控制着mir-34a，而mir-34a的作用靶点就是SIRT1。体内代谢途径的损坏或者代谢产物、胆固醇、胆汁酸等的过度积累，会发展成为代谢紊乱进而产生相关疾病，例如心脏病、脂肪肝、肥胖症、糖尿病等[20]。人工诱导老鼠，使其肥胖产生脂肪肝，在它的肝脏中mir-34a的含量明显升高而SIRT1含量则下降了[21]。mir-217在成熟的过程中不断地在内皮细胞中积累，可以通过绑定SIRT1信使RNA的3′UTR端来调节SIRT的表达[22]。

4 miRNA对衰老相关疾病的影响

miRNA通过IIS、TOR等通路调节寿命常常与人类衰老相关疾病联系在一起，如心脏、肌肉、神经变性等疾病[23-25]。衰老是大分子损伤不断积累和细胞凋亡导致多器官生理功能衰退过程。虽然有很多环境和随机因素作用于衰老过程中，但衰老还是呈现出一种强大的基因决定性，基因调节衰老和老化的作用是细胞生成和组织发育中重要的影响因素。作用于IIS上的miR-1和miR-375与心脏疾病联系密切，不论在鼠还是在人类体内，心肌肥厚的心脏mir-1的表达减少[26]；mir-375在心肌梗死患者血浆中含量降低[27]。可以激活TOR的mir-21是心肌肥厚进程中表达升高最多的miRNA之一[28]。mir-122是肝脏中存在最多的miRNA，对维持肝脏的胆固醇代谢，压力反应，预防病毒感染，以及对肝脏基因的生理调节等具有重要作用[29]。在胰腺中，mir-375同样具有重要作用，比如影响胰岛素基因的转录、胰岛素的分泌、胰腺细胞的生长[30]。mir-27、mir-378可以控制脂肪的分化和脂质的生成[31]。mir-223可以在心肌细胞中调节葡萄糖的摄取[32]。miRNA对各种肿瘤的发生、发展同样具有调节作用，以结直肠癌为例mir-143、mir-145在结直肠癌发生前和发生时的表达呈现下降的趋势。在结直肠癌的细胞中转染mir-145，结肠癌细胞的生长被抑制[33]。

5 小结

miRNA与长寿相关研究是一个崭新的领域，但是已经引起诸多学者的关注。在各种生物的衰老过程中，miRNA呈现组织特异性，miRNA不仅通过寿命相关信号通路影响衰老过程，也可以通过影响寿命相关疾病的发生发展过程间接影响寿命。随着对miRNA与寿命调节的研究不断深入，将会有更多的影响寿命的miRNA被发现。

[1]Braun JE，Huntzinger E，Fauser M，et al.GW182 proteins directly recruit cytoplasmic dead enylase complexes to miRNA targets[J].Molecular Cell，2011，44（1）：120-133.

[2]Bartel DP.MiRNAs：genomics，biogenesis，mechanism，and function[J].Cell，2004，116（2）：281-297.

[3]Lee RC，Feinbaum RL，Ambros V.The C.elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14[J].Cell，1993，75（5）：843-854.

[4]Fontana L，Partridge L，Longo VD.Extending healthy life span—from yeast to humans[J].Science，2010，328（5976）：321-326.

[5]Orom UA，Lim MK，Savage JE，et al.MiRNA-203 regulates caveolin-1 in breast tissue during caloric restriction [J].Cell Cycle，2012，11（7）：1291-1295.

[6]Murphy CT.The search for DAF-16/FOXO transcriptional targets：approaches and discoveries [J].Experimental Gerontology，2006，41（10）：910-921.

[7]Greer EL，Brunet A.FOXO transcription factors in ageing and cancer[J].Acta Physiologica，2008，192（1）：19-28.

[8]Martin DE，Hall MN.The expanding TOR signaling network[J].Current Opinion in Cell Biology，2005，17（2）：158-166.

[9]Guo H，Ingolia NT，Weissman JS，et al.Mammalian miRNAs predominantly act to decrease target mRNA levels [J].Nature，2010，466（7308）：835-840.

[10]Huntzinger E，Izaurralde E.Gene silencing by miRNAs：contributions of translational repression and mRNA decay [J].Nature Reviews Genetics，2011，12（2）：99-110.

[11]Harrison DE，Strong R，Sharp ZD，et al.Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice[J].Nature，2009，460（7253）：392-395.

[12]Johnson SM，Grosshans H，Shingara J，et al.RAS is regulated by the let-7MiRNA Family[J].Cell，2005，120（5）：635-647.

[13]Lencastre DA，Pincus Z，Zhou K，et al.MiRNAs both promote and antagonize longevity in C.elegans[J].Current Biology，2010，20（24）：2159-2168.

[14]He L，He X，Lim LP，et al.A miRNA component of the p53 tumour suppressor network[J].Nature，2007，447（7148）：1130-1134.

[15]Mariño G，Ugalde AP，Fernández ÁF，et al.Insulin-like growth factor 1 treatment extends longevity in a mouse model of human premature aging by restoring somatotroph axis function [J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2010，107（37）：16268-16273.

[16]Boehm M，Slack F.A developmental timing miRNA and its target regulate life span in Celegans[J].Science，2005，310（5756）：1954-1957.

[17]Pincus Z，Smith VT，Slack FJ.MicroRNA predictors of longevity in Caenorhabditis elegans[J].PLoS Genetics，2011，7（9）：e1002306.

[18]Nagaraja AK，Creighton CJ，Yu Z，et al.A link between mir-100 and FRAP1/mTOR in clear cell ovarian cancer[J].Molecular Endocrinology，2010，24（2）：447-463.

[19]Esslinger SM，Schwalb B，Helfer S，et al.Drosophila miR-277 controls branched-chain amino acid catabolism and affects lifespan[J].RNA biology，2013，10（6）.

[20]Lee J，Kemper JK.Controlling SIRT1 expression by miRNAs in health and metabolic disease[J].Aging（Albany NY），2010，2（8）：527.

[21]Lee J，Padhye A，Sharma A，et al.A pathway involving farnesoid X receptor and small heterodimer partner positively regulates hepatic sirtuin 1 levels via miRNA-34a inhibition [J].Journal of Biological Chemistry，2010，285（17）：12604-12611.

[22]Menghini R，Casagrande V，Cardellini M，et al.MiRNA 217 modulates endothelial cell senescence via silent information regulator 1[J].Circulation，2009，120（15）：1524-1532.

[23]Hulsmans M，De Keyzer D，Holvoet P.MiRNAs regulating oxidative stress and inflammation in relation to obesity and atherosclerosis[J].The FASEB Journal，2011，25（8）：2515-2527.

[24]Hamrick MW，Herberg S，Arounleut P，et al.The adipokine leptin increases skeletal muscle mass and significantly alters skeletal muscle miRNA expression profile in aged mice[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2010，400（3）：379-383.

[25]Provost P.MiRNAs as a molecular basis for mental retardation，Alzheimer's and prion diseases[J].Brain Research，2010，1338：58-66.

[26]Han M，Toli J，Abdellatif M.MiRNAs in the cardiovascular system[J].Current Opinion in Cardiology，2011，26（3）：181-189.

[27]D'Alessandra Y，Devanna P，Limana F，et al.Circulating miRNAs are new and sensitive biomarkers of myocardial infarction[J].European Heart Journal， 2010， 31（22）：2765-2773.

[28]Cheng Y，Ji R，Yue J，et al.MiRNAs are aberrantly expressed in hypertrophic heart：do they play a role in cardiac hypertrophy?[J].The American Journal of Pathology，2007，170（6）：1831-1840.

[29]Esau C，Davis S，Murray SF，et al.miR-122 regulation of lipid metabolism revealed by in vivo antisense targeting [J].Cell metabolism，2006，3（2）：87-98.

[30]Najafi SH，Kristo F，Li Y，et al.MiRNA-33 and the SREBP host genes cooperate to control cholesterol homeostasis[J].Science，2010，328（5985）：1566-1569.

[31]Gerin I，Bommer GT，McCoin CS，et al.Roles for miRNA-378/378 in adipocyte gene expression and lipogenesis [J].American Journal of Physiology-Endocrinology and Metabolism，2010，299（2）：198-206.

[32]Lu H，Buchan RJ，Cook SA.MiRNA-223 regulates Glut4 expression and cardiomyocyte glucose metabolism[J].Cardiovascular Research，2010，86（3）：410-420.

[33]Slaby O，Svoboda M，Fabian P，et al.Altered expression of miR-21，miR-31，miR-143 and miR-145 is related to clinicopathologic features of colorectal cancer[J].Oncology，2008，72（5-6）：397-402.