miRNA-107與衰老相關疾病

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miRNA-107與衰老相關疾病

阮杰1,2,3翁亞光3劉新光1，2

(廣東醫學院衰老研究所，廣東東莞523808)

關鍵詞〔〕miRNA-107；泛酸激酶1；阿爾茨海默病；2 型糖尿病；癌癥

1廣東醫學院醫學檢驗學院2廣東省分子診斷重點實驗室

3重慶醫科大學檢驗醫學院

第一作者：阮杰(1972-)，女，講師，主要從事miRNA與衰老相關疾病機制的研究。

miRNA(miR)-107于2002年在人宮頸癌HeLa細胞系中首次被發現并克隆測序〔1〕，隨著研究深入，人們越來越認可其生物學中的關鍵功能。miR-107轉錄于泛酸激酶(PANK)1基因的內含子，通過靶向Caveolin-1(Cav1)、DICER1、CDK6等重要蛋白，參與調節乙酰輔酶A的水平、細胞應激、胰島素的敏感性、脂質代謝、缺血缺氧壓力下的血管生成和血管內皮生長因子的分泌〔2～5〕。老年人外周血中單個核細胞的miR-107表達水平明顯低于年青人〔6〕，且其表達或功能異常可導致癌癥、2 型糖尿病(T2DM)和阿爾茨海默病(AD)等衰老相關疾病的發生。

1miR-107與宿主基因PANK1

miR-107屬于microRNA-15/107家簇成員之一，其成熟體的5′端含有種子序列AGCAGCA〔3〕。在所有已知脊椎動物中，miR-107基因序列高度保守，第10號染色體上存在其DNA編碼序列，在人體幾乎所有組織廣泛表達，其中腦組織中含量最高〔7〕。大約37%哺乳動物的miRNA位于蛋白編碼基因的內含子中，miR-107是其中之一，它轉錄于宿主基因PANK1的第5個內含子〔8〕。因為許多miRNA與宿主基因表達一致，故內源miRNA常被認為同其宿主基因共轉錄，但并非所有miRNA均與宿主基因共表達。研究表明，mir-107與宿主基因PANK1的表達則無相關性。一般而言，miRNA與宿主基因表達不一致的原因有三方面：(1)存在不同的啟動子，(2)RNA轉錄本的穩定性不同，(3)轉錄后的加工調控作用不同。有趣的是，mir-107具有獨立的啟動子，從而使其功能更富有靈活性和多樣性。

2miR-107的生物學功能

MiRNA是一類長度約為17～24 nt的單鏈小分子RNA，通過兩種不同的方式靶向特異的mRNA發揮生物學功能，一是直接降解目標mRNA，二是與靶mRNA反向互補，抑制蛋白質的合成〔9〕。miR-107及受其調節的靶基因在細胞的增殖與代謝、缺氧應激、血管生成等多種細胞途徑中發揮重要作用〔4〕。

2.1miR-107與細胞代謝miR-107在細胞代謝時濃度會發生改變。如增加胰腺β細胞MIN6〔10〕和人腦神經膠質瘤細胞H4〔11〕的細胞外葡萄糖濃度，或葉酸缺乏基質培養人淋巴母細胞TK6〔12〕，均可上調miR-107的表達；小鼠攝入n-3多不飽和脂肪酸(PUFA)〔13〕，結腸上皮中miR-107表達降低。這些證據表明miR-107參與了細胞代謝。

miR-107的宿主基因PANK1編碼的泛酸激酶具有普遍的催化作用，是調節細胞乙酰輔酶A的關鍵酶〔14〕。在超過100種代謝反應中，CoA是約4%已知酶的必要輔助因子，這些酶反應包括脂肪酸、氨基酸、膽固醇、丙酮酸、葡萄糖等重要的合成和代謝步驟〔15〕。miR107可能和PANK1是同等的轉錄產物，并對乙酰輔酶A有協調作用。也就是說，在應激等情況下，細胞代謝中miR-107水平發生變化，PANK1所編碼蛋白亦會呈現一致性改變。因此，miR-107很可能是通過減少細胞脂肪酸的合成及攝取，增加丙酮酸脫氫酶復合物的活性，而與PANK途徑共同調節乙酰輔酶A的濃度并引導其進入三羧酸循環〔3〕。

2.2miR-107與血管發生血管發生是從已存在的血管中生長出新的小血管的動態過程，和損傷修復、缺血、炎癥、腫瘤、神經生物學及應激反應等密切相關。Yamakuchi等〔16〕發現miR-107受蛋白p53的轉錄調控，抑制低氧誘導因子-1β(HIF-1β，即芳香烴受體核轉運蛋白)及血管內皮生長因子VEGF的表達，并通過這條途徑調節結腸癌組織的血管生長。因此，曾被認為沒有任何細胞功能的非編碼RNA-miR-107被證明是一個關聯p53表達與缺氧、血管生成及結腸癌臨床生物學特性的主要調節者。miR-107在低氧環境中可被誘導產生〔17〕，并幫助調節局部缺血應激反應，如小鼠、兔等動物受外傷性腦損傷時miR-107表達下調。

3miR-107與AD

至少有三個實驗室證實了miR-107與AD發生的相關性及其機制。AD是一種多病因介導的疾病，腦內β淀粉樣蛋白(Aβ)代謝異常造成的Aβ片段聚集沉積引發的級聯反應是AD的主要致病原因〔18〕。淀粉樣前體蛋白(APP)的β位點剪切酶BACE1增加，可促進淀粉樣斑塊的形成。研究表明，在AD的早期，患者大腦灰質皮層的miR-107即明顯下調，經生物信息學預測和實驗驗證BACE1是miR-107的靶基因，且AD病人的BACE1表達上調，與miR-107的表達負相關，因此，miR-107可能通過參與調節BACE1加速AD疾病進展〔19,20〕。

除了淀粉樣斑塊和神經元纖維纏結，AD病人大腦中含有Hirano小體，其主要是由肌動蛋白、肌動蛋白結合蛋白cofilin及兩者的聚合物構成的棒狀結構〔21〕。這些棒狀結構可破壞神經突的微管束，干擾神經元的運輸、突觸的結構和活性。異常的cofilin聚合還可能引發微管相關蛋白tau神經纖維聚集成雙股螺旋細絲，形成神經元纖維纏結的主要成分，產生神經毒性。mir-107可抑制cofilin的翻譯，AD病人的mir-107表達下降，伴隨cofilin的表達增加，可能在AD發病機制中起著關鍵作用〔22〕。

GRN(Granulin)有多個名稱，包括顆粒蛋白、顆粒蛋白前體、gp88、PC細胞誘導的生長因子、上皮轉化生長因子等，是一種參與傷口修復、炎癥和腫瘤形成的蛋白質〔11〕。高通量實驗結果表明，在人神經膠質瘤細胞H4中，GRN是mir-107的靶標，mir-107結合GRN的開放閱讀框，而非其mRNA 3′端的非翻譯區。培養細胞中補充葡萄糖會導致mir-107表達水平增加和GRN的下降。小鼠模型的大腦皮層和海馬神經元也均顯示mir-107表達減少，GRN表達增加。這些結果表明，mir-107通過對GRN的表達調節參與AD的發生。

4miR-107與T2DM

T2DM患者的主要特征為胰島素抵抗，相對胰島素缺乏和高血糖。肥胖所致的系統性炎癥是胰島素抵抗的重要病理因素〔23〕。研究表明，機體對感染作出先天性免疫反應的關鍵發起者——人類Toll樣受體(TLR)4在巨噬細胞中下調miR-107的表達；而在肥胖和胰島素抵抗的小鼠和嚙齒動物模型中，miR-107也被證明是失控的〔24〕。因此，mir-107可能實際上是聯系T2DM和肥胖炎癥過程的一個關鍵因子〔5〕。

有報道，miR-107可通過以下三種信號途徑引發T2DM(見圖1)：①高脂飲食所致的miR-107高表達，靶向小窩蛋白(Cav)-1降低胰島素的敏感性。Trajkovski等〔2〕研究發現食源性肥胖小鼠和T2DM模型ob/ob小鼠的肝臟中miR-107明顯上調；利用腺病毒載體增加miR-107在肝臟中的表達可致空腹血糖和胰島素水平的增加，首次證明了miR-107水平和胰島素敏感性之間的直接聯系，并確認Cav-1是miR-107的一個關鍵靶基因。②高表達miR-107可通過TLR4途徑促進慢性炎癥的發生，而TLR4可負反饋調節miR-107，使其表達降低，如果TLR4減少、miR-107的能力減弱，可促進炎癥和T2DM的進程〔24〕。③miR-107通過調控參與脂肪酸β-氧化的關鍵酶-肉毒堿棕櫚酰基轉移酶(CPT1a)、酰基輔酶A氧化酶3和酰基輔酶A脫氫酶等抑制脂肪酸的β-氧化可能是T2DM發生的另一個原因〔25〕，因為肥胖病人的脂肪酸氧化水平低，T2DM增加脂肪酸氧化率能提高小鼠的胰島素敏感性。

圖1　mir-107引發T2DM示意圖

5miR-107與癌癥

miRNA是癌癥發生的關鍵因素，可作為致癌或抑癌因子，其異常表達與癌癥的早期診斷和預后密切相關。如miR-107在前列腺癌病人的尿液標本中明顯高于對照組，可作為前列腺癌早期診斷的標志物〔26〕；而神經膠質瘤組織中miR-107的表達明顯低于正常的大腦組織，且與腫瘤的大小、分化等級、病人的生存期密切相關，是一個獨立的預后不良檢測指標〔27〕；miR-107的異常表達還與頭頸鱗癌、舌鱗狀細胞癌、非小細胞肺癌、結腸癌等〔16,28～30〕多種癌癥的發生及胃癌、乳腺癌等的浸潤轉移密切相關〔31～34〕。miR-107在癌癥的發生過程中扮演的角色也頗具爭議，有人認為其為抑癌因子，也有人認為其為致癌因子。

miR-107在膀胱癌、胰腺癌、結腸癌等疾病中作為抑癌因子。與正常膀胱組織相比，miR-107在膀胱癌組織中表達明顯減少〔35〕；在胰腺癌細胞(MiaPACA-2、PANC-1)和非小細胞肺癌A549中過表達miR-107可有效抑制細胞周期蛋白依賴性激酶CDK6的水平和細胞增殖〔30〕；過表達miR-107還可通過下調蛋白激酶Cε(PKCε)抑制頭頸部鱗狀細胞癌(HNSCC)的增殖〔36〕；在Glioma神經膠質瘤組織和U87細胞中過表達miR-107可抑制Notch2信號途徑〔37〕和致癌因子SALL4的表達，并激活FADD/caspase-8/caspase-3/7信號途徑誘導細胞凋亡〔38〕；人類結腸癌標本中miR-107與低氧誘導因子(HIF)-1β的表達呈負相關，腫瘤抑制蛋白TP53可誘導結腸癌細胞HCT116產生miR-107，抑制HIF-1β的表達和低氧信號，并抑制VEGF的表達、腫瘤血管生成和腫瘤生長〔16〕，即過表達miR-107靶向HIF-1β抑制結腸癌細胞的生長。

然而，也有報道認為，miR-107是致癌因子，在乳腺癌、胃癌和結直腸癌中均高表達，并與癌癥患者的遠端轉移相關，可作為轉移復發和預后不良的標志〔33，34,39〕。乳腺癌中miR-107通過負調控抑癌因子miRNA let-7上調其靶基因HMGA2和Ras，促進癌細胞增殖〔34〕。胃癌中miR-107通過靶向抑制抑癌基因DICER1和轉錄因子FOXO1，調節癌細胞的浸潤和轉移〔32，33〕；結直腸癌中miR-103/107(兩者僅有一個不同的核苷酸)通過下調轉移抑制因子死亡相關蛋白激酶(DAPK)和Krüppel樣因子(KLF)4，增強細胞的遷移和侵襲能力〔39〕。

Datta等〔36〕將miR-107轉染人舌鱗癌細胞CAL27，與對照組相比，CDK6和HIF1-β水平下降，而DICER1表達持平，這表明miR-107對靶標并非協同監管，可能還有其他基因等因素參與調控，且與特定的細胞類型相關。另外，下調DICER1可能是miR-107具有致癌因子功能而非抑癌因子的一個先決條件。因為DICER1能夠剪切發夾樣結構的RNA和雙鏈RNA成為21nt的成熟microRNA或小干擾RNA，是生產成熟microRNA所必要的。DICER1基因轉錄起始位點和拼接作用的不同，可導致蛋白質翻譯和mRNA的穩定性降低〔40〕。

6展望

研究miRNA的生物學功能可闡明疾病的發生機制，豐富基因調節的復雜性，推動miRNA對這些疾病定向療法的發展。雖然miR-107的研究僅10余年，但其在人類生物學方面具有無可爭辯的極其重要的功能。miR-107在細胞代謝中的作用紊亂可導致衰老相關的代謝性疾病，其在血管生成中的作用與腫瘤的發生密切相關。針對上述miR-107在不同癌癥中扮演不同角色的矛盾，雖然原因尚不清楚，但反映了miR-107生物學功能的多樣性和復雜性，其在細胞增殖中的作用具有細胞或組織特異性，這可能依賴于細胞背景或不同的下游靶基因。因此，miR-107在疾病中扮演的精準角色和機制需要使用其他模式進一步研究，如特定組織miR-107基因敲除小鼠等。

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〔2015-02-11修回〕

(編輯李相軍)

通訊作者：劉新光(1964-)，男，教授，主要從事衰老與衰老相關疾病機制的研究。

基金項目：國家自然科學基金項目(81170327)；廣東省醫學科研基金(A2014470)；東莞市科技計劃項目與醫療衛生一般項目(2012108102022，201410515200159)；廣東醫學院科研基金項目(XK1412,ZZDC006,ZZDC009,STIF201102)

中圖分類號〔〕R34〔

文獻標識碼〕A〔

文章編號〕1005-9202(2015)24-7263-04；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.24.142