辐射相关microRNA研究进展

王瑜，付洁，宋海峰

1.军事医学科学院 放射与辐射医学研究所，北京 100850；2.山东大学 生命科学学院，山东 济南 250100

microRNA（miRNA）是真核生物中一类在转录后水平调节基因表达的长度约22核苷酸的非编码小RNA，可通过与靶mRNA的3'非翻译区（UTR）近乎完全互补结合，在转录水平使其降解，或与之不完全互补结合，在翻译水平抑制蛋白合成，也可与靶mRNA的5'UTR相互作用上调蛋白的表达［1-3］。大量研究已表明，miRNA与肿瘤发生发展密切相关［4-5］，可能成为新型诊断标志物和/或药物靶标。

电离辐射作为一种高能物理损伤因素，可通过电离激发产生自由基并造成DNA分子损伤，导致大量电离辐射诱导基因如p21、ATM、p53等［6-10］的表达发生变化，从而广泛影响细胞周期调控、DNA损伤修复和细胞凋亡等生物学反应过程，继而诱发肿瘤。因此，电离辐射、DNA损伤和肿瘤之间有着密切的联系。Ishii等［11］于2006年最早在小鼠胚胎干细胞中发现辐射可以诱导一些miRNA的表达，而这些miRNA在小鼠、禽类和人类中具有很高的保守性，他们首次提出miRNA在调控人类多能干细胞的DNA损伤中可能是潜在的治疗手段。此后研究进一步证实，miRNA在辐射诱导的生物学反应过程中确实扮演重要角色。

目前，尽管研究者们已就miRNA-癌症及辐射-癌症的关系展开大量研究，但对于miRNA-辐射之间的关系研究仍处于起步阶段。我们从以下3个方面阐述辐射相关miRNA的研究进展。

1 辐射调节miRNA表达

辐射既能诱导某些miRNA的表达，同时也能抑制某些miRNA的表达。辐射对于miRNA表达水平的调节通常与其辐射敏感性调节功能相关。如Wang Xiao-Chun[12]等通过比较术后放疗敏感/抵抗患者的非小肺癌细胞的miRNA表达谱发现，与辐射抵抗的患者相比，辐射敏感患者有5个miRNA表达上调、7个miRNA表达下调，从而为筛选放疗敏感miRNA标志物提供了理论依据。

电离辐射产生DNA损伤，主要可以通过转录和转录后水平调节miRNA的成熟、剪接等加工过程，但是否通过调节miRNA的降解过程尚待阐明[13]。因此，辐射在不同的组织和细胞中诱导miRNA的表达机制主要有：①DNA损伤调控miRNA的转录，其中，p53发挥了重要作用。当细胞受到外界刺激或DNA损伤时，p53可以直接转录生成miR-34a-c，后者进而通过下调下游一系列靶基因CDK4/6、CyclinD1/E2、E2F3、BCL2、MET、c-Myc等，对细胞周期、凋亡、增殖、侵袭转移和分化等产生影响[14-15]，因此miR-34a-c家族是目前公认的p53依赖的辐射调控分子。②DNA损伤调控miRNA的加工和成熟过程。p53/p63/p73可以通过RNA解旋酶p68与Drosha/DGCR8加工复合体相互作用，从而增强miR-16-1、miR-143和miR-145等的转录后成熟过程[16]。但目前辐射对于miRNA抑制表达的机制仍有待阐明。

研究表明，辐射调节miRNA表达的变化具有以下特性：①组织细胞特异性。Nikiforova[17-19]等发现，如Let7家族等miRNA，辐射对其表达的影响可以因细胞系不同而出现上调或下调的不同效果。②剂量特异性。Shin等［20］分别用20和40 Gy的137Cs射线照射A549细胞，培养24 h后发现20 Gy照射后有4个miRNA下调，而40 Gy照射后有2个不同于20 Gy变化的miRNA发生下调，8个miRNA发生上调。③时间特异性。Dickey［21］等发现，不同时间点（30 min、2 d、7 d）的miRNA变化谱不一样。例如，haslet-7g在2 Gy γ射线照射后，其在30 min、2 d、7 d的变化分别为下降至1/1.01、上升1.03倍、下降至1/1.44。④性别特异性。Koturbash等［22］用1 Gy的 X射线照射小鼠脑部，分析脑部miRNA组学发现，相较于雄鼠，雌鼠的海马中有3个miRNA表达显著上调、4个显著下调，在额皮质中有2个miRNA明显下调，在小脑中有1个显著上调，并指出这种辐射诱导miRNA表达谱差异的性别特异性可能与雌激素反应元件有关。⑤旁观者效应。Chaudhry[23]等利用人类淋巴母细胞旁观者效应模型系统研究发现，照射后miRNA的表达变化具有旁观者效应，如let-7家族在受照细胞中是上调的，而在旁观细胞中其大部分的表达是下调的。

2 miRNA参与辐射后DNA损伤

尽管目前确认上述一些转录因子，如p53等可以调节miRNA的表达水平，但这些蛋白自身也可以受到miRNA的调节。如miR-504和miR-133a就是p53和p63的负性调控因子[24-25]。

电离辐射后DNA分子可产生多种变化，如核苷碱基损伤、交联、DNA单链和双链断裂等，其中双链断裂是导致各种辐射生物效应的关键损伤形式。miRNA参与辐射后DNA损伤主要是通过靶向DNA损伤相关基因进行调节，图1综合显示了在双链DNA 损伤应答通路中，对 ATM、H2AX、RAD52、BRCA1、p53、p63、E2F、p21、CDK等重要基因进行特异调节的miRNA-基因调控网络[26]。miRNA对于DNA损伤相关基因的调节主要在3个不同层次实现：首先，miRNA调控能够检测DNA双链断裂的感应器基因，能够传播DNA损伤信号的调节器蛋白，包括53BP1[27]、BRCA1[28]等；其次，miRNA能够调控传感器蛋白，主要包括ATM[29]和ATR[30]，它们可将DNA损伤信号传递给下游蛋白；第三，miRNA能够调控实现DNA修复等过程的效应子蛋白，从而调控细胞周期、DNA损伤修复、凋亡等过程[31]。

据预测，30%的人类蛋白受miRNA调控，目前靶向辐射相关基因miRNA的功能研究只是冰山一角。细胞的辐射敏感性反映了DNA修复的效率，同时，NHEJ和HRR通路中核心元件的缺失导致了细胞辐射敏感性的细胞表型[32]。因此，miRNA介导的这些核心蛋白元件的负向调控，提供了调节细胞对于辐射或化学治疗化合物的敏感性的新的途径。

3 miRNA参与辐射生物学效应

3.1 miRNA参与辐射敏感性调节

miRNA通过调节电离辐射相关DNA损伤效应蛋白等内在因素，以及调节肿瘤微环境等外在因素来影响辐射敏感性，达到使细胞辐射敏感或辐射保护的目的。

在神经细胞瘤中，由N-myc介导调控ATM的miR-421异常表达会导致S期细胞周期检查点的变化和增强细胞对辐射的敏感性[33]。Yan[34]和Chen[35]等的研究证明，miR-101通过靶向DNA双链损伤中重要基因ATM和DNA-PKcs使其表达下调，从而增加肿瘤细胞的辐射敏感性。同时，Tan[36]等也证实miR-22以ATM依赖方式上调，并抑制PTEN的表达，使得辐射敏感性增加。此外，在不同的细胞系和模型中，let-7家族高表达均可以促进肿瘤细胞对辐射的敏感性[37-38]，提示let-7可能成为提高患者放疗疗效的新靶点。相反，有些miRNA也可以保护细胞，减少辐射所致DNA损伤。Yang[39]等发现，在照射移植有肝癌细胞的裸鼠肿瘤实验中，miR-210的下调可以降低细胞对辐射的耐受性。

miRNA对肿瘤微环境等外在因素的调节继而影响辐射敏感性，主要通过低氧和血管生成2个因素实现。研究发现，miR-210在调控肿瘤微环境中发挥关键作用，它在低氧环境中充当了独特而多效的角色“低氧miRNA”，通过激活细胞周期检查点并降低caspase-8活性来抑制肿瘤细胞的死亡，或降低活性氧的水平来激活细胞不死性的水平［40-42］。

3.2 miRNA参与辐射诱导肿瘤

电离辐射具有致癌性，1902年报道了第一例与辐射相关的皮肤癌症病例。研究表明，电离辐射作为基因毒剂，损伤DNA分子启动细胞恶性转化的程序，其关键点在于是否改变了某些关键基因（如癌基因、抑癌基因）的结构和功能，导致细胞增殖失调和向恶性转化。DNA损伤及其引发的突变是大多数癌症的诱因。

miRNA与肿瘤发生关系的首例报道源于对慢性淋巴细胞白血病（CLL）的分子生物学研究，在染色体13q14区域miR-15a和miR-16a的表达水平与正常细胞相比显著下降，且miR-15a和miR-16a通过靶向B细胞CLL瘤基因调节肿瘤生成［43］。Zhu等证实miR-21参与辐射诱导肝癌的形成［44］。高剂量LET照射小鼠肝脏继续喂养2年后，小鼠肝脏中miR-21是惟一上升6倍的miRNA，同时发现其靶蛋白PTEN和RECK的表达量减少，研究人员还注意到在2 Gy照射肝癌细胞后，激活蛋白AP-1（miR-21上游调控分子）在2 h内发生上调，2 h后则主要是ErbB/Stat3通路被激活，这些都促使miR-21表达增加，从而促进肝癌的形成。

图1 miRNA通过调控多条通路中核心蛋白元件来调节双链DNA损伤应答

4 结语

肿瘤细胞的辐射抵抗性是目前采用放疗治疗肿瘤须克服的问题，深入阐明影响肿瘤辐射敏感性和耐受性的因素具有重要的科学意义和临床意义。miRNA作为一种新型调节因子，深入研究电离辐射所致DNA损伤对miRNA调节的作用，以及miRNA如何通过靶向辐射相关基因，继而参与调节电离辐射引起的生物效应，对揭示辐射相关生物学反应的分子生物学机制、放射病的治疗与预防及潜在的放疗等肿瘤治疗手段的临床应用价值具有重要意义。

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