miR-155/HIF-1α/p53對骨髓增生異常綜合征調控機制的研究

薛婷婷 陶雨晨 徐 皓 胡可心 王艷璐 陸嘉惠

骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndromes,MDS)是一組具有高度異質性的髓系惡性克隆性腫瘤,其特征是造血功能低下和發展為急性髓性白血病 (acute myeloid leukemia,AML),表現為造血細胞形態發育不良和外周血細胞減少[1]。MDS的多發年齡段為老年群體,它是由腫瘤性骨髓細胞中的結構染色體改變和體細胞突變驅動的[2]。復雜組合的基因突變是MDS發病機制的核心,例如SF3B1、SRSF2、TET2、DNMT3A、RUNX1 和TP53這些基因突變會影響RNA 剪接、DNA 甲基化、基因表達的轉錄調控以及 DNA修復等,從而導致異質的臨床表型和結果[3]。對于MDS患者的治療,低危患者的治療原則主要集中在改善外周血細胞減少和生活質量,而高危患者的治療目標是預防疾病進展和提高生存率。目前臨床上的常用藥物有促紅細胞生成素、來那度胺、免疫抑制劑、去甲基化藥物等,造血干細胞移植仍然是MDS患者唯一可能痊愈的治療方式。除此之外,缺氧誘導因子穩定劑羅沙司他、端粒酶抑制劑伊美司他、口服去甲基化藥物、TP53 調節劑等藥物也將用于MDS的治療。

一、缺氧是MDS疾病發生、發展過程中的重要因素

氧氣參與生物與細胞的新陳代謝,幾乎是一切生命活動的物質基礎。在哺乳動物中,對缺氧應激的轉錄反應主要是由缺氧誘導因子 (hypoxia inducible factor,HIF) 介導的。HIF是由一個對氧敏感的α 亞基和對氧不敏感β 亞基組成的異二聚體,其中α 亞基中包含3個組分,分別為HIF-1α、HIF-2α 和 HIF-3α。HIF-1α 是 HIF組成中特征最為明確的,在所有細胞中普遍表達,已有很多科學研究是在其基礎上進行。而 HIF-2α和 HIF-3α在某些組織中選擇性表達,HIF-3α作為多個剪接變體存在,其中一些會抑制 HIF-1α和HIF-2α活性[4,5]。HIF-1α的降解激活機制是,在常氧條件下,脯氨酰羥化酶(prolyl hydroxylase,PHD)使HIF-1α亞基發生羥基化,然后腫瘤抑制因子 VHL (von hippel lindau)的 E3 連接酶可以識別羥基化的亞基,并通過蛋白酶體途徑誘導HIF-1α降解,而在缺氧條件下,PHD 由于缺乏其共底物氧氣使得活性受到抑制,這使HIF-1α可以穩定移位到細胞核中與HIF-β結合,形成具有活性的HIF轉錄復合物,從而進一步激活下游信號通路[6]。

HIF作為主要的缺氧轉錄激活因子,可以調控細胞基因的表達來適應體內的缺氧環境。它可以調節骨髓中的血管生成,白血病細胞的代謝、增殖和擴散從而促進腫瘤的發生和進展[7]。并且在血液系統惡性腫瘤的發展過程中,缺氧和血管再生是兩個普遍存在的反應狀態,兩者之間密切聯系,惡性造血細胞的快速增殖會消耗大量的氧氣,造成骨髓中的缺氧環境,繼而引起骨髓微環境中血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的過度表達,從而使得骨髓中的血管化和血管通透性增加,這一系列反應過程可以對MDS的整個病程產生影響。也有研究表明,在骨髓間充質基質細胞中,缺氧環境通過促進VEGF的過表達可以改善細胞增殖和血管生成[8～10]。除了與血管再生的聯系之外,缺氧還可以通過作用于促紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)來影響MDS的進展。貧血是MDS的主要癥狀,而EPO是造血的主要調節因子。對于EPO在MDS發病中作用機制的研究也早已開展,結果表明它的異常產生會助長MDS的無效造血功能。除此之外,也有研究證明,血清 EPO 可作為原發性 MDS 患者獨立預后因素的一項重要指標[11]。而EPO 的產生可以由缺氧來激活,并且通過對氧敏感的反饋回路可以調節它在機體內的表達[12]。

二、HIF-1α可以在缺氧條件下激活p53,誘導細胞凋亡

p53/TP53作為一種重要的腫瘤抑制因子,在細胞的應激反應中起著核心作用。它可以轉錄調控多種蛋白基因來參與體內的生物學反應過程,包括DNA損傷修復、細胞周期阻滯、凋亡以及衰老[13]。在MDS患者中,TP53突變與MDS低危向高危的轉化、MDS 向 AML的轉變、常規療法的耐藥性以及預后情況密切相關[14]。在一項MDS的相關研究中, APR是 PRIMA-1 的甲基化衍生物,它可以通過恢復突變的p53,使其反式激活來促使腫瘤細胞凋亡。并且研究數據表明,低劑量的 APR 與5-阿扎胞苷聯合應用可重新激活p53并誘導細胞凋亡程序,且其抑制作用在TP53 突變的 MDS 衍生的 SKM-1 細胞系中更為明顯[15]。除此之外,p53 是造血干細胞功能的核心,除了參與造血過程之外,p53還可降低細胞內活性氧水平,從而有助于造血干細胞的穩態和遺傳穩定性。p53發生畸變的造血干細胞在遺傳毒性應激期間會不斷擴張,最終取代正常的造血功能[16]。此外,在MDS 中,TP53突變狀態與 del(5q) 綜合征密切相關,這會造成染色體不穩定和疾病的克隆進化,而在MDS 頻繁突變的一組基因中, TP53的改變有助于具有特殊生物學和臨床方面的患者亞組的確定。此外,TP53等位基因狀態對 MDS 患者基因組的穩定性、預后和臨床表現具有多重影響[17]。

HIF-1α和p53之間存在密切且復雜的作用關系,它們在調節缺氧誘導的細胞變化中發揮著重要作用,在缺氧狀態下,它們必須競爭有限的轉錄共激活因子 p300 才能獲得轉錄活性。而HIF-1α對p53的作用調節機制可以是直接的也可以是間接的。HIF-1α可以直接與p53結合發揮調節作用,例如在一項研究中表明,p53 啟動子上的 HRE3 區域可以作為 HIF-1α 結合位點,HIF-1α-HRE3 的結合急劇激活了p53 的轉錄水平,上調的p53抑制了細胞周期的進程,從而導致 G2/M期細胞的積累[18]。也有研究發現,p53 突變體可以與HIF-1α 形成復合物來對促癌基因的轉錄表達進行調節控制,從而影響腫瘤的進程[19]。HIF-1α對p53的間接調控機制比較復雜,HIF-1α可以在不同缺氧程度下激活p53,完全激活的 p53 可以通過誘導下游靶基因Bax 來觸發細胞凋亡。具體的調節機制是HIF-1α可以通過直接或間接靶向MDM2來完成,也可以通過靶向MDM4及其他E3連接酶來誘導p53。并且隨著細胞類型的不同,缺氧對 p53 表達水平和轉錄活性的誘導也具有相應的特異性,像在前列腺癌中HIF-1α對p53可能起激活作用,而在乳腺癌中HIF-1α是抑制p53的表達[20]。在MDS的相關實驗中表明,復方砷劑可以下調HIF-1α的表達,并且上調p53的表達,這提示了在MDS中HIF-1α可能對p53起抑制作用[21]。

三、miR-155對HIF-1α的調節可能是治療MDS的潛在靶點

microRNA(miRNA) 是一類小的成熟非編碼 RNA,可使基因發生沉默來調節基因的表達。miRNA在細胞發育、細胞分化、細胞增殖和細胞凋亡等生物學過程中發揮重要作用,其介導的基因沉默是多種疾病基因表達調控的重要組成部分,而且miRNA 的表達譜與癌癥檢測、分期、進展和對治療的反應息息相關[22, 23]。miR-155 是第1個在癌癥中顯示增加的 miRNA,在實體瘤和血液系統惡性腫瘤中經常過度表達,它的高表達水平與大多數癌癥的腫瘤亞型、臨床病理標志物和低生存率有關。miR-155可以直接靶向抑制體內的多種基因,像SHIP1、WEE1、VHL、PU.1、TP53INP1、Bcl-2和SOX 家族等,從而參與了免疫反應、DNA損傷反應、缺氧、炎癥等細胞功能的表達。此外,miR-155介導的信號通路已成為癌癥分子治療的潛在靶點[24]。

miR-155 是血液惡性腫瘤中最常過表達的 miRNA 之一,在造血系統中發揮著重要作用,在正常造血干細胞和祖細胞中,miR-155會呈現高表達水平,而在成熟造血細胞中表達水平變低。miRNA-155可以阻斷多個譜系的造血分化,并且對正常的骨髓生成和紅細胞的生成起負向調控的作用[25]。除此之外, miR-155也可能是評估血液系統惡性腫瘤患者診斷、治療和預后的重要指標。在MDS中,通過微陣列分析與PCR驗證,MDS患者中的miR-155-5p表達顯著升高[26]。并且對于MDS患者而言,原始骨髓腔內 miR-155 的失調可能使造血干細胞的自我更新功能發生異常并且會使其進展為 AML的風險變大。數據研究表明,miR-155 的表達水平不僅可以區分高危和低危型 MDS,而且還與 MDS 患者中較短的總生存期和轉化為 AML 的風險顯著相關。除此之外,相對較高的miR-155表達還具有不良的預后意義[27]。

miR-155可以抑制體內HIF-1α的轉錄激活。它可以直接靶向調節HIF-1α來發揮作用,有研究發現,外源應用成熟的 miR-155可以降低缺氧狀態下HIF的表達活性,并且通過增加抗 miR-155 的共同處理可以逆轉活性的表達。在進行外源性 miRNA-155 轉染后,常氧細胞中 HIF-1α mRNA的表達水平顯示出了輕度但明顯的降低,并且會抑制HIF-1α蛋白水平的表達。此外,增加 miR-155 的濃度會以劑量反應的方式特異性地降低 HIF-1α mRNA 和蛋白質的表達水平。這些數據表明miR-155 可以減少體內的 HIF 信號,并且這種改變主要在 HIF-1α層面發揮作用[28]。除此之外,miR-155也可以間接調控HIF-1α的表達,研究發現,腫瘤抑制因子VHL是miR-155另一直接靶向因子,miRNA-155可以下調VHL的表達,而VHL 作為 HIF-1α 和 HIF-2α的 E3 連接酶,使得這一下調對HIF-1α的活性產生影響。黃天豐等[29]研究證明,經藥物處理后,急性肺損傷模型小鼠中miR-155的表達降低,并且HIF-1α的表達增加,提示藥物減輕急性肺損傷的機制可能是通過miR-155對HIF-1α的的負性調控來發揮作用的。

四、展 望

在實體瘤中,HIF-1α引起的缺氧激活反應已經被認為是推動腫瘤進展的關鍵環境因素,后續實驗也相繼證明了其在血液系統惡性腫瘤也有著重要影響。HIF-1α作為缺氧轉錄因子,在 MDS 患者中顯示出高度激活,通過調控骨髓中的造血干細胞和血管再生,對骨髓微環境產生影響,使造血系統發生異常改變,從而促進MDS的進程和發展。p53和miR-155也可以通過各種生物反應過程影響了骨髓的正常造血功能,從而在MDS的整個病程中發揮作用。而HIF-1α可以受到miR-155直接或間接的靶向作用,然后根據環境的不同調節性的激活p53,從而激發更多的細胞功能,這一系列的調節可能會對MDS的發展產生重要影響。因此,基于上述研究進展,提出如下科學假說:通過對miR-155/HIF-1α/p53這一反應機制的調控,可以影響MDS的發生和發展。并且深入探索該調控機制對了解 MDS 的發病機制和促進新的治療和預防策略具有重要意義,這也為之后的研究提供了明確的思路。