miRNAs在结直肠癌诊断中的价值和预后分析

田亚琼,范志娟,刘 爽,武玉晶,刘树业

田亚琼,范志娟,刘爽,武玉晶,刘树业,天津市第三中心医院,天津市人工细胞重点实验室,卫生部人工细胞工程技术研究中心 天津市300170

核心提要： 便潜血试验诊断结直肠癌(colorectal cancer,CRC)灵敏度低,而结肠镜检属于侵入性操作,且费用较高,微小RNAs(microRNAs,miRNAs)在癌组织、细胞、循环体液中均能被检测出来,同一类miRNAs在不同组织、细胞和循环体液中起促癌或抑癌作用,但哪几种miRNAs组合最适于CRC的诊断、治疗和预后是目前的研究难点.

0 引言

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是一种常见的胃肠道恶性肿瘤,发病率仅次于肺癌和乳腺癌,是全球第四大致死性癌症.结直肠癌的发病与多种因素有关,包括遗传因素、息肉形成、大肠炎性疾病、高脂肪饮食、缺乏运动、饮酒、吸烟和肥胖等[1].近年来,结直肠癌在全球范围内已经成为发病率和死亡率增长最快的疾病,每年有大约120万新发患者,而死于CRC的患者每年高达60万人[2].CRC患者生存时间很大程度上取决于诊断时的肿瘤分期,而多数患者确诊时往往处于疾病的晚期,已伴有局部淋巴结转移或肝脏转移,40%-50%的患者死于远端转移,术后复发率高,预后较差.

微小RNAs(microRNAs,miRNAs)是一类长度约21-25个核苷酸,通过靶向mRNA调控基因表达的非编码微小RNA.miRNAs参与信号转导、细胞发育、细胞生长和凋亡等多种生物学和病理学进程[3].许多恶性肿瘤中都存在miRNAs表达的失调.大量研究表明,CRC患者的肿瘤组织[4]和体液(如血清、血浆、粪便)[5]中都存在miRNAs表达失调,miRNAs可作为诊断和预后标志物来评价CRC的发生、发展、侵袭、转移以及对化疗药物的反应,对判断化疗效果具有预测价值.不同的miRNAs在CRC病理进程中可扮演抑癌和促癌的双重角色,在癌相关信号通路比如Wnt/β-catenin信号通路、EGFR通路以及TGF-β和TP53信号网络中发挥重要作用,使它们成为潜在的生物标志物和治疗靶点[6].循环miRNAs作为早期检测CRC的一种新型生物标志物具有广阔应用前景,能很好地预测疾病预后,目前的研究热点在于是哪种体液和哪种检测方法更适用于CRC筛查,以及哪几种miRNAs组合具有最佳诊断效能[7].此外,miRNAs除了用于筛查腺瘤和CRC,它在指导CRC患者的预后和治疗方面都起到很重要的作用.

1 组织和循环miRNAs在CRC诊断中的作用

CRC的早期诊断极为重要,近年来miRNAs作为CRC诊断标志物越来越受到研究者的青睐,组织和循环miRNAs的检测成为CRC早期诊断的有力辅助指标[8-11](表1).

2 组织miRNAs在CRC预后中的价值

在CRC进展的不同分期,组织中miRNAs表达水平不同,追踪miRNA在CRC进展中的变化能够预测疾病的预后,预测治疗效果,miRNA序列研究确定了与CRC临床病理特征和患者预后相关的特异表达谱[12-25](表2).

3 循环miRNAs在CRC预后中的价值

除了组织miRNAs以外,循环miRNAs的变化在监测CRC患者预后方面也起着重要作用.对CRC来说,临床上常用的血液学检测指标是癌胚抗原和糖类抗原19-9,但是这两个指标对监测CRC进展的临床价值有限,尤其是对早期CRC,而循环miRNAs的发现为评估CRC的预后提供了新的研究方向[26-33](表3).

4 miRNAs在CRC侵袭和转移中的作用

4.1 抑癌miRNAs

4.1.1 miR-34家族和肿瘤抑制因子p53： miR-34家族的miRNAs如miR-34a是p53最重要的下游分子之一,是p53的直接转录靶标,它可以和p53的其它靶标一起促进肿瘤细胞生长停滞和死亡.p53激活后miR-34表达上调,其调控的基因如抗凋亡蛋白BCL2表达受抑制,促进肿瘤细胞的凋亡,具有抑癌作用.miR-34a在50%-75%的CRC中发现具有p53突变,这可能是miR-34a下调在CRC中常见的原因.miR-34a下调后,可使其靶标如CDK4、CDK6、细胞周期蛋白2等蛋白表达增加,促进肿瘤细胞生长.有报道称[34],miR-34a在CRC患者中表达明显低于健康人,提示miR-34a可能是CRC中一个有用的生物标志物和治疗靶点.

4.1.2 miR-143/145作为CRC的肿瘤抑制因子： miR-143和miR-145首次作为区分结直肠腺瘤和结直肠癌的差异表达miRNAs被鉴定出来.晚期CRC患者化疗效果较好的肿瘤组织中,miR-143/145表达上调.研究发现miR-143直接结合并抑制KRAS、DNMT3A和ERK5,而miR-145靶向作用于IRS-1、c-Myc、FLI1、IRS-1、STAT1和YES1,从而抑制肿瘤增长.miR-143和miR-145的高表达已被证明抑制体内和体外CRC细胞的增殖[35].

4.1.3 miR-629在CRC组织和细胞中的抑制作用： miR-629已经被证实在多种恶性肿瘤中起到促癌作用,然而Yan等[36]在对CRC的体内和体外实验中发现,miR-629在异种移植CRC裸鼠组织和CRC细胞中表达下调,与肿瘤大小、淋巴转移和TNM分期明显相关,提示预后不良.低密度脂蛋白受体相关蛋白6(low density lipoprotein receptor-related protein 6,LRP6)是miR-629在CRC细胞中的直接靶基因,其表达下调产生的生物学功能与miR-629表达上调产生的效能一致.恢复LRP6的表达水平可以消除miR-629表达上调引起的抑癌作用,从而起促癌作用.miR-629-5p在CRC组织和细胞中表达较正常组织和细胞明显下调,它抑制Wnt/β-catenin信号通路的激活从而起到抑癌作用.

表1 CRC组织和血液中起诊断作用的miRNAs

表2 CRC组织中起预后作用的miRNAs

4.1.4 miR-877在CRC组织和细胞中的抑制效能： miR-877在肝细胞癌中和肾细胞癌中表达增加,而Zhang等[37]通过体内和体外实验证实miR-877在CRC组织和细胞中表达下调,低水平的miR-877与CRC的淋巴结转移和TNM分期有关.体外实验证实miR-877的过表达抑制肿瘤细胞增殖,诱导细胞凋亡,抑制细胞转移和侵袭,体内实验证实其抑制肿瘤生长.Metadherin (MTDH)是miR-877的直接靶标,在CRC组织中过表达,与miR-877的表达呈负相关.此外,miR-877通过调控MTDH的表达从而抑制PTEN/Akt信号通路的激活,起到抑癌miRNA的作用.4.1.5 miR-101在CRC细胞中的抑制作用： CRC细胞中,miR-101表达下调与Wnt/β-catenin通路激活相关,它的过表达削弱β-catenin的核易位,抑制肿瘤干细胞相关基因的表达.因此,有研究者认为[38]miR-101表达上调可能作为肿瘤抑制因子在CRC中扮演重要角色,miR-629-5p在CRC组织和细胞中表达较正常组织和细胞明显下调,它抑制Wnt/β-catenin信号通路的激活从而起到抑癌作用.4.1.6 其他抑癌miRNAs在CRC侵袭和转移中的调节作用： 除了上述提到的抑癌miRNAs,还有很多miRNAs在抑制CRC细胞侵袭和转移中扮演重要角色.Liang等[39]研究发现miR-141-3p在CRC组织和细胞中表达下调,它通过直接靶向肿瘤坏死因子受体相关因子5从而抑制肿瘤自爆增殖、侵袭和转移.

表3 CRC患者血液中有预后价值的miRNAs

Zhuang等[40]发现miR-106b-5p作为CRC抑制因子,其高表达可以抑制CRC细胞的侵袭和和转移,低表达起相反作用.MALAT1/miR-106b-5p/SLAIN2联合起来作为CRC抑制因子,可能在CRC预后中起重要作用.Muhammad等[41]证实miR-30d抑制CRC细胞增殖,在CRC组织和细胞中表达下调,抑制miR-30d的表达促进CRC细胞的增殖和肿瘤生长.MiR-30d直接靶向GNA13基因3'UTR,其表达与CRC组织中GNA13的表达负相关.因此,miR-30d在CRC发生发展中起抑癌作用,抑制肿瘤侵袭和转移.也有学者发现[17]miR-132在伴有肝转移的原发性CRC组织中表达下调.

综上所述,CRC中的抑癌miRNAs还有很多,它们大都在CRC组织和细胞中低表达,而其作用的靶基因蛋白表达水平升高,从而促进肿瘤细胞的侵袭和转移.虽然目前的研究对CRC中抑癌miRNAs的研究较促癌miRNAs多,但是仍有学者对促癌miRNAs进行了深入的研究.

4.2 促癌miRNAs

4.2.1 miR-135b在CRC中的促癌作用： miR-135a/b在CRC中表达上调,与肿瘤中的腺瘤样结肠息肉易感基因(adenomatous polyposis coil,APC)低表达水平显著相关.miR-135a/b靶向作用于APC的3'非翻译区来抑制APC基因的表达,激活下游的Wnt途径促进肿瘤转化和进展.MiR-135b表达水平升高与CRC患者的晚期分期和较差预后有关.更重要的是,抑制miR-135b能够通过调控与增殖、侵袭和凋亡有关基因的表达从而抑制肿瘤的生长[42].

4.2.2 miR-21在CRC中的促癌作用： 超过60%的CRC患者携带APC的失活突变,导致Wnt/β-catenin通路激活,从而诱发肿瘤发生和复发.血清miR-21水平高的APC突变型患者预后较差,但在APC野生型肿瘤患者中未发现这种相关性.miR-21通过对靶基因的调控调节细胞的分化、增殖和凋亡,参与肿瘤的生长、侵袭和转移.程序性细胞死亡基因4(programmed cell death 4,PDCD4)是miR-21具有重要生物学功能的靶基因之一,与肿瘤的凋亡有关.miR-21过表达,通过促进β-catenin核转位,抑制其靶基因PDCD4的表达,抑制肿瘤死亡,促进肿瘤侵袭[43].

4.2.3 miR-32在CRC中的促癌作用： Chen等[44]研究发现与邻近正常结肠组织比较,miR-32在CRC组织中表达明显上调,其与CRC淋巴浸润、转移相关,与患者生存不良相关.miR-32过表达促进CRC细胞增殖和转移,抑制miR-32的表达则抑制肿瘤细胞的增殖和转移.骨形态发生蛋白5(bone morphogenetic proteins 5,BMP5)是miR-32的直接靶点,而BMP5的缺失可能部分是由于miR-32表达上调所致.结直肠癌中miR-32与BMP5表达呈负相关,尤其是在晚期肿瘤患者中.

4.2.4 miR-888在CRC中的促癌作用： MiR-888在肿瘤形成、进展和转移中起重要作用.Gao等[45]发现与癌旁正常组织比较,miR-888在CRC组织中表达明显上调,与肿瘤分期和组织分化有关.高表达miR-888的CRC患者,生存时间较短.MiR-888对CRC细胞增殖、侵袭和转移其促进作用,其通过作用于其靶标Smad4,抑制Smad4的表达,从而促进肿瘤生长因子1诱导的癌细胞转移.

4.2.5 其他在CRC侵袭和转移中起调节作用的促癌miRNAs： 除了上述促癌miRNAs,仍有大批学者对促癌miRNAs在CRC的发生发展过程中的作用机制进行了大量的研究.Liu等[46]对miR-155在结直肠癌细胞中的侵袭作用进行研究中发现,miR-155在CRC组织和细胞中高表达.miR-155通过激活β-catenin信号通路从而促进CRC的侵袭.

Zheng等[47]研究发现miR-103在CRC患者的原发肿瘤组织中过表达,miR-103高表达的CRC患者总体生存率低于miR-103低表达的CRC患者.在CRC细胞系中,抑制miR-103的表达显著减弱CRC细胞的增殖、侵袭和转移.miR-103通过作用于其靶标LATS2,抑制LATS2的表达,促进CRC细胞的侵袭和转移.此外,有学者[48]发现miR-210在结直肠癌组织中常常表达上调,高表达的miR-210与肿瘤体积大小、淋巴结转移、临床分期以及不良预后呈明显正相关.

以上综述简要概述了一些miRNAs在CRC诊断和预后价值中的最新研究进展.尽管在过去十年里人们对于miRNAs作为CRC潜在生物标志物的研究显著增加,但是关于miRNAs对CRC的临床应用价值研究甚少,仍然不够全面.研究方法仍然比较局限,比如样本量少、缺乏详细的患者信息、结果重复性差以及统计方法不当等等.同时,由于miRNA的特异性和灵敏性不足,单个miRNA作为CRC的诊断或预后标志物在临床上受到限制.大量研究显示miRNA组合检测作为CRC 生物标志物可能比单一miRNA检测更加准确.然而,这种情况下成本也相应增加,如何降低成本至关重要.此外,对于每一个潜在的miRNA,都有必要了解其生物学功能和其调控机制,这是临床应用和鉴定新的治疗靶点的关键.

血浆miRNAs的联合应用在结直肠癌患者的个体化治疗方面有很大的应用前景,但是由于受生理或病理条件的改变而改变,血浆miRNAs的异常表达是否与相应的组织一致、血浆中的miRNAs为什么不发生降解、血浆miRNAs的剂量优化及可能的毒性评估等问题,仍需大量的临床试验来验证.