消化系统疾病中miRNA异常表达调控机制的研究进展*

陈永泽 周 宇 吴巍芸

广东医科大学附属医院消化内科(524001)

微小RNA(miRNA)是一种长度为20～25 bp的非编码单链内源性RNA，通过与靶mRNA的3’非翻译区(UTR)结合来调节其转录、翻译, 广泛参与细胞增殖、凋亡、代谢以及分化等过程[1]。MiRNA异常表达导致多种消化系统疾病的发生、发展，包括结直肠癌(CRC)、原发性肝细胞癌(HCC)、食管癌、胃癌等肿瘤性疾病以及溃疡性结肠炎(UC)、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)、肝纤维化等非肿瘤性疾病。本文就消化系统疾病中miRNA异常表达调控机制的研究进展作一综述。

一、MiRNA的生物合成和生物学功能

研究[2]表明，一部分miRNA来源于编码蛋白基因的内含子区域，既可与宿主基因共享启动子和调节元件，与宿主基因的表达水平一致，亦可有特定启动子的存在，与宿主基因的表达无相关性。另有一部分miRNA来自于独立的非编码转录本，其中多数位于转录本的内含子区，少数位于外显子区[3]。细胞核内编码miRNA的基因在RNA聚合酶Ⅱ的催化下，转录成含有5’帽结构和3’多聚A尾结构的初始miRNA(pri-miRNA)，随后Ⅲ类RNA酶Drosha将pri-miRNA切割成70～100个核苷酸的前体miRNA(pre-miRNA)[4]；再由输出蛋白5输出至细胞质中，而后pre-miRNA被另一种Ⅲ类RNA酶Dicer加工成约22个核苷酸长度的成熟双链RNA[5]；接着在解旋酶的作用下，双链miRNA分子被分解成为单链。MiRNA与Ago蛋白等组成RNA诱导沉默复合体(RISC)，通过完全互补的方式与靶mRNA的3’UTR结合并使其裂解, 或通过不完全互补的方式与靶mRNA的3’UTR结合并抑制其蛋白翻译, 从而在转录或转录后水平调控靶基因的表达[6]。

二、MiRNA表达的调控

MiRNA表达在生物体内呈时间和空间的特异性。时间特异性是指miRNA在不同时间或发育阶段的表达存在差异[7]；空间特异性指miRNA在不同细胞或组织中的表达水平不一致[8]。MiRNA异常表达会引起下游靶基因失调，导致疾病的发生、发展。故miRNA的合成和降解均受精密调控。目前认为，对miRNA的调控主要包括以下几个方面：①表观遗传调控：常见DNA甲基化和组蛋白修饰，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而调控基因表达[9]。如miR-125在CRC中的表达下调是由于其启动子区甲基化所致[10]。一般情况下，组蛋白乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体解离，核小体结构松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合，激活基因转录，而组蛋白的去乙酰化则发挥相反的作用。②转录水平调控：miRNA基因转录水平的调控与普通蛋白编码基因的调控相似，其启动子区亦存在CpG 岛、TATA盒、起始元件和组蛋白修饰等，表明转录因子、增强子、沉默元件和染色质修饰等可通过参与调控miRNA启动子来发挥生物学效应[11]。Liu等[12]的研究显示，转录激活因子2(ATF2)在胃癌细胞中能与miR-132的启动子区相互作用，并促进其表达。③转录后调控：miRNA基因转录后，从pri-miRNA形成开始到最后加工成熟并组合成RISC的过程均受到调控，其机制主要有RNA编辑、miRNA微加工复合物的调控以及RNA结合蛋白对特异性miRNA的调控[13]。当RNA编辑发生在pri-miR-142和pre-miR-151上的相应位点后，可分别对Drosha和Dicer的加工处理过程产生抑制效应，从而抑制pri-miR-142和pre-miR-151的加工成熟过程[14]。④降解调控：miRNA成熟后的降解调控对维持体内miRNA的动态平衡具有重要意义，主要包括形成RNA-蛋白质复合体、顺式作用的修饰以及核酸酶降解等，上述机制可互相配合，共同调控miRNA的稳定性[15]。种系发育因子2(germ-line-development factor 2, GLD-2)是一种细胞质多聚A聚合酶，其可在成熟miR-122的3’端加入单个腺嘌呤残基，使miR-122更稳定，抑制其降解[16]。此外，随着近年对长链非编码RNA(lncRNA)和环状RNA(circRNA)研究的兴起，诸多研究结果表明lncRNA和circRNA可调控miRNA的表达，最常见的机制是lncRNA或circRNA作为与miRNA结合的竞争性内源RNA(competing endogenous RNA，ceRNA)，将miRNA与目标mRNA隔离，通过充当分子海绵来调控miRNA对靶基因的作用。Miao等[17]的研究发现，lncRNA NORAD在胃癌中可作为miR-618的ceRNA上调miR-618下游靶基因FOXO6表达，进而发挥促癌效应。He等[18]的研究结果显示，circVRK1通过竞争结合miR-624-3p，正性调控其下游靶基因PTEN的转录，从而抑制食管癌的发展。

三、消化系统疾病中miRNA异常表达的调控

1. 消化系统肿瘤中miRNA异常表达的调控

①CRC：He等[19]对CRC的研究显示，miR-214的宿主基因发动蛋白3(DNM3)启动子区高度甲基化是导致miR-214表达沉默的原因，而转录因子FOXD3可与miR-214启动子区结合，从而激活miR-214转录，表明miR-214在CRC中受表观遗传和转录因子的双重调控。Li等[20]的研究发现，lncRNA H19可作为miR-194-5p的分子海绵，通过竞争性结合抑制其表达，使miR-194-5p下游靶基因FOXM1表达上调，最终促进上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)，从而参与CRC的发生和转移。Wang等[21]的研究表明，lncRNA 34a可靶向与miR-34a启动子区结合，并通过其侧翼序列招募抗增殖蛋白2(PHB2)、DNA甲基转移酶3A(DNMT3A)以及组蛋白去乙酰化酶1(HDAC1)，使miR-34a启动子区甲基化和去乙酰化，沉默其表达，促进CRC的发生、发展。

②HCC：Xiao等[22]发现，DNMT3A能介导miR-639启动子区CpG岛高甲基化，从而下调miR-639在HCC的表达，促进肿瘤细胞迁移和侵袭。Zhou等[23]的研究显示，lncRNA NEAT1通过直接结合并抑制miR-22-3p转录，从而间接激活miR-22-3p下游靶基因丝氨酸/苏氨酸激酶2(AKT2)的表达，促进HCC发生、发展。此外，circ_0091579可与miR-490-3p的3’UTR结合抑制其转录，最终促进肿瘤细胞增殖[24]。

③食管癌：食管鳞状细胞癌(ESCC)占全部食管癌的90%以上[25]。研究[26]发现，经去甲基化试剂5-Aza-dC处理ESCC细胞株后，miR-203a和miR-203b表达升高，上调的miR-203a和miR-203b可抑制肿瘤细胞的侵袭能力，推测在ESCC的发生过程中，作为抑癌miRNA，miR-203a和miR-203b受近端启动子区甲基化调控而失活。Isozaki等[27]采用组蛋白去乙酰化酶抑制剂CHAP31处理ESCC细胞株并行miRNA阵列分析，发现miR-375上调最为明显，提示miR-375在ESCC中的表达受组蛋白乙酰化影响。Koumangoye等[28]的研究显示，SRY-box转录因子4(SOX4)通过激活和稳定Zeste增强子同源物2(EZH2)和HDAC3的表达，形成一个SOX4、EZH2和HDAC3的共抑制复合物，后者通过与miR-31启动子区结合沉默miR-31表达，从而促进ESCC肿瘤细胞的生长、侵袭和迁移。Chu等[29]的研究显示，lncRNA MNX1-AS1作为miR-34a的ceRNA，可通过调控miR-34a下游靶基因SIRT1的表达，导致ESCC的发生。

④胃癌：有研究[30]发现，DNMT3A在胃癌细胞中通过诱导miR-200c的CpG岛启动子甲基化，沉默miR-200c的表达。而miR-200c可直接靶向结合DNMT3A的3’UTR来抑制其转录，同时抑制肿瘤细胞的增殖和侵袭。miR-200c与DNMT3A形成一个反馈回路，表明miRNA可通过靶向结合DNA甲基转移酶，从而调节基因表达的表观遗传调控机制。在胃炎相关胃癌中，白细胞介素-1(IL-1)可激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路的中介分子原癌基因JunD和ATF2，两者作为转录因子，直接与miR-135b近端启动子相结合，正性调控miR-135b的表达，发挥致癌作用[31]。Xu等[32]的研究发现，miR-214-3p可靶向抑制RUNX3的转录，促进胃癌细胞的增殖、侵袭和迁移，而lncRNA MT1JP通过共享miR-214-3p的反应元件，竞争性结合内源性miR-214-3p，从而上调RUNX3的表达，抑制胃癌的进展。

2. 消化系统非肿瘤性疾病中miRNA异常表达的调控

①UC：Qiao等[33]的研究发现，在UC中，lncRNA ANRIL通过分子海绵作用与miR-323b-5p竞争结合，从而上调Toll样受体4(TLR4)的表达，激活核因子-κB(NF-κB)信号通路，促进UC的发生、发展。Law等[34]在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的小鼠实验性结肠炎中发现，神经降压素(neurotensin，NT)与其高亲和力受体NADPH依赖性硫氧还蛋白还原酶(NTR1)偶联后，可刺激miR-133α表达，从而激活MAPK和NF-κB信号通路，促进肠道炎症，表明NT可通过对miR-133α的调控在UC中发挥致病作用。

②NAFLD：Liu等[35]的研究发现，lncRNA H19作为miR-130a的ceRNA，可通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)的表达，促进脂肪变性并导致肝脏中脂质储积。Vinciguerra等[36]的研究显示，不饱和脂肪酸可激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)/NF-κB复合物，其中转录因子NF-κB p65可靶向与miR-21启动子区结合上调miR-21的表达，增强其对下游靶点PTEN的抑制作用，促进肝脏脂肪变性，导致NAFLD的发生。

③肝纤维化：肝星状细胞(HSC)激活所致的细胞外基质(ECM)蛋白沉积是肝纤维化发生的机制之一。Yu等[37]的研究发现，miR-9-5p可靶向抑制TGF-Smads信号通路中的关键分子转化生长因子β受体1(TGFBR1)和TGFBR2转录，从而抑制HSC激活；而miR-9-5p在肝纤维化中受表观遗传的调控，其启动子区高甲基化可沉默miR-9-5p的表达，导致HSC活化。亦有研究[38]发现，固醇调节元件结合转录因子2(SREBP2)可与miR-29的启动子区结合正性调控miR-29的表达，赖氨酸的特异性去甲基化酶4B(KDM4B)作为SREBP2的辅助因子，可通过与SREBP2的相互作用形成KDM4B-SREBP2复合物，增强SREBP2对miR-29启动子的激活效应，从而促进肝纤维化的进展。Fu等[39]对丙型肝炎病毒感染相关肝纤维化的研究发现，lncRNA ATB可通过竞争结合miR-200a调节β-连环蛋白的表达，从而激活HSC。

四、结语和展望

MiRNA的异常表达在消化系统疾病的发生、发展中扮演着重要角色，阐明miRNA的调控机制有助于疾病的早期诊断和治疗。目前对miRNA调控的研究除表观遗传学水平、转录水平、转录后水平和降解调控等，亦发现lncRNA和circRNA可通过发挥ceRNA的作用来影响miRNA表达。诸多miRNA 的失调与消化系统疾病的发生和发展密切相关，如今在消化系统疾病领域，已开展基于miRNA的分子靶向治疗，通过miRNA的上游调控来改变病变组织或细胞的miRNA水平，从而影响其特异性靶蛋白的表达，发挥延缓疾病进展的作用。随着对miRNA失调机制的进一步深入研究，将为消化系统疾病的临床诊断、预后以及治疗开拓更广阔的思路。