调控DNA损伤修复的miRNA

调控DNA损伤修复基因的microRNA摘要：肿瘤的发生是个多级的过程，正常细胞的基因组受到各种各样的损伤而无法修复时，就有可能发生癌变转化为肿瘤细胞。细胞为了保护其基因组的完整性，会需要一套复杂的DNA损伤修复系统，当细胞的DNA受到损伤时，细胞就会启动该系统，引起细胞周期阻断、凋亡或者进行DNA损伤修复。放、化疗是通过引起DNA损伤而杀死肿瘤细胞的，也是一种主要的肿瘤治疗方法。损伤DNA修复蛋白，使细胞损伤无法修复，就能增加肿瘤放、化疗的效率。近年来，越来越多的证据证明microRNA（miRNA）参与DNA损失修复网络的调控过程。miRNA是一类内源性的小的非编码RNA，能在转录后水平调节基因的表达。由于其本身的特性，miRNA在许多生命进程中扮演着重要角色，本文探讨了miRNA在DNA损伤修复通路和肿瘤中的作用。关键词：DNA损伤修复通路；miRNA；调控1、前言DNA损伤修复（DDR）通路是一个复杂的信号传导通路，在DNA损伤之后被激活。人体基因组DNA每时每刻都在遭受着来自体内外的各种因子的攻击而被损伤，细胞为了保护基因组的完整性，会启动DNA损伤修复系统，使细胞发生周期阻滞，最终细胞被修复或者凋亡[1]。许多研究已证实，许多基因会在转录和转录后水平参与上述过程。miRNA是一类能在转录后水平调控基因表达的分子，长为19-25nt，通过特异性识别mRNA3'非编码区（UTR）引起mRNA降解或转录抑制[2]。miRNA在细胞分化、增殖、个体生长及疾病发生等过程中发挥着重要的生物学作用。如在DNA损伤修复通路中，miRNA能调节多种修复基因，在DNA损伤引起的疾病如肿瘤发生发展中起重要作用。2、DNA损伤应答人体基因组DNA时刻都在遭受着各种因子的攻击而被损伤。根据损伤因素的来源，可划分为内源性因素(自发性损伤)和外源性因素(环境诱导)。内源性因素包括代谢和生化反应过程中产生的副产物，如活性氧(ROS)、醛类、腺苷甲硫氨酸等[3-5]。这些内源性因素主要引起DNA碱基的一些修饰，如氧化、烷化、去氨基化、去嘧啶化、去嘌呤化等。Hoeijmakers[6]报道估计，每个细胞每天要遭受105次以上的自发性损伤。碱基间的错配是另外一种发生在DNA复制过程中的自发性损伤[7]。在所有类型的损伤当中，DNA双链断裂(doublestrandbreaks,DSBs)被认为是最严重的损伤方式，单个未能被修复的DSB足以诱导细胞凋亡。在减数分裂期的V(D)J重排过程中也会产生自发的DNA双链断裂[8]。外源性的DNA损伤因素包括物理性和化学性因素。物理性因素包括环境中的紫外线(UV)和离子辐射(X射线、γ-射线等)。太阳光中的UV照射后产生嘧啶二聚体和6-4光产物[6]，离子辐射如宇宙射线、放射治疗过程中产生的辐射等可造成DNA链的断裂。癌症治疗用的众多化疗药物也能造成大量的DNA损伤，如甲基磺酸甲酯(MMS)造成的烷基化、丝裂霉素C(MMC)造成的交联、顺铂(cisplatin)和氮芥等引起的链内和链间交联等。其他化学药物，如拓朴异构酶的抑制剂喜树碱(camptothecin,CPT)和Etoposide与拓朴异构酶I/II和DNA共价结合的复合物形成稳定的三元复合物从而造成DNA复制依赖的单链或双链断裂。[9]细胞所携带的DNA双链断裂在后续细胞增殖前必须被移除，彰显了DNA损伤应答的重要性。细胞对DNA损伤所做出的响应统称为DNA损伤应答。DDR分为DNA损伤信号传递和DNA修复。DNA损伤信号传递大致可以分为损伤感应阶段、信号传递阶段和效应阶段，对应的参与其中的蛋白质称之为感应激酶、中介因子、效应激酶和效应因子。3、miRNA的合成及功能miRNA是近年来发现的，一类长度为18-25nt的非编码RNA,这是一种广泛存在于真核生物中的内源性单链小分子RNA。miRNA在细胞分裂、凋亡、分化及细胞信号传导等过程中发挥着重要的生物学作用[10-12]。在人类基因组中大约有30%的基因会与miRNA发生作用[13]。miRNA的发生及功能机制已有报道。首先，miRNA由内源基因转录生成，经RNA聚合酶Ⅱ作用后形成初级转录产物pri-miRNA，在RNaseⅢ家族酶Drosha的作用下加工成70-100nt的前体pre-miRNA，pre-miRNA具有特征性茎环结构，转运到胞质后经Dicer酶的作用成为双链miRNA，最后在解旋酶的作用下生成成熟的miRNA。成熟的miRNA与Argonaute蛋白和靶基因一起形成转录沉默复合体（RNA-inducedsilencingcomplex，RISC），在转录沉默复合体中，miRNA通过与靶mRNA的3端非编码区（Untranslationregion，UTR）相结合，降解该mRNA或抑制其翻译活性，从而在转录和转录后水平实现对靶基因的表达调控[14]（如图1）。4、调控DNA损伤基因的miRNA随着肿瘤发生率的卒年上升，人们越来越重视细胞损伤应答与修复基因在肿瘤发生、发展治疗等方面的研究。同时，随着人们对miRNA认识的不断加深，其对DNA损伤修复基因调控的作用也越来越受到重视。4.1调控ATM基因的miRNAATM基因是共济失调-毛细血管扩张症（ataxia-telangiectasia,AT）的致病基因，也是DNA损伤修复途径中的重要基因。Hu等[15]发现，ATM3'非编码区2-8位核苷酸序列和miR-421序列精确互补配对，在miR-41高表达的HeLa细胞中ATM的表达水平明显降低，但其mRNA水平并无明显下降，说明miR-421在翻译水平对ATM具有明显的负向调节作用，这也正符合miRNA的特点。Galluzzi等[16]在研究非小细胞癌时发现，miR-630通过抑制ATM激酶的磷酸化从而抑制DNA损伤修复，药理学和基因学方法证实，miR-630可以阻断上游传导通路，抑制ATM对p53基因的激活，有力的解释了为什么AT患者肺癌的发生率明显高于正常人。另外，在研究miRNA负向调节的同时还发现，有些miRNA可以通过调节相关基因的抑制因子，间接正向调控相关基因。Zhang等[17]发现，在乳腺癌中，miR-16大量表达可通过抑制Wip1（ATM基因的抑制因子）使ATM的表达上调，从而抑制肿瘤细胞的自我更新和生长。4.2调控H2AX基因的miRNAH2AX是H2A蛋白家族的主要成员之一，研究发现H2AX的SQE结构域在DNA损伤修复过程中可被ATM、ATR、DNA-PK等磷酸化，转变为ϒ-H2AX，在双链DNA损伤中发挥重要作用[18]。Lal等[19]发现，在miR-24高表达的终末分化造血细胞中，H2AX基因的mRNA和蛋白表达都受到明显的抑制，将miR-24转染细胞，细胞的DNA损伤修复能力明显下降，细胞对射线及细胞毒性药物的敏感性增加。Galluzzi等[16]研究发现，miR-630可以通过直接抑制ATM基因通路下游的H2AX蛋白的表达，进而多靶点地抑制DNA损伤修复。4.3调控BRCA1/BRCA2家族的miRNA乳腺癌易感基因BRCA1是重要的抑癌基因，定位于人染色体17q12-2。研究表明，BRCA1基因参与调控细胞周期，诱导DNA损伤修复、细胞凋亡、控制基因转录、泛素化等重要的细胞活动，是维持细胞基因组稳定的重要调控因子。Shen等[20]在乳腺癌研究中提出，miRNA可以调控多种抑癌基因和原癌基因。miRNA的遗传变异可调控这些基因的表达，从而导致肿瘤的易感性。更多研究[21]表明，miR-146a可特异的结合BRCA1/BRCA2是3'UTR，因此BRCA1/BRCA2是miR-146a的潜在靶点。体外将miR-146a转入乳腺癌MCF-7细胞后检测发现，BRCA1/BRCA2表达抑制情况具有统计学差异，证实了miR-146a通过抑制BRCA1/BRCA2表达从而使乳腺癌、卵巢癌的易感性明显增强。4.4调控p53基因的miRNAP53基因是目前发现的最为重要的抑癌基因，与细胞生长、凋亡、癌变等关系密切，在大肠癌、肝癌、胃癌等恶性肿瘤中的突变率在50％以上。近年来对p53下游靶基因的研究突飞猛进，特别是与miRNA研究相结合，发现其通过调节miR-34家族及miR-29家族表达发挥细胞关卡作用，参与细胞基因损伤修复、细胞程序性死亡等重要环节。但对以p53基因为靶点的miRNA的研究却不多见。Le等[22]对神经系统内敢表达的miR-125b研究发现，miR-125b在斑马鱼和人类中可下调p53基因的表达及p53蛋白的合成，并进一步发现在放疗或羟基喜树碱化疗后，miR-125b表达明显降低，相应的p53蛋白的表达在DNA损伤细胞中明显增加，充分说明了p53为miR-125b的靶点之一。此后，Zhang’等[23]发现miR-125b的靶点也是p53基因，这不难推想miR-125家族通过抑制p53基因表达使细胞对DNA损伤修复能力减弱，以及抑制凋亡从而导致癌症的发生。除miR-125家族外，Xie、Tian等[24-25]报道miR-106、miR-150、miR-1285下调的同时，p53的表达明显升高，经检测其都可以和p53转录产物的3'UTR结合，充分说明p53为多个miRNA的靶点，受到miRNA网络的调控。5、结语细胞DNA受到损伤后，将会激发一系列生物学行为，导致多个DNA损伤修复基因及多条修复路径的激活。而这一切生物学行为都将受到miRNA网络的调控。到底有多少miRNA可以调控DNA损伤修复还不清楚，其具体调节机制也有待于进一步探求。随着对DNA损伤基因、途径及miRNA调控网络了解的不断深入，将可能为DNA损伤相关肿瘤的发生、发展提供新的线索，同时也为肿瘤的诊断和治疗提供新的思路和策略。参考文献[1]S.P.JacksonandJ.Bartek,“TheDNA-damageresponseinhumanbiologyanddisease,”Nature,vol.461,no.7267,pp.1071–1078,2009.[2]HwangHW.MendellJT.MicroRNAsincellproliferation,celldeath,andtumorigenesis[J].BrJCancer.2006.94(6):776-780.[3]ZhouBB,ElledgeSJ.TheDNAdamageresponse:puttingcheckpointsinperspective.Nature,2000,408(6811):433-9.[4]LukasJ,LukasC,BartekJ.Mammaliancellcyclecheck-points:signallingpathwaysandtheirorganizationinspaceandtime.DNARepair:Amst,2004,3(8-9):997-1007.[5]FriedbergEC,McDanielLD,SchultzRA.TheroleofendogenousandexogenousDNAdamageandmutagenesis.CurrOpinGenetDev,2004,14(1):5-10.[6]HoeijmakersJH.DNAdamage,aging,andcancer.NEnglJMed,2009,361(15):1475-85.[7]ValkoM,RhodesCJ,MoncolJ,etal.Freeradicals,metalsandantioxidantsinoxidativestress-inducedcancer.ChemBiolInteract,2006,160(1):1-40.[8]KhannaKK,JacksonSP.DNAdouble-strandbreaks:signaling,repairandthecancerconnection.NatGenet,2001,27(3):247-54.[9]CicciaA,ElledgeSJ.TheD