microRNA通过ROS途径对脑胶质瘤调节机制的研究进展

李 晶，崔宏伟，杨 凌*

(内蒙古医科大学附属医院 1.全科医学科；2.临床医学研究中心，内蒙古 呼和浩特 010050)

脑胶质瘤(glioma)是成人中枢神经系统最常见的原发性恶性肿瘤，占颅内肿瘤的35%～61%，具有发病率高和治愈率低的特点，对人体健康造成了严重危害。脑胶质瘤是一种异质性肿瘤，由世界卫生组织(WHO)分类为生长缓慢、很少发生恶性转化的毛细胞性星形细胞瘤(Ⅰ级)和3组弥漫性浸润性星形细胞瘤(Ⅱ级)，间变性星形细胞瘤(Ⅲ级)和胶质母细胞瘤(Ⅳ级)[1]。Ⅰ、Ⅱ级为低级别胶质瘤，Ⅲ、Ⅳ级为高级别胶质瘤，它们表现出更高的恶性程度。这些肿瘤显示出大量的微血管增生，假性坏死和呈浸润式生长，不易切除，且术后易复发[2]。虽然在开发治疗方法方面，包括手术切除、放疗、化疗、

免疫治疗、光动力治疗、中医药治疗等方面取得了显著进展，治疗效果明显改善，但脑胶质瘤患者的预后和生存率仍不理想，而且胶质瘤的高侵袭性极大地限制了其整体治疗效果，特别是恶性程度最高的多形性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme，GBM)[3-4]。胶质瘤的治疗难度取决于多种生物学机制，如通过血脑屏障的药物传递失败、肿瘤对化疗的反应以及肿瘤细胞的内在抵抗等。因此，从分子生物学方面深入研究胶质瘤发生、发展所涉及的分子机制，开发新的、更加有效的治疗策略势在必行。近年来小核糖核酸(microRNA，miRNA)的表达已被用作癌症诊断、进展、预后和治疗效果的指标，它们可以作为诊断生物标志物和治疗靶点。活性氧(reactive oxygen species，ROS)作为细胞氧化还原的主要活性产物，参与不同的信号传导通路来控制细胞的稳定性。许多研究表明，miRNA参与了胶质瘤的发展，并与肿瘤发生和进展中的ROS相关，了解miRNA对ROS的作用机制可以为脑胶质瘤的治疗制定新的治疗方案。本文将综述脑胶质瘤中参与调节ROS的miRNA及其作用。

1 miRNA与脑胶质瘤

miRNA是一组长度在19～24个核苷酸的胞质非编码RNA，在细胞增殖、分化、凋亡、肿瘤发生、迁移、侵袭和神经元发育等生物学行为中起着重要作用。miRNA作为基因表达的负调控因子发挥作用，通过与靶基因3’-非翻译区(3’-UTR)的特异性结合，导致靶mRNA转录抑制或蛋白质合成受阻。miRNA已成为人类癌进程中的重要调节因子，根据靶基因可以作为癌基因或抑癌基因，它们在肿瘤发生、血管生成、侵袭和凋亡中起着重要作用。一些miRNA也与临床结果和化疗和放疗抵抗有关。此外，miRNA有可能影响对分子靶向治疗的反应，也可能与肿瘤干细胞特性有关，影响肿瘤的维持和进展。

miRNA在胶质瘤的发展中起着至关重要的作用，如miR-21作为癌基因在约70%的肿瘤样品中过表达，在胶质瘤中也上调miRNA表达，miR-21能利于细胞存活，其在胶质瘤细胞中的敲除导致细胞凋亡增加、侵袭性降低和体内肿瘤生长抑制，特别地，miR-21能够增强胶质瘤细胞对多种化疗药物和肿瘤坏死因子相关配体的敏感性[5]。在多形性胶质母细胞瘤中研究较好的miR-21、miR-26a、miR-221/222、miR-7和miR-34a的靶点主要是EGFR/PTEN/Akt和p53/pRB通路的组成部分[1]。另外miR-421通过直接靶向MEF2D发挥肿瘤抑制作用[6]，miR-526b-3p通过靶向WEE1抑制胶质瘤的发生和进展[7]，以及miR-193-5p靶向ELTD1和调节细胞周期抑制了胶质瘤细胞的增殖[8]。总的来说，在胶质瘤进展过程中，miRNA是具有诊断和预后潜力的生物学标志物，被认为是重要的潜在调节因子，它们可能成为胶质瘤的治疗靶点。

2 ROS与脑胶质瘤

在正常生理条件下，细胞呼吸过程中不断产生活性氧(ROS)，并根据环境条件调节各种信号通路的刺激。ROS是指氧的某些代谢产物和一些反应的含氧产物，它们是具有活性的物质，主要包括超氧阴离子(O2·ˉ)，羟基自由基(·OH)，羟基离子(OH-)，过氧化氢(H2O2)，单线态氧(1O2)和臭氧(O3)等，并且已被报道为调节细胞信号传导的重要化学介质[9]。线粒体是ROS产生的主要部位。ROS可以分为内源性和外源性，前者涉及线粒体电子传递链[3]、NADPH氧化酶(NADPH oxidase，NOX)，以及炎性级联，而后者来自异种生物代谢、电离辐射、重金属和吸烟等。当细胞受到内外环境的刺激，如细胞代谢活动增加、线粒体功能障碍导致缺氧或自噬、过氧化物酶体活化、细胞信号的生长因子失控、癌基因活化以及癌细胞中的ROS源(如NADPH氧化酶、环氧化酶或脂氧化酶)活性增强等，ROS产生增多，从而破坏了机体氧化与抗氧化防御系统之间的平衡，最终导致氧化应激[10-11]。所以，氧化应激是ROS生成和抗氧化机制之间速率改变的结果。ROS在多种信号传导中发挥关键作用，包括低氧诱导因子-1α(HIF-1α)，NF-κB，p53和转化生长因子β(TGF-β)，其参与细胞生存、增殖、凋亡、侵袭和转移等重要生理过程[12]。ROS能够促进肿瘤细胞的激活，可以对DNA、蛋白质和脂质造成损伤，通过刺激激酶和具有分子开关的小G蛋白(如c-Src、Ras和ERK1/2)等细胞内信号，严重影响基因调控，导致细胞异常增殖，进而促进癌症的发生和发展[10,13]。

中枢神经系统因为具有较高的代谢活性和相对降低的细胞再生能力，因此对ROS的氧化损伤尤为敏感。在阿尔茨海默病患者的海马和新皮质以及肌萎缩侧索硬化的运动神经元中检测到蛋白质氧化和脂质过氧化。据报道，ROS可通过凋亡和坏死机制导致神经元和星形胶质细胞死亡。在多形性胶质母细胞瘤(GBM)中，高代谢率和ROS基础水平的增加对信号传导的调节起着重要作用，保护恶性细胞免受凋亡，从而创造免疫抑制环境。细胞针对ROS分子的抗氧化防御体系涉及内源性抗氧化剂，例如谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)，过氧化氢酶(catalase，CAT)和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等[14]。氧化环境支持GBM细胞的存活，诱导健康细胞产生CAT和SOD等抗氧化酶，以降低ROS的升高水平，这说明癌细胞及肿瘤微环境已经发展出应对氧化应激的能力。研究显示蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)抑制剂、Go6976、COX-2抑制剂、NS398、NADPH氧化酶抑制剂、二亚苯基氯化碘盐(diphenyleneiodonium，DPI)和ROS清除剂、SOD和Tempol能相继阻断TPA诱导的U87胶质瘤细胞的侵袭/迁移，并降低了相关信号通路。进一步研究表明ROS激活的ERK刺激环氧合酶-2/前列腺素E2和金属蛋白酶-9参与了TPA诱导的U87胶质瘤细胞的侵袭与迁移，并且槲皮素、黄芩素和杨梅素等抗氧化物质能有效地抑制胶质瘤细胞的侵袭与迁移[15]。因此，了解ROS在脑胶质瘤中的调节机制可能有助于开发有效的治疗策略。

3 miRNA通过ROS对脑胶质瘤的调节

3.1 调节胶质瘤细胞增殖和凋亡

miRNA通过调节靶基因的表达影响ROS的产生，对脑胶质瘤细胞的增殖、凋亡产生影响。miR-34a作为研究较深的肿瘤抑制性miRNA是抑癌基因p53基因调控网络的一部分，在多种实体瘤中普遍处于下调状态，包括人脑胶质瘤A172细胞和脑胶质瘤组织中，上调miR-34a可通过其靶基因NOX2增加ROS的产生，从而抑制细胞的增殖，促进其凋亡[16](表1)。miR-183/96/182在胶质瘤组织中表达增加，属于致癌miRNA，敲除单个组分或整个miR-183/96/182簇可通过ROS介导的AKT和p53途径诱导细胞凋亡，但是抑制miR-183/96/182簇诱导ROS介导的AKT/凋亡信号传导与miR-183/96/182的3个靶基因FGF9、CPEB1和FOXO1无关。然而，miR-183/96/182簇的缺失诱导了ROS介导的p53/凋亡信号，这种作用依赖于FGF9、CPEB1和FOXO1[17]。线粒体发生功能障碍时，会导致线粒体膜电位降低，产生过量的ROS和ATP，并改变凋亡蛋白的表达。miR-101是肿瘤抑制miRNA，在星形细胞瘤U251细胞中转染miR-101能够破坏线粒体途径提高细胞的ROS水平，升高Bax/Bcl-2比率和切割的caspase-9等凋亡信号诱导细胞凋亡[18]。Herpud1是保护癌细胞氧化应激的细胞保护因子，miR-9-3p可以通过调节Herpud1基因增加脑胶质瘤细胞中H2O2诱导的凋亡[19]。

表1 miRNA对脑胶质瘤ROS的调节机制Table 1 Regulation mechanism of microRNAs on ROS in glioma

miRNA也可以通过参与对内源性抗氧化剂的表达调控对细胞ROS水平产生影响。过氧化物酶3(peroxiredoxin 3,PRDX3)基因位于线粒体内，是清除线粒体内H2O2的主要过氧化物酶。miR-383与正常脑组织相比，miR-383在人髓母细胞瘤组织、人髓母细胞瘤D314和Daoy细胞系中表达降低，通过转染上调miR-383可以负调节PRDX3的表达，导致细胞内ROS水平增加，线粒体膜电位降低，从而抑制D314细胞增殖，诱导其凋亡[20-21]。

3.2 诱导脑胶质瘤干细胞凋亡或分化

在包括胶质瘤在内的许多肿瘤类型中，都存在一个类似茎的亚群，这些具有自我更新能力和胶质瘤不成熟表型的小群体细胞，称为“胶质瘤干细胞(glioma stem cells，GSC)”，它们表现出干细胞特性，并具有启动和增殖肿瘤的能力[22]。脑胶质瘤含有丰富的缺氧区域，提供了促进维持和扩增胶质瘤干细胞增殖的微环境。miR-210在细胞适应缺氧、干细胞存活和干细胞维持中发挥重要作用。缺氧导致GSC中HIF-2α mRNA表达和miR-210表达增加。敲除miR-210可以降低神经球形成能力、干细胞标志物表达和细胞活力，并能诱导缺氧GSC分化和G1期阻滞。敲除miR-210可以导致缺氧GSC的凋亡率和caspase-3/7活性升高，侵袭能力、ROS和乳酸盐产生降低。这些研究结果表明，miR-210可能是消除位于缺氧区的GSC的潜在治疗靶点[23]。miR-128a能够改变肿瘤细胞内的氧化还原状态并促进细胞衰老，此外，miR-128a通过靶向Bmi-1抑制成神经管细胞瘤细胞的生长[24]。

miR-153在GSC中被发现下调，miR-153过表达可以导致神经球形成能力和干细胞标志物表达降低，并通过ROS介导的p38 MAPK的激活诱导分化[22]。研究已表明ROS介导的p38 MAPK通路控制脑胶质瘤细胞的分化和肿瘤起始能力。特别是观察到脑胶质瘤起始细胞中p38途径刺激分化和细胞自我更新的丧失是ROS依赖性触发的，这表明氧化应激剥夺了这些细胞的干性[25]。此外，miR-153过表达能够降低脑胶质瘤干细胞的致瘤能力，并可增加携带人类脑胶质瘤干细胞的小鼠的存活率[22]。

3.3 提高放疗或化疗的敏感性

放疗和化疗是治疗多种恶性肿瘤(包括脑胶质瘤)的重要治疗策略。然而，肿瘤细胞对放疗和化疗的抵抗降低了许多脑胶质瘤患者治疗的效果。据报道，由于DNA损伤检查点的激活和DNA修复的提高，GSC显示出对辐射的抵抗力。在GSC中发现miR-153下调，其靶基因核因子E2相关因子2(Nrf-2)上调，Nrf-2表达的增强可以增加谷胱甘肽过氧化物酶1(GPx1)的转录和降低ROS水平，导致GSC对放疗的抗性。对miR-153进行过表达可以增加ROS的产生并使GSC对放射增敏[22]。细胞对ROS产生增加的适应导致了放射抗性，Bmi-1是一个与肿瘤细胞放射抗性相关的癌基因。miR-128a是抑制Bmi-1表达的特异性miRNA。在U-87MG脑胶质瘤细胞中，X线辐射以剂量依赖的方式抑制细胞生长。U-87MG细胞在暴露于X线辐射24 h后，细胞周期分布改变，G0/G1期细胞数量增加。在1和2 Gy组中，Bmi-1的mRNA表达水平下调，在6和8 Gy组中上调。1号和2号Gy组miR-128a的表达水平上调，8 Gy组下调。暴露于≥2Gy后，ROS水平升高，加入N-乙酰半胱氨酸能够诱导放射抗性。这些结果表明高剂量的X线辐射增加了Bmi-1的表达水平，同时miR-128a水平下降，ROS水平上升，说明ROS可能参与了U-87MG细胞中X线辐射的抑制作用机制， 并且ROS的下调可能诱导放射抗性[26]。电离辐射可以引起胶质瘤细胞系U-251的miR-193a-3p表达的变化，miR-193a-3p表达增加通过γH2AX诱导细胞内ROS和DNA损伤的积累，从而诱导细胞凋亡。抗氧化处理可以阻断miR-193a-3p诱导的凋亡和DNA损伤，表明ROS在miR-193a-3p的调控机制中起关键作用。进一步研究显示，Mcl-1是miR-193a-3p的直接靶标。通过siRNA转染使Mcl-1下调，模拟miR-193a-3p转染的结果，显示ROS、DNA损伤、细胞色素C的释放和细胞凋亡都有所增加[27]。

替莫唑胺(TMZ)是一种口服烷基化剂，广泛应用于难治性胶质瘤。然而，癌细胞渗透性差和耐药性限制了该药物的疗效。miR-155为一种致癌miRNA，并且在成胶质细胞瘤中高表达。MAPK13和MAPK14作为肿瘤抑制基因在降低ROS的积累、诱导细胞凋亡和减缓癌进展方面发挥重要作用。敲除miR-155可以通过靶向MAPK13和MAPK14加强TMZ对脑胶质瘤细胞U87的抗肿瘤作用，使细胞对化疗增敏[28]。敲除miR-183/96/182簇也可以通过调节ROS介导的凋亡途径抑制胶质瘤细胞的增殖，增强TMZ对胶质瘤细胞的抗癌作用[17]。

4 问题与展望

细胞氧化还原系统的改变是导致癌细胞恶性和增殖的重要因素，ROS在很大程度上促进了脑胶质瘤细胞的快速增殖及对传统治疗方法的抵抗。癌细胞由于其高基础代谢率，与正常细胞相比更容易受到针对细胞氧化还原状态的治疗药物的影响，如新的氧化还原疗法可以减少氧化应激，防止细胞损伤和高突变率，减少免疫抑制环境。利用ROS破坏细胞微环境中的氧化还原平衡，改变氧化还原稳态和以降低它们的增殖率并诱导异常细胞分化或凋亡，可以为癌的治疗提供新的思路。在多种肿瘤包括脑胶质瘤中，miRNA通过其广泛的作用也参与了ROS调控，因此以miRNA作为调控ROS的重要因子，可能成为脑胶质瘤治疗中潜在的靶点，为基因诊断和治疗提供了新的突破，这有助于提高脑胶质瘤的治疗效率，延长患者的生存期。