miRNA 影响苯并[a]芘诱发毒性的机制研究进展

袁 莉， 贾颖宇， 骆 莹

（1. 陕西师范大学 西部果品资源高值利用教育部工程中心， 陕西 西安 710119；2. 陕西师范大学 食品工程与营养科学学院,陕西 西安 710119）

苯并[a]芘（B[a]P）是由芘和苯稠合而成的一类多环芳香烃类化合物（PHAs），主要包括1，2-B[a]P、3，4-B[a]P。 它广泛存在于水、空气、土壤以及煤、石油等能源物质燃烧所产生的各种烟气中[1]。 此外，食物在熏制、烘烤和煎炸等高温加工过程中，脂肪、胆固醇、蛋白质和碳水化合物等经过一系列反应产生包括B[a]P 在内的PHAs 类物质。 B[a]P 不仅会污染食品、气体、水体，且具有极强的生物毒性，如致癌性、致突变性及间接致畸性。 它是世界上公认的致癌物之一，也是研究较深入的致癌PHAs 之一。

微小RNA（miRNA）是单链（17~25 个核苷酸）非编码RNA， 通过mRNA 降解或翻译抑制负调控特定的靶基因[2]。 miRNA 是由RNA 聚合酶II 在细胞核中转录的一种转录产物pri-miRNA[3]，然后在核酸酶Drosha 和辅因子DGCR8/Pasha 组成的微处理器复合体中被剪切成具有60~70 个核苷酸5′磷酸基团和3′末端二核苷酸茎环结构的miRNA 前体（per-miRNA）[4]。 miRNA 参与调控细胞增殖、分化、凋亡、稳态和应激反应等多种生命活动[5]。 其作用机制主要为以下两种情况： 第一种是miRNA 与靶mRNA 完全互补结合， 降解mRNA 并抑制其翻译；第二种是成熟的miRNA 不与靶mRNA 非翻译区完全互补结合，在mRNA 结构不被破坏的前提下抑制其翻译。 根据转录机制可将miRNA 分为独立转录miRNA、寄生转录miRNA 及共转录miRNA[6]。

近年来，miRNA 被广泛研究， 发现和鉴定的miRNA 也越来越多。 截至2021 年，已报道人类有2 693 个成熟的miRNA（miRBase v22.1）[7-8]。 诸多研究表明，一些miRNA 表达的改变与B[a]P 的毒性作用密切相关。 因此，作者以miRNA 在B[a]P 诱发毒性过程中的表达和功能展开综述。

1 miRNA 在B[a]P 诱发癌变过程中的作用

miRNA 是一种新的肿瘤发生发展调控因子，既可下调原癌基因表达， 也可下调抑癌基因的表达。miRNA 在多种组织中表达稳定，具有较高的敏感性和特异性，且具有检测简单、快捷及价格低等多种优势，使miRNA 成为肿瘤的特异性检测标志物，有助于肿瘤的诊断和治疗[9]。 miRNA 在B[a]P 诱发毒性过程中的作用见表1。

表1 miRNA 在B[a]P 诱发毒性过程中的作用Table 1 Effect of miRNA on toxicity induced by B[a]P

1.1 肺癌

miRNA 与肺癌的相关性备受关注。Halappanavar 等人[10]对口服B[a]P 的小鼠肺部DNA加合物、基因和miRNA 表达进行定量测定，发现高剂量组（300 mg/kg）和低剂量组（150 mg/kg）中分别有13 个和9 个miRNA 表达异常， 其中，miR-34c、miR-34b-5p、miR-29b、miR-141、miR199a-5p、miR-125a-5p 和miR-200c 均上调，miR-122、miR-142-3p、miR-144 和miR-142-5p、miR-150 和miR-451 均下调。 这表明miRNA 与B[a]P 导致的肺毒性密切相关。

肺癌多发于上皮细胞。 最近的研究发现，B[a]P在诱导人支气管上皮细胞恶性转化过程中，miR-17 -5p、miR -22、miR -106a、miR -320、miR -494、miR-638、miR-506 和miR-34c 等多个miRNA 表达异常。 吴延等人发现，在anti-BPDE 恶性转化细胞中miR-160a 和miR-17-5p 的高表达能够影响16HBE- T 人气道上皮细胞的增殖能力、 细胞周期和细胞凋亡率[11]，表明miR-106a 和miR-17-5p 在anti-BPDE 致癌过程中发挥类癌基因的作用。此外，anti-BPDE 恶性转化细胞中miR-494 和miR-22 可在转录后水平反向调控靶基因PTEN 表达， 发挥类癌基因作用[12]。 mir-493-5p 表达水平的改变会影响anti-BPDE 恶性转化细胞的增殖能力， 低表达的mir-493-5p 可能也发挥了类抑癌基因的作用[13]。Yao 等人[14]认为miR-506 对癌基因N-Ras 具有靶向作用，且作为潜在的肿瘤抑制因子发挥作用。 这些研究表明，miRNA 在B[a]P 致癌过程中可调控癌基因或抑癌基因的表达。Li 等人发现miR-638 通过靶向BRCA1 参与B[a]P 诱导的癌变过程[15]；miR-29a可能主要在G1/S 和S/G2 期修复DNA 损伤，促进细胞从G1 期向S 期转变， 即miR-29a 可阻滞癌细胞增殖和扩散，促使癌细胞凋亡，降低5-脂氧合酶介导B[a]P 活化致癌作用[16]；抑制miR-320 表达可削弱B[a]P 导致的小鼠原代支气管上皮细胞G1 期阻滞，并通过调控CDK6 的表达影响细胞周期[17]。 同时，miR-494、miR-34c 也可影响B [a]P 暴露后的细胞周期[18]，从而促进细胞的转化。

1.2 肝癌

肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是发病率和致死率较高的一种肿瘤疾病，多由慢性肝硬化、病毒感染（HBV、HCV）等慢性肝脏疾病导致。miRNA 的异常表达在HCC 的发生、 发展过程中发挥重要作用。

miR-181 家族的成员 （miR-181a-1-5p、miR-181a-2-5p、miR-181b-1-5p 和3p 以及miR-181b-1）已经被证明参与了肝癌发生[19]。 Florian 等人[20]对暴露B[a]P 后的小鼠肝脏基因表达谱进行分析发现，miR-181 家族的两个成员miR-181a 和miR-181b表达上调，且mir-181a-1-3p 持续高表达，可能通过抑制MGMT DNA 修复酶从而引发癌变。 B[a]P 暴露会导致肝脏DNA 加合物的形成和突变分子中lacZ转基因的突变。 但是，B[a]P 暴露28 d 后，小鼠肝脏miRNA 的变化很小， 仅有miR-34a 发生了显著改变，即使在最低剂量（25 mg/kg）的B[a]P 中，miR-34a 的表达也显著升高， 因此认为miR-34a 可能是肝脏DNA 损伤反应的敏感指标[21]。

长期暴露于高诱变剂量的B[a]P 会引起肝毒性和肺毒性，并干扰miRNA 的表达。 相比之下，B[a]P对肺部miRNA 的影响更强烈。 诸多研究表明，miRNA 在B[a]P 诱发肺癌过程中起着重要的调节作用，其有望作为B[a]P 诱导肺癌的生物标志物，可用于肿瘤的早期筛查。 可能由于miRNA 在肝脏中稳定性较高，所以对于miRNA 在B[a]P 诱导肝癌的研究相对较少。 也有研究表明B[a]P 可诱导小鼠肝癌和结肠癌[22-23]，但有关miRNA 在B[a]P 诱导其他癌症中的研究很少，因此未来的研究可以更多集中在暴露B[a]P 后其他癌症组织中早期miRNA 的反应。

2 miRNA 在B[a]P 诱发神经毒性中的作用

B[a]P 具有高度亲脂性，可透过血脑屏障进而威胁神经系统。 有研究发现，腹腔注射B[a]P 可使小鼠表现出学习和记忆功能障碍、自发活动减少和抑郁样行为增加[24]，说明B[a]P 能诱发小鼠神经毒性效应。 在B[a]P 致小鼠抑郁样行为中，小鼠皮质组织中miR-10b、miR-124、miR-134 及miR-155 的高表达可能是B [a]P 致神经细胞损伤的原因。 其中，miR-124 和miR-134 的表达上调最显著，可能是主要机制[25]。 miR-10 有miR-10a 和miR-10b 共2 种成熟序列，与结肠癌、肺癌及胰腺癌等癌症的发生、发展有紧密联系。 研究表明，B[a]P 染毒组小鼠大脑皮质miR-10b 表达上调，且与大脑皮质神经细胞凋亡呈明显正相关；miR-124 是神经系统中表达最丰富的miRNA，miR-134 是神经系统中高度特异表达的miRNA，在神经系统发育的过程中，这2 种miRNA在促进神经干细胞向神经元分化方面发挥作用。B[a]P 染毒后，miR-124 和miR-134 表达上调最显著，且与大脑皮质神经细胞凋亡呈正相关，这表明它们与神经细胞凋亡密切相关， 该实验还验证了BDNF 为miR-134 的靶 基 因，BDNF/TrkB/CREB 信号通路被抑制是B[a]P 导致神经细胞损伤的主要原因。炎症模型小鼠神经细胞中miR-155 水平显著升高，miR-155 被敲除后可减轻炎症反应。 同时，B[a]P高剂量组（10 mg/kg）的小鼠大脑皮质组织miR-155表达上调，且小鼠有明显炎症反应，表现为肛门和眼部黏膜红肿，这表明高表达miR-155 在B[a]P 诱发神经毒性过程中可能发挥了促炎作用[26]。

3 miRNA 在B[a]P 诱发生殖毒性中的作用

据报道，长期接触亚致命剂量（10 μg/kg）的B[a]P 会影响类固醇生成和精子生成，导致成年雄性大鼠的生育能力下降[27]。 Brevik 等研究了雄鼠暴露于B[a]P 对发育中的小鼠胚胎miRNA 表达的影响[28]，结果发现小鼠胚胎中的几种miRNA 表达异常， 一些失调的miRNA 的靶基因在许多不同的途径中富集， 这些途径可能与发育中的小鼠胚胎有关，在某种程度上可能对胚胎的发育有害，基于公开可用的数据库鉴定了一些可能作为B[a]P 介导的遗传毒性应激的全局标记的miRNA 靶基因， 发现miR-210、miR-294 和miRs-466f-5p 在组织中高度表达，但相关作用机制尚不明确，需要进一步研究来解释早期胚胎miRNA 的表达失调。

4 miRNA 与多环芳烃受体

4.1 多环芳烃受体简介

多环芳烃受体 （AhR） 是碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH） 转录因子超家族中PAS （periodicity /aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator /single-minded，PAS） 的亚家族成员之一，是一种配体激活转录因子[29]。 AhR 具有多种配体，除了PAHs、PCBs、卤代芳烃等外源性配体还有大量内源性植物化学物质[30]。当无配体结合时，大多数AhR 位于细胞质中， 与热激蛋白90 （heat shock protein 90，HSP90） 二聚体及乙型肝炎病毒X 蛋白结 合 蛋 白 2 （hepatitis B virus X protein -associatedprotein 2，XAP2）结合，形成复合物。 除了HSP90 和XAP2，AhR 复合物中还包括其他的蛋白因子如p23，可促进AhR 与DNA 的结合能力，也能促进基因的转录。 ARNT 是AhR 核转位蛋白，存在于许多动物、植物以及原核生物中，它位于细胞核内，并在体内大量表达。

AhR 与配体结合并被其激活后，AhR 与ARNT形成二聚体，之后进入细胞核发挥作用。 AhR 直接或间接调控大量基因， 这些基因参与多种生化途径，包括能量代谢、脂质和胆固醇合成、异生素代谢等[31]。 AhR 还参与了对细胞正常稳态至关重要的各种信号通路，这些信号通路涵盖了生理学的多个方面，如细胞增殖和分化、细胞运动和迁移、炎症等，而这些生理过程的失调会引起机体相应疾病的发生[32]。

4.2 多环芳烃受体的作用机制

在缺乏配体的情况下，AhR 与HSP90、XAP2 以复合物的形式存在于细胞质中，而当配体与AhR 结合后，复合物中的其他成分解离出来，游离的AhR进入细胞核中与ARNT 结合[33]。 AhR 与ARNT 形成的二聚体转位至核内，与外源性化学物质调节元件（xenobiotic regulative element，XRE）结合，介导一系列外源性代谢酶的表达，包括I 相代谢酶（主要是细胞色素P450 超家族成员，如CYP1A1、CYP1B1 等）和II 相代谢酶（谷胱甘肽转移酶、葡萄糖醛酸转移酶等）的表达，从而使机体对外源性化合物产生毒性反应[34]。

4.3 miRNA 对B[a]P 诱发AhR 激活的影响

有研究表明，AhR 与miRNA 之间存在一定联系，AhR 的表达对于细胞miRNA 水平的生理调节是必不可少的， 阐明AhR 和miRNA 之间的功能关系可能会发现AhR 的其他新的非配体依赖性作用。

AhR 配体B[a]P 可以改变miRNA 表达，但是对于AhR 是否能独立影响miRNA 表达尚不清楚。Hecht 等人对AhR 的存在是否影响miRNA 表达水平进行了研究[35]，分析了AhR-/-和AhR+/+小鼠的肺成纤维细胞（即没有外源性配体）中miRNA 表达。 结果发现，与AhR+/+细胞相比，许多miRNA 在AhR-/-中的表达差异超过3 倍， 其中，miR-196a 和miR-146a 表达下调，miR-134 表达上调。 进一步通过RT-qPCR 验证miR-134、miR-146a 和miR-196a 的表达水平后发现，AhR 可促进暴露于1 μmol/L B[a]P的AHR+/+细胞中miR-196a 的表达； 将AhR-/-和AhR+/+成纤维细胞与未处理细胞相比， 发现B[a]P 作用24 h 后miR196a 表达显著降低。 AhR 配体B[a]P使得miR-196a 表达减少的同时，AhR 蛋白质水平也减少， 表明AhR 表达对提高肺纤维细胞中miR-196a 的基础水平至关重要。 研究发现由TCDD（2，3，7，8-四氯二苯-p-二口惡英）和DIM（3，3’二吲哚甲烷） 激活的AhR 参与了乳腺癌细胞中miR-212/132 的上调，且AhR 通过与miR212/132 启动子结合进而调节miR-212/132 的转录[36]。 此外，如图1所示，miR-125b 作为AhRR 的抑制剂可控制AhR活性和细胞存活， 用miR-125b 模拟物转染NRK52E 细胞可以降低AhRR 水平，转染miR-125b（miR-125b-ASO）的反义寡核苷酸（ASO）可延缓顺铂降低细胞活力，促进了AhRR 的表达，表明miR-125b 可抑制AhRR mRNA 翻译，降低顺铂引起的肾脏毒性[37]。 由此可推测，miR-125b 通过抑制AhRR激活AhR 对mdm2 的诱导作用， 并通过AHR 抑制TGF-β1（转化生长因子β1 蛋白，它可降低AhR 的转录能力以及miR-196a 的表达）， 这表明促进miR-196a 的表达可能是miRNA 影响B [a]P 激活AhR 的重要作用方式。

图1 B[a]P 介导的AhR-miRNA 信号通路Fig. 1 Signaling pathway of AhR-miRNA mediated by B[a]P

5 展 望

非编码RNA 是重要的表观遗传学机制， 近年来对非编码RNA 的研究越来越深入，从miRNA 到lncRNA 再到circRNA 的研究逐渐扩大了表观遗传学的领域。 非编码RNA 的功能也越来越完善，其可以在转录调控、RNA 修饰、甚至mRNA 翻译等方面发挥重要作用。 众多对miRNA 的研究揭示了它们的多种生物学功能，包括控制细胞增殖、细胞周期、细胞凋亡、关键转录后调节因子等。 它们的失调可能导致基因表达异常，从而威胁人体健康。 miRNA表达异常在B[a]P 诱导的毒性效应中起着重要作用，miRNA 与B[a]P 的致癌性有着密切的关系，miRNA将有望成为肿瘤新的诊断标志物及基因治疗的有效靶点。 近年来，与AhR 有关的治疗肿瘤的药物也受到了广泛关注，随着对AhR 相关信号通路的进一步研究，有助于深入了解B[a]P 的致癌机制，更重要的是可从AhR 信号通路入手， 结合miRNA 的作用为B[a]P 毒性的防治提供新的途径。 但是， 有关miRNA 参与调节B[a]P 毒性过程的作用机制尚不完全明了， 充分发掘和揭示miRNA 的异常表达和功能作用可为B[a]P 危害诊断和制定控制策略提供方向。