miR-24家族的生成機制及生物學功能研究進展

沈曼曼，李 濤，侯啟瑞，曲 亮，王克華，馬 猛，吳 萍*

(1.江蘇科技大學 生物技術學院，鎮江 212100) (2.中國農業科學院 江蘇省家禽科學研究所，揚州 225212)

miR-24是一種重要的miRNA，在多種生命過程中發揮了關鍵的功能作用.miR-24的表達受到一些重要轉錄因子、非編碼RNA等調控影響，在癌癥發生、心血管調控、炎癥反應、脂質代謝、繁殖調控等方面發揮了重要作用.文中對miR-24的生成機制及miR-24在機體內的調控功能最新研究進展作一綜述.

1 microRNA的作用機制及生物功能

microRNA(miRNA)是一類長度為18～25個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，是基因表達的重要調控因子，在各種生物過程中發揮重要的作用.其生物合成和表觀遺傳機制形成一個調控網絡，相互調節，共同調控一系列生物過程，廣泛參與細胞的增殖、分化、凋亡以及激素的合成與分泌等過程.miRNA的生物合成受到轉錄因子、非編碼RNA等諸多因素的調控.轉錄因子主要通過與miRNA啟動子區域相互作用調控miRNA的表達，如SMAD可以和Drosha復合體相互作用，通過提高Drosha加工過程增加一些miRNA的表達.一個miRNA也可以同時受多個轉錄因子的調控影響癌癥的發生及發展.非編碼RNA通過miRNA反應元件(miRNA response element, MRE)吸附miRNA，以海綿體的角色影響miRNA的功能發揮.隨著對miRNA的深入研究，發現其調控作用呈現出多樣化、復雜化以及精準化等特點.動物miRNA的功能發揮主要是其種子序列與靶基因的3′非編碼區(untranslated region, UTR)、5′UTR以及蛋白質編碼區(coding sequence，CDS)結合發揮生物學功能.

2 miR-24的生成機制

2.1 miR-24的生成

miR-24首次在2001年被Lagos-Quintana等報道，目前相關研究報道已達751余篇(PubMed，截止至2020年12月)，在各種組織中均有表達但表達水平不同，廣泛參與了細胞增殖、分化、凋亡等生命事件，影響了細胞發育和代謝、癌癥發展、炎癥反應、病毒互作[1]等多個生命進程.人、小鼠、豬、牛、雞等物種miR-24均由兩條染色體剪切形成，人的miR-24分別來自于9號和19號染色體，小鼠的miR-24來自于8號和13號染色體，豬的miR-24來自于2號和10號染色體，牛的miR-24來自于7號和8號染色體，雞的miR-24來自于30號染色體和Z染色體.由miR-24形成兩種不同序列的剪接體：miR-24-3p和miR-24-5p，miR-24-3p發揮的生物學效應較為廣泛，其序列為5’-UGGCUCAGUUCAGCAGGAA-3’，在人、小鼠、豬、牛、雞等物種中成熟序列高度一致(表1).

表1 各物種miR-24-3p序列信息及其染色體位置

2.2 轉錄因子對miR-24的調控作用

轉錄因子通過調控miR-24上游區域影響其表達從而調控相關靶基因在細胞中的功能作用.miR-24-2上游含有RUX2轉錄因子結合位點，RUX2能夠降低miR-24的表達，從而解除miR-24對靶基因SATB2的抑制作用，影響骨細胞的分化[2].SMAD5作為BMPR4的下游轉錄因子，磷酸化后能夠與miR-24-3p上游啟動子區的結合位點作用，阻礙由BMP4誘導的胚胎干細胞凋亡過程[3].在結腸癌的研究中發現HIF-1α能夠與miR-24-3p啟動子區結合，促使miR-24-3p的靶基因PDHB、PDHA1、DLD等發揮功能作用，促進細胞存活[4].

2.3 非編碼RNA對miR-24的表達調控作用

基于競爭性內源RNA(competing endogenous RNAs, ceRNA)理論，研究發現生物體內miR-24的表達也受非編碼RNA的調控.非編碼RNA包括了長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA， lncRNA)、環狀RNA(cicular RNA，circRNA)、轉運RNA(transfer RNA，tRNA)和核糖體RNA(ribosomal RNA，rRNA)等，其中以lncRNA調控miR-24的研究最多，廣泛影響癌癥的增殖、凋亡、纖維化等過程，參與癌癥的進展.lncRNA ANRIL通過下調miR-24表達，解除miR-24對靶基因的抑制從而促進視網膜母細胞瘤細胞的存活、遷移和侵襲[5].lncRNA MIR22HG高表達可抑制miR-24-3p在甲狀腺乳頭狀癌的高表達，從而參與癌癥發展過程[6].LncRNA IGBP1-AS1通過競爭性吸附miR-24-1影響ZIC3基因的表達，從而抑制乳腺癌的侵襲和增殖[7].

miR-24不僅介導lncRNA對癌癥的發生進展過程，也廣泛參與了其他疾病的發生過程.lncRNA Gm5091可通過海綿吸附miR-27b～23b～24降低小鼠酒精性肝纖維化[8].linc00472啟動子甲基化異常導致linc00472表達水平降低，從而降低linc00472對miR-24的吸附作用，使miR-24表達水平升高，參與調節心房顫動[9].文獻[10]對小鼠心肌損傷模型研究發現，非編碼lncRNA CYTOR通過與miR-24種子序列2-8位置結合調控其表達影響靶基因XIAP mRNA和蛋白的作用，從而調控小鼠膿毒病癥狀.

隨著非編碼RNA研究的深入進行，發現circRNA也廣泛地參與到了生命過程中，且部分circRNA的發揮也需要miR-24的參與.文獻[11]對成肌細胞分化過程中進行circRNA和miRNA測序分析，結果發現在成肌細胞分化過程中miR-24與circRNA表達呈負相關關系，表明了circRNA可能通過調控miR-24影響成肌細胞分化過程.

3 miR-24的調控功能

miRNA主要通過其成熟體的第2～8個堿基與靶基因的UTR或CDS區域完全或部分互補配對，誘導靶mRNA的降解或抑制靶基因的蛋白合成，從而在轉錄水平上調控基因表達.miR-24主要與靶基因3′UTR、5′UTR和CDS區域結合發揮生物學功能(表2).

表2 miR-24在癌癥、心血管疾病、脂代謝及卵巢發育中的功能作用及其靶基因

以miR-24-3p為搜索關鍵詞，在miRWalk數據中已驗證的hsa-miR-24-3p靶基因有2000多個，包括BCL2L11、CYP11B2、SP1等(http:∥mirwalk.umm.uni-heidelberg.de/interactions/).miR-24對靶基因的調控也表現了復雜性特點，不同的miR-24成熟體會靶向不同的基因達到共同調控作用.同一個成熟體對部分基因可以單獨靶向3′UTR、5′UTR或CDS區域發揮調控作用，也會同時靶向基因的3′UTR和5′UTR區域發揮復雜的調控作用.文獻[12]對小鼠的胚胎干細胞(ESC)研究發現miR-24-3p和miR-24-2-5p能夠共同靶向KLF4和C-MYC的3′UTR區域，并負反饋調控PRMT7的表達，從而誘導ESC的全能分化特性.文獻[13]研究發現miR-24-3p能夠同時靶向JAB1 3′UTR和5′UTR影響鼻咽癌的進展過程.miR-24通過多種復雜的調控網絡參與了諸多的生物過程.

3.1 miR-24對癌癥發生的作用

miR-24廣泛參與多種癌癥的進展過程，在生命體內通過不同的調控途徑參與癌細胞的增殖、凋亡、遷移和侵襲等過程，然miR-24受多種因素的影響以及調控多個靶基因對癌癥的發生過程發揮雙重作用.諸多研究通過構建小鼠疾病模型或體外培養人癌細胞，在細胞和個體水平上驗證miR-24對腫瘤發展的作用影響，利用增殖、凋亡、靶點互作等研究技術驗證其相關功能.研究發現miR-24在乳腺癌、膠質瘤、霍奇金淋巴瘤細胞、腎癌細胞中高表達，通過促進癌細胞增殖、遷移、侵襲的能力促進癌癥發展.其作用的發揮也主要通過與靶基因的UTR區域結合，如miRNA-23b～27b～24 主要通過靶向轉錄因子FOXP2基因的啟動子區域，從而降低FOXP2基因的mRNA和蛋白的表達水平，促進結腸癌細胞的遷移[14].miR-24通過靶向MAPK7、ZNF376[15]促進肺癌細胞增殖、遷移和侵襲.miR-23a～27a～24-2基因家族通過靶向SOCS6基因抑制其表達，從而促進胃癌細胞的增殖和遷移作用[16].

此外，miR-24在一些癌癥進展過程中起到抑制的作用，如胰腺癌、骨肉瘤細胞、大腸癌、鼻咽癌等.β-catenin基因突變廣泛參與各種癌癥的發生過程，miR-24通過抑制β-catenin表達從而抑制癌癥發生，是β-catenin基因有效調節因子.在膠質瘤中研究發現miR-24能夠調節β-catenin基因從而影響膠質瘤細胞的存活和自噬功能[17].在結腸癌中，miR-24-1-5p可以靶向β-catenin基因從而抑制β-catenin的表達，達到抑制癌細胞增殖、遷移和存活的能力[18].在其他各類癌癥中，miR-24通過靶向DND1抑制胃癌細胞的增殖、遷移和侵襲的作用，靶向LAMB3抑制胰腺導管腺癌的增殖，調控SW48細胞的凋亡抑制大腸癌[19-20]等多種癌癥進展過程，在上述抑癌作用中可將miR-24作為治療癌癥的靶點，從而提高化療的敏感性.

在癌癥發生過程中miR-24在血清中的表達水平可以作為癌癥的臨床診斷標記.文獻[21]研究發現miR-24-3p在口腔鱗狀細胞癌腫瘤組織表達水平較高，且外源性的miR-24-3p增加了惡性腫瘤細胞的增殖作用，揭示唾液中的miR-24-3p可以作為口腔鱗狀細胞癌篩查的潛在檢測標志物.文獻[22]研究發現口腔鱗狀細胞癌患者血清中miR-24的表達水平較正常人要高，進一步說明miR-24可以作為一種口腔癌診斷工具.除了在口腔癌中，在對胃癌的研究發現miR-24在早期胃癌的表達水平顯著低于晚期胃癌血清中，上述研究提示miR-24可以作為癌癥進展的生物標記物.

3.2 miR-24對心血管疾病的影響

miR-24在心血管系統中廣泛存在，能夠抑制發育期和心肌梗死的血管生成，從而影響心血管的功能作用.miR-24是一種對缺氧敏感的miRNA，能夠通過調節血管功能參與心血管疾病的發展.miR-24通過與Notch基因3′UTR結合靶向調節Notch以及其他一些血管形態因子參與調節肢體肌肉缺血后的微血管反應過程[23].miR-24-3p通過靶向BCL2L11，使冠心病患者外周血BCL2L11表達下調，抑制血管平滑肌細胞的凋亡，可作為治療冠心病的潛在靶點[24].miR-24的上調表達通過PI3K/Akt/mTOR軸的PIK3R1，抑制血管平滑肌細胞增殖、遷移，顯著減輕糖尿病大鼠血管重構[25].miR-24-3p可通過激活NRF2-Keap1信號通路，降低Keap1蛋白表達水平，達到保護心肌細胞免受缺血/再灌注損傷過程[26].miR-24參與糖尿病的血管重構過程，miR-24通過參與NLRP3相關炎癥信號通路，抑制損傷動脈膜增生過程，從而減輕糖尿病大鼠的血管重塑過程[19].miR-24在血清中的不同表達水平也與心血管疾病進展不同時期相關，如miR-24、miR-23a和miR-145a在急性心肌梗死后的急性腎損傷患者的血清中表達水平顯著下調，提示這3種miRNA可以作為早期發現急性心肌梗死的標記基因.

3.3 miR-24在脂質代謝中的功能作用

miRNA影響脂質代謝過程， 主要通過參與調控前脂肪細胞分化、肝臟脂質和血漿中脂類的合成等過程.在影響脂肪分化形成上通過不同的調節作用起到促進或抑制的作用，文獻[27]研究發現過表達miR-24可以抑制MAPK7，增加PPAR-γ、SREBP1基因的表達，使脂滴形成和甘油三酯的積累增加，從而顯著促進3T3-L1的脂肪生成.而miR-23a～27a～24基因家族通過同時靶向促脂肪(GPAM、DGAT2)和抑脂肪(DCN、G6PD、LPL)相關基因調控牛脂肪細胞生成過程，最終基因家族的平衡調節作用抑制脂肪的生成.miR-24的過表達下調與脂肪生成有關的某些基因(FASN、ACLY和SCD1)表達，但增加膽固醇合成、脂質合成相關基因(HMGCR、DHCR24和SREBP2)的表達，其功能的發揮主要是通過靶向基因SR-B1實現[28].miR-24同時影響脂質代謝相關產物的生成，在腦梗死大鼠中miR-24能夠降低血清中總膽固醇、高密度脂蛋白以及甘油三酯水平，進而抑制腦組織的凋亡[29].miR-24在高脂小鼠的肝臟和離體的人肝細胞中表達水平顯著增加，其作用機制主要是通過抑制Insig1促進肝臟脂質沉積和高脂血癥，miR-24被敲除后將導致肝臟脂質積聚受損，血漿甘油三酯降低，提示miR-24可作為動脈粥樣硬化的潛在治療劑[30].在動物生產上的研究發現miR-24參與了兔肝細胞中多不飽和脂肪酸的生物合成過程[31].在山羊乳腺組織泌乳期和干乳期的表達水平顯著不同，體外實驗表明miR-24通過靶向FAS影響甘油三酯含量、調控SREBP1等基因的表達從而影響乳汁中脂肪酸含量[32].

3.4 miRNA-24對卵巢及卵泡生長的調控

miRNA參與卵巢發育的整個生物學功能，包括卵泡生長、閉鎖以及排卵等一系列過程中的因子調控功能，卵泡生長各個階段受特異性表達的miRNA調控.miR-24也參與繁殖過程中的各個途徑，人卵泡液中的miR-24-3p能夠調控雌二醇和孕酮的水平，降低睪酮水平[33].miR-24-3p能夠靶向SMAD5通過FasL-Fas信號通路調控人卵泡顆粒細胞凋亡水平[34].miR-24的表達水平與牛卵泡顆粒細胞發育相關，影響受精率，與山羊的妊娠狀態相關等.miR-24-3p還能夠降低HepG2細胞脂質沉積能力，而脂質沉積影響了雞卵泡生長過程.miR-24-3p在30周齡的雞的肝臟中表達水平下降[35]，表明其有可能參與了卵黃脂質合成及代謝，影響卵黃沉積等過程，從而影響卵泡生長.

3.5 miR-24在其他生物過程中的作用

miR-24除了影響細胞增殖、凋亡等過程，也影響如少突膠質前體細胞、神經元、胚胎干細胞等分化過程.文獻[36]研究發現miR-24在損傷的脊髓細胞中表達水平增加，并通過靶向調節ADM抑制少突膠質細胞前體細胞的分化.文獻[37]研究發現miR-24-3p通過控制海馬鈣蛋白的表達來調節神經元的分化進展.文獻[3]研究發現BMP4通過募集SMAD5調控miR-23a/b～27a/b～24啟動子序列，使miR-23a/b～27a/b～24影響胚胎干細胞的分化功能.

miR-24也參與機體內炎癥反應和氧化應激等生物過程，并通過靶向基因的功能作用作為疾病治療靶點.文獻[38]將外源性miR-24-3p轉染進缺血再灌注小鼠的肝臟中，發現miR-24-3p可顯著抑制肝臟內STING和p-IRF3蛋白的表達，從而達到減輕炎性細胞因子的釋放，并降低肝細胞功能障礙和凋亡過程.文獻[39]研究發現抑制類風濕關節炎的GSK-3β抑制劑TDZD-8能夠通過下調miR-24表達，降低類風濕關節炎的炎癥反應過程，說明miR-24促進類風濕關節炎的發生.miR-24在潰瘍性結腸炎患者的結腸活檢和血液樣本中比健康對照組的表達水平要高，進一步研究提示miR-24是腸道免疫屏障的重要調節因子[40].在氧化應激上研究顯示miR-24在人體外胸主動脈平滑肌細胞的上調，可以通過NRF2/HO-1信號通路抑制細胞內ROS、MDA等的活性水平，從而抑制細胞的氧化應激反應[41].

4 展望

綜上所述，miR-24的調控是一個復雜的系統，其表達水平受到轉錄因子和非編碼RNA等多方面調控，其功能發揮主要通過與不同靶基因結合廣泛地參與細胞增殖、分化、凋亡等過程.研究表明miRNA的生成機制和作用靶基因在各物種或各組織中表現差異性，因此進一步研究miR-24在不同物種或組織中的生物合成的分子機制及其調控作用，將為miR-24家族成員的生物學功能提供新的見解.然目前的研究多集中于在人、小鼠物種，相關組織也多與腫瘤相關，大部分的miR-24的靶基因及其相關功能仍未被解析驗證，仍存在許多科學問題有待于深入研究，全面剖析miR-24的功能作用仍有很長的路要走.