調(diào)控DNA損傷修復(fù)的miRNA

1、 調(diào)控DNA損傷修復(fù)基因的microRNA摘要：腫瘤的發(fā)生是個多級的過程，正常細(xì)胞的基因組受到各種各樣的損傷而無法修復(fù)時，就有可能發(fā)生癌變轉(zhuǎn)化為腫瘤細(xì)胞。細(xì)胞為了保護(hù)其基因組的完整性，會需要一套復(fù)雜的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，當(dāng)細(xì)胞的DNA受到損傷時，細(xì)胞就會啟動該系統(tǒng)，引起細(xì)胞周期阻斷、凋亡或者進(jìn)行DNA損傷修復(fù)。放、化療是通過引起DNA損傷而殺死腫瘤細(xì)胞的，也是一種主要的腫瘤治療方法。損傷DNA修復(fù)蛋白，使細(xì)胞損傷無法修復(fù)，就能增加腫瘤放、化療的效率。近年來，越來越多的證據(jù)證明microRNA（miRNA）參與DNA損失修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控過程。miRNA是一類內(nèi)源性的小的非編碼RNA，能在轉(zhuǎn)錄后水平

2、調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。由于其本身的特性，miRNA在許多生命進(jìn)程中扮演著重要角色，本文探討了miRNA在DNA損傷修復(fù)通路和腫瘤中的作用。關(guān)鍵詞：DNA損傷修復(fù)通路；miRNA；調(diào)控1、前言DNA損傷修復(fù)（DDR）通路是一個復(fù)雜的信號傳導(dǎo)通路，在DNA損傷之后被激活。人體基因組DNA每時每刻都在遭受著來自體內(nèi)外的各種因子的攻擊而被損傷，細(xì)胞為了保護(hù)基因組的完整性，會啟動DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，使細(xì)胞發(fā)生周期阻滯，最終細(xì)胞被修復(fù)或者凋亡1。許多研究已證實(shí)，許多基因會在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平參與上述過程。miRNA是一類能在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達(dá)的分子，長為19-25nt，通過特異性識別mRNA3非編碼區(qū)（UTR

3、）引起mRNA降解或轉(zhuǎn)錄抑制2。miRNA在細(xì)胞分化、增殖、個體生長及疾病發(fā)生等過程中發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用。如在DNA損傷修復(fù)通路中，miRNA能調(diào)節(jié)多種修復(fù)基因，在DNA損傷引起的疾病如腫瘤發(fā)生發(fā)展中起重要作用。2、DNA損傷應(yīng)答人體基因組 DNA 時刻都在遭受著各種因子的攻擊而被損傷。根據(jù)損傷因素的來源，可劃分為內(nèi)源性因素(自發(fā)性損傷)和外源性因素(環(huán)境誘導(dǎo))。內(nèi)源性因素包括代謝和生化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，如活性氧 (ROS)、醛類、腺苷甲硫氨酸等3-5。這些內(nèi)源性因素主要引起 DNA 堿基的一些修飾，如氧化、烷化、去氨基化、去嘧啶化、去嘌呤化等。Hoeijmakers6報(bào)道估計(jì)，每個

4、細(xì)胞每天要遭受 105次以上的自發(fā)性損傷。堿基間的錯配是另外一種發(fā)生在 DNA 復(fù)制過程中的自發(fā)性損傷7。在所有類型的損傷當(dāng)中，DNA雙鏈斷裂(double strand breaks, DSBs) 被認(rèn)為是最嚴(yán)重的損傷方式，單個未能被修復(fù)的 DSB 足以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。在減數(shù)分裂期的V(D)J 重排過程中也會產(chǎn)生自發(fā)的 DNA 雙鏈斷裂8。外源性的 DNA 損傷因素包括物理性和化學(xué)性因素。物理性因素包括環(huán)境中的紫外線 (UV) 和離子輻射 (X 射線、- 射線等 )。太陽光中的 UV 照射后產(chǎn)生嘧啶二聚體和 6-4 光產(chǎn)物6，離子輻射如宇宙射線、放射治療過程中產(chǎn)生的輻射等可造成DNA 鏈的斷裂

5、。癌癥治療用的眾多化療藥物也能造成大量的 DNA 損傷，如甲基磺酸甲酯 (MMS) 造成的烷基化、絲裂霉素 C (MMC) 造成的交聯(lián)、順鉑 (cisplatin) 和氮芥等引起的鏈內(nèi)和鏈間交聯(lián)等。其他化學(xué)藥物，如拓樸異構(gòu)酶的抑制劑喜樹堿(camptothecin, CPT) 和 Etoposide 與拓樸異構(gòu)酶 I/II和 DNA 共價(jià)結(jié)合的復(fù)合物形成穩(wěn)定的三元復(fù)合物從而造成 DNA 復(fù)制依賴的單鏈或雙鏈斷裂。9細(xì)胞所攜帶的 DNA 雙鏈斷裂在后續(xù)細(xì)胞增殖前必須被移除，彰顯了DNA 損傷應(yīng)答的重要性。細(xì)胞對 DNA 損傷所做出的響應(yīng)統(tǒng)稱為 DNA損傷應(yīng)答。DDR 分為 DNA 損傷信號傳遞和

6、 DNA修復(fù)。DNA 損傷信號傳遞大致可以分為損傷感應(yīng)階段、信號傳遞階段和效應(yīng)階段，對應(yīng)的參與其中的蛋白質(zhì)稱之為感應(yīng)激酶、中介因子、效應(yīng)激酶和效應(yīng)因子。3、 miRNA的合成及功能miRNA是近年來發(fā)現(xiàn)的，一類長度為18-25nt的非編碼RNA,這是一種廣泛存在于真核生物中的內(nèi)源性單鏈小分子RNA。miRNA在細(xì)胞分裂、凋亡、分化及細(xì)胞信號傳導(dǎo)等過程中發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用10-12。在人類基因組中大約有30%的基因會與miRNA發(fā)生作用13。miRNA的發(fā)生及功能機(jī)制已有報(bào)道。首先，miRNA由內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄生成，經(jīng)RNA聚合酶作用后形成初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物pri-miRNA，在RNase家族酶Dro

7、sha的作用下加工成70-100nt的前體pre-miRNA，pre-miRNA具有特征性莖環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)后經(jīng)Dicer酶的作用成為雙鏈miRNA，最后在解旋酶的作用下生成成熟的miRNA。成熟的miRNA與Argonaute蛋白和靶基因一起形成轉(zhuǎn)錄沉默復(fù)合體（RNA-induced silencing complex，RISC ），在轉(zhuǎn)錄沉默復(fù)合體中，miRNA通過與靶mRNA的3端非編碼區(qū)（Untranslation region，UTR）相結(jié)合，降解該mRNA或抑制其翻譯活性，從而在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平實(shí)現(xiàn)對靶基因的表達(dá)調(diào)控14（如圖1）。4、調(diào)控DNA損傷基因的miRNA 隨著腫瘤發(fā)生

8、率的卒年上升，人們越來越重視細(xì)胞損傷應(yīng)答與修復(fù)基因在腫瘤發(fā)生、發(fā)展治療等方面的研究。同時，隨著人們對miRNA認(rèn)識的不斷加深，其對DNA損傷修復(fù)基因調(diào)控的作用也越來越受到重視。4.1調(diào)控ATM基因的miRNAATM基因是共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張癥（ataxia-telangiectasia,AT）的致病基因，也是DNA損傷修復(fù)途徑中的重要基因。Hu等15發(fā)現(xiàn)，ATM3非編碼區(qū)2-8位核苷酸序列和miR-421序列精確互補(bǔ)配對，在miR-41高表達(dá)的HeLa細(xì)胞中ATM的表達(dá)水平明顯降低，但其mRNA水平并無明顯下降，說明miR-421在翻譯水平對ATM具有明顯的負(fù)向調(diào)節(jié)作用，這也正符合miRNA

9、的特點(diǎn)。Galluzzi等16在研究非小細(xì)胞癌時發(fā)現(xiàn)，miR-630通過抑制ATM激酶的磷酸化從而抑制DNA損傷修復(fù)，藥理學(xué)和基因?qū)W方法證實(shí)，miR-630可以阻斷上游傳導(dǎo)通路，抑制ATM對p53基因的激活，有力的解釋了為什么AT患者肺癌的發(fā)生率明顯高于正常人。另外，在研究miRNA負(fù)向調(diào)節(jié)的同時還發(fā)現(xiàn)，有些miRNA可以通過調(diào)節(jié)相關(guān)基因的抑制因子，間接正向調(diào)控相關(guān)基因。Zhang等17發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌中，miR-16大量表達(dá)可通過抑制Wip1（ATM基因的抑制因子）使ATM的表達(dá)上調(diào)，從而抑制腫瘤細(xì)胞的自我更新和生長。4.2調(diào)控H2AX基因的miRNAH2AX是H2A蛋白家族的主要成員之一，研

10、究發(fā)現(xiàn)H2AX的SQE結(jié)構(gòu)域在DNA損傷修復(fù)過程中可被ATM、ATR、DNA-PK等磷酸化，轉(zhuǎn)變?yōu)?H2AX，在雙鏈DNA損傷中發(fā)揮重要作用18。Lal等19發(fā)現(xiàn)，在miR-24高表達(dá)的終末分化造血細(xì)胞中，H2AX基因的mRNA和蛋白表達(dá)都受到明顯的抑制，將miR-24轉(zhuǎn)染細(xì)胞，細(xì)胞的DNA損傷修復(fù)能力明顯下降，細(xì)胞對射線及細(xì)胞毒性藥物的敏感性增加。Galluzzi等16研究發(fā)現(xiàn)，miR-630可以通過直接抑制ATM基因通路下游的H2AX蛋白的表達(dá)，進(jìn)而多靶點(diǎn)地抑制DNA損傷修復(fù)。4.3調(diào)控BRCA1/BRCA2家族的miRNA乳腺癌易感基因BRCA1是重要的抑癌基因，定位于人染色體17q12

11、-2。研究表明，BRCA1基因參與調(diào)控細(xì)胞周期，誘導(dǎo)DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞凋亡、控制基因轉(zhuǎn)錄、泛素化等重要的細(xì)胞活動，是維持細(xì)胞基因組穩(wěn)定的重要調(diào)控因子。Shen等20在乳腺癌研究中提出，miRNA可以調(diào)控多種抑癌基因和原癌基因。miRNA的遺傳變異可調(diào)控這些基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致腫瘤的易感性。更多研究21表明，miR-146a可特異的結(jié)合BRCA1/BRCA2是3UTR，因此BRCA1/BRCA2是miR-146a的潛在靶點(diǎn)。體外將miR-146a轉(zhuǎn)入乳腺癌MCF-7細(xì)胞后檢測發(fā)現(xiàn)，BRCA1/BRCA2表達(dá)抑制情況具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，證實(shí)了miR-146a通過抑制BRCA1/BRCA2表達(dá)從而使乳

12、腺癌、卵巢癌的易感性明顯增強(qiáng)。4.4調(diào)控p53基因的miRNAP53基因是目前發(fā)現(xiàn)的最為重要的抑癌基因，與細(xì)胞生長、凋亡、癌變等關(guān)系密切，在大腸癌、肝癌、胃癌等惡性腫瘤中的突變率在50以上。近年來對p53下游靶基因的研究突飛猛進(jìn)，特別是與miRNA研究相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)其通過調(diào)節(jié)miR-34家族及miR-29家族表達(dá)發(fā)揮細(xì)胞關(guān)卡作用，參與細(xì)胞基因損傷修復(fù)、細(xì)胞程序性死亡等重要環(huán)節(jié)。但對以p53基因?yàn)榘悬c(diǎn)的miRNA的研究卻不多見。Le等22對神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)敢表達(dá)的miR-125b研究發(fā)現(xiàn)，miR-125b在斑馬魚和人類中可下調(diào)p53基因的表達(dá)及p53蛋白的合成，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在放療或羥基喜樹堿化療后，mi

13、R-125b表達(dá)明顯降低，相應(yīng)的p53蛋白的表達(dá)在DNA損傷細(xì)胞中明顯增加，充分說明了p53為miR-125b的靶點(diǎn)之一。此后，Zhang等23發(fā)現(xiàn)miR-125b的靶點(diǎn)也是p53基因，這不難推想miR-125家族通過抑制p53基因表達(dá)使細(xì)胞對DNA損傷修復(fù)能力減弱，以及抑制凋亡從而導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。除miR-125家族外，Xie、Tian等24-25報(bào)道m(xù)iR-106、miR-150、miR-1285下調(diào)的同時，p53的表達(dá)明顯升高，經(jīng)檢測其都可以和p53轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的3UTR結(jié)合，充分說明p53為多個miRNA的靶點(diǎn)，受到miRNA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。結(jié)語 細(xì)胞DNA受到損傷后，將會激發(fā)一系列生物學(xué)行為

14、，導(dǎo)致多個DNA損傷修復(fù)基因及多條修復(fù)路徑的激活。而這一切生物學(xué)行為都將受到miRNA網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控。到底有多少miRNA可以調(diào)控DNA損傷修復(fù)還不清楚，其具體調(diào)節(jié)機(jī)制也有待于進(jìn)一步探求。隨著對DNA損傷基因、途徑及miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)了解的不斷深入，將可能為DNA損傷相關(guān)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展提供新的線索，同時也為腫瘤的診斷和治療提供新的思路和策略。參考文獻(xiàn)1 S. P. Jackson and J. Bartek, “The DNA-damage response in human biology and disease,” Nature, vol. 461, no. 7267, pp. 107110

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