miRNA與干細(xì)胞分化調(diào)控

摘要：miRNA 屬于內(nèi)源性的非編碼RNA 家族，在基因調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要的作用。胚胎干細(xì)胞中特異性的miRNAs 可能是胚胎干細(xì)胞的重要標(biāo)志物之一，在干細(xì)胞的自我更新和分化過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。本文就miRNAs對(duì)胚胎干細(xì)胞、造血干細(xì)胞的調(diào)控作一簡(jiǎn)單綜述。

關(guān)鍵詞：miRNA；干細(xì)胞；胚胎干細(xì)胞；造血干細(xì)胞

成熟的微小RNA（microRNA， miRNA） 是一類內(nèi)源性的非蛋白編碼的小分子RNA，長(zhǎng)度為19～25 nt，主要與靶mRNA 的3'UTR區(qū)域結(jié)合，導(dǎo)致靶mRNA 的降解或抑制蛋白質(zhì)的合成，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。盡管miRNA 基因僅占真核基因總數(shù)的1%，但其調(diào)控的靶基因數(shù)可占全基因組的10%～30%，目前為止已人類基因組中發(fā)現(xiàn)了700 余種miRNAs，但有超過1000 種的miRNAs可能存在，且miRNAs在基因調(diào)節(jié)中發(fā)揮非常重要的作用。

干細(xì)胞作為一類具有自我更新能力和多向分化潛能的細(xì)胞，其不僅可以作為器官發(fā)生過程中早期分子活動(dòng)的研究工具，還可以是組織修復(fù)和再生的來源。研究表明，miRNA 在干細(xì)胞的自我更新和分化過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

1干細(xì)胞和miRNAs

由于干細(xì)胞在多種疾病上有著廣泛的應(yīng)用前景，因此，干細(xì)胞研究一直在持續(xù)進(jìn)行中。干細(xì)胞是指保持永久自身復(fù)制能力或在內(nèi)外因素的誘導(dǎo)下，能產(chǎn)生多種類型的細(xì)胞，其主要分為兩大類：胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。干細(xì)胞的信息結(jié)構(gòu)可以被細(xì)胞特異性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控狀態(tài)所調(diào)控，因而出現(xiàn)基因的差異性表達(dá)。人類基因組中基因的數(shù)量在20000到25000之間，體內(nèi)274種不同的細(xì)胞類型通過這些基因的組合表達(dá)來定義[1]。細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控通過多重調(diào)節(jié)機(jī)制的互相協(xié)調(diào)，因此，可以在基因組、遺傳因素、轉(zhuǎn)錄組，miRNA組和蛋白組等諸多層面對(duì)干細(xì)胞分化進(jìn)行調(diào)控[2]。

作為轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路中的關(guān)鍵組分，轉(zhuǎn)錄因子在基因表達(dá)中起到重要的作用。有研究表明，通過限定轉(zhuǎn)錄因子，成纖維細(xì)胞可以被誘導(dǎo)成多能干細(xì)胞[3]。在轉(zhuǎn)錄過程中，mRNA的轉(zhuǎn)錄因子可以通過miRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。有計(jì)算機(jī)分析表明，很多轉(zhuǎn)錄因子都可以作為miRNA靶基因，并且轉(zhuǎn)錄因子與miRNA的配對(duì)具有調(diào)節(jié)大部分的共同靶向基因的功能[4]。

2 miRNAs對(duì)胚胎干細(xì)胞的調(diào)控

miRNAs 在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的表達(dá)情況不同，除共同表達(dá)的miRNAs外，有部分miRNAs是細(xì)胞特異性表達(dá)。例如，在鼠胚胎干細(xì)胞中約有110 000個(gè)miRNAs 轉(zhuǎn)錄本，300 多種miRNAs，其中絕大多數(shù)種類的miRNAs 表達(dá)水平相對(duì)較低[5]，但是，盡管miRNAs在胚胎干細(xì)胞中表達(dá)的種類較少，而miRNAs在胚胎干細(xì)胞的增殖分化方面卻發(fā)揮重要的作用。miRNAs 通路的破壞可以導(dǎo)致胚胎干細(xì)胞增殖和分化方面的缺陷：Dicer 酶和RNA 結(jié)合蛋白Dgcr8在miRNAs 的成熟過程中起關(guān)鍵作用。如果體內(nèi)Dicer酶缺失或表達(dá)量較低，導(dǎo)致內(nèi)源性miRNA 無法產(chǎn)生，可以引起干細(xì)胞干性的改變和細(xì)胞周期的改變，使得G0、G1期延長(zhǎng)，甚至在誘導(dǎo)分化的條件下不表達(dá)分化標(biāo)志物，導(dǎo)致胚胎早期死亡和后期組織器官發(fā)育的不正常。轉(zhuǎn)染胚胎干細(xì)胞的pre-mir-296 和pre-miR-470 靶向結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子Oct4 和Nanog 的編碼序列或非編碼序列，可以導(dǎo)致胚胎干細(xì)胞形態(tài)呈扁平上皮樣，其多能性標(biāo)志堿性磷酸酶活性下降，克隆形成能力減弱，而且分化基因Fgf5、Sox1、Nes 和Otx2 等表達(dá)上調(diào)，但進(jìn)行無義突變的Nanog 和Oct4 回復(fù)拯救實(shí)驗(yàn)后，上述多能性變化可部分恢復(fù)[6]，這些研究表明microRNA和胚胎干細(xì)胞的自我更新和多能性狀態(tài)密切相關(guān)。

在胚胎干細(xì)胞miRNAs 表達(dá)譜中，miRNAs 表達(dá)譜與分化成熟的體細(xì)胞差異明顯，具體表現(xiàn)為，在體細(xì)胞中高表達(dá)的miRNAs，通常在胚胎干細(xì)胞內(nèi)低表達(dá)，甚至不表達(dá)。研究表明，作為目前研究較為廣泛的miRNA 之一，let7家族與腫瘤呈高度相關(guān)性，let7 是一個(gè)抑癌基因最早在線蟲中發(fā)現(xiàn)，在成熟體細(xì)胞中廣泛表達(dá)，而let-7家族在胚胎干細(xì)胞中表達(dá)極低[7，8]。同時(shí)，一些在胚胎干細(xì)胞中特異性表達(dá)的miRNA，也會(huì)伴隨著胚胎干細(xì)胞分化，miRNA表達(dá)譜也不斷發(fā)生變化，這些不斷改變的miRNA在胚胎發(fā)育過程中大部分都會(huì)逐漸減少，只有少數(shù)持續(xù)表達(dá)，甚至表達(dá)升高。例如，miRNA（包括miR-290、291、292、293、294、295）在未分化的胚胎干細(xì)胞中高表達(dá)，而在其分化過程中被抑制表達(dá)[14]。在未分化胚胎干細(xì)胞中，miRNAs 高表達(dá)的數(shù)量很少，僅包括鼠胚干細(xì)胞中的miR-292和miR-302 家族，人胚干細(xì)胞中的miR-371和miR-302家族[9，10]。

3 miRNAs對(duì)造血干細(xì)胞的調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn)，miRNA 對(duì)造血干細(xì)胞分化也起非常重要的調(diào)控作用，可以對(duì)造血干細(xì)胞進(jìn)行調(diào)控，在各系祖細(xì)胞中高表達(dá)miRNA 可能起著定向分化調(diào)控作用。通過在小鼠的骨髓造血細(xì)胞中克隆了100個(gè)特異的miRNA，并已確定一些miRNAs 在造血組織中優(yōu)先表達(dá)[11]，例如，miR-520h 在造血干細(xì)胞上調(diào)，而miR-129 下調(diào)。造血干細(xì)胞可向髓系和淋巴系等多種細(xì)胞類型分化，miRNAs 與造血干細(xì)胞的多向分化有緊密聯(lián)系，在造血干細(xì)胞分化的不同階段和方向都發(fā)揮調(diào)控作用[12，13]。miR-125a和miR-125b是兩種常見的參與造血和細(xì)胞分化調(diào)控的miRNA，能激活NF-kB。miR-125b可以調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞的存活，并且能誘導(dǎo)造血干細(xì)胞向淋巴系方向分化[14]，miR-125a可抑制造血干細(xì)胞向紅系分化。miR-125a作為NF-kB調(diào)控子，不但可以通過正反饋調(diào)節(jié)NF-kB，還可以通過TLR通路抑制NF-kB活性。miR-99b/let-7e/miR-125a基因簇可以作為原始造血干細(xì)胞的調(diào)節(jié)因子[15]。研究表明，在與造血干細(xì)胞的增殖和分化失控相關(guān)的骨髓增生異常綜合癥（Myelodysplastic syndromes，MDS）中，miRAN族99b/let-7e/125a與其發(fā)病有緊密聯(lián)系。

同胚胎干細(xì)胞一樣，miRNA在造血干細(xì)胞和其下游分化細(xì)胞細(xì)胞中的表達(dá)有明顯差異。一些在造血干細(xì)胞中高表達(dá)的miRNA，而其在祖細(xì)胞中低表達(dá)甚至不表達(dá)，而這些表達(dá)變化顯著的miRNA 恰可能是調(diào)控造血干細(xì)胞發(fā)育的重要分子。通過實(shí)驗(yàn)分析小鼠造血干細(xì)胞分化不同階段的181個(gè)miRNA 表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)有多個(gè)miRNA 參與了正常血細(xì)胞分化的不同階段調(diào)控[16]。Georgantas 等[17]應(yīng)用生物芯片和生物信息學(xué)的方法檢測(cè)造血干細(xì)胞中miRNAs 的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)miR-128和miR-155抑制早期造血祖細(xì)胞的分化，miR-16、miR-103 和miR-107抑制晚期造血祖細(xì)胞的分化，而miR-221、miR-222和miR-223控制終末分化通路。

Georgantas 等發(fā)現(xiàn)正常人骨髓和已動(dòng)員外周血分離出來的CD34+造血干細(xì)胞中有33個(gè)miRNA表達(dá)[18]，在造血干細(xì)胞不同分化方向上發(fā)揮作用。miR-376a調(diào)節(jié)紅細(xì)胞系的分化，F(xiàn)elli 等發(fā)現(xiàn)，在臍血CD34+造血祖細(xì)胞向紅系分化過程中，miRNA-221 和miRNA-222 表達(dá)逐漸下降，如果阻斷其表達(dá)，則促進(jìn)早期紅系增殖[19]。淋系的分化上面，miR-181b可使造血細(xì)胞保持在早期祖細(xì)胞階段并抑制它們向成熟細(xì)胞分化，miR-181 促進(jìn)哺乳動(dòng)物造血細(xì)胞分化為B細(xì)胞[20]，有研究發(fā)現(xiàn)在成年小鼠骨髓B淋巴細(xì)胞中 miR-181 表達(dá)順序優(yōu)先，miR-181在造血干/祖細(xì)胞中如果異位表達(dá)，則可以引外周B淋巴細(xì)胞分化增加。miR-155和 miR-150 參與 T細(xì)胞和B細(xì)胞的發(fā)育[21，22]，但是miR-150 在小鼠脾臟分離出來B細(xì)胞中高度表達(dá)，但從骨髓中分離出的前B細(xì)胞中不表達(dá)。miR-150，miR-142s，miR-26a和let7d 也在幼稚T細(xì)胞中表達(dá)，但隨著向Th1 細(xì)胞和Th2T 細(xì)胞分化中逐漸下調(diào)。因此，miR-27a 在早期T 細(xì)胞及隨后分化的細(xì)胞中的表達(dá)量沒有明顯的變化，而與早期T 細(xì)胞相比，miR-146b向Th1 分化時(shí)升高，向Th2分化時(shí)降低。miRNA-15/miRNA-16是最先作為抑癌基因被發(fā)現(xiàn)的miRNA，與慢性淋巴細(xì)胞白血病相關(guān)[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，在CD34+造血祖細(xì)胞體外分化為巨核細(xì)胞中，miR-10a、miR-126、miR-106、miR-10b、miR-17和miR-20 是下調(diào)的，通過巨核細(xì)胞增多癥和CD34+造血祖細(xì)胞體外分化的巨核細(xì)胞miRNA譜的比較比對(duì)，發(fā)現(xiàn)miR-101、miR-126、miR-99a、miR-135、miR-20表達(dá)上調(diào)。研究表明miRNA與白血病干細(xì)胞自我更新有一定的關(guān)聯(lián)[24]，有研究發(fā)現(xiàn)，miRNA還可以通過調(diào)控p21的表達(dá)而調(diào)控白血病干細(xì)胞[25]。

4結(jié)論

目前對(duì)miRNAs 在干細(xì)胞增殖和分化過程中起調(diào)控作用的機(jī)制還知之甚少，隨著研究方法及技術(shù)手段的不斷更新， 新的miRNA 不斷被發(fā)現(xiàn)， 已知干細(xì)胞調(diào)控相關(guān)miRNAs 作用的靶基因必將一步得以闡明，同時(shí)miRNAs 在干細(xì)胞增殖與分化過程中的作用通路也會(huì)進(jìn)一步的得以了解。

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編輯/丁一