OncomirsmicroRNAs with a role in cancer 翻译稿.doc
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1、OncomirsmicroRNAs with a role in cancer.摘要:MicroRNAs(miRNAs)是一类分布广泛的小的非编码蛋白质的RNAs,其功能是负调控基因表达。它们调节了多种生物学信号通路,生物信息学数据显示,每个miRNA 可以调节数百个靶基因,这也表明miRNAs 可能影响所有的信号途径。最近的证据表明,miRNA 突变或者异位表达与多种人类癌症相关,miRNAs 可以起到肿瘤抑制基因或者癌基因的功能。研究表明miRNAs可以抑制重要的肿瘤相关基因的表达,可能在癌症的诊断和治疗中起重要作用。肿瘤是由于细胞不受控制的增殖,受到损伤的细胞不能正常死亡引起的。细胞有几
2、种保护措施,保证在发育过程中和成体中的细胞通过一种协调的机制,进行正常的分裂,分化,和死亡。多种调控因子通过基因表达的开关,调节细胞分裂和分化。在肿瘤,被称为肿瘤抑制基因和癌基因表达失调。大多数肿瘤抑制基因和癌基因都是从DNA转录成RNA,然后翻译成蛋白质,行使其生物学功能。最近的证据表明,非编码蛋白的RNA 分子,被称为microRNAs (miRNAs),也可以起到肿瘤抑制基因和癌基因的作用。我们正在开始了解这种新颖的基因调节机制如何参与肿瘤相关过程。在最近发现的数百种miRNAs 中,仅有一小部分从线虫、果蝇和人基因组来源的miRNAs 得到了较为清楚地研究。它们控制了细胞的生长、分化和
3、凋亡,因此,这些miRNAs 表达的失调与肿瘤发生有关。持续对miRNA 功能的研究,可以促进人们对肿瘤发生的具体机制的理解。在本综述中,我们讨论了“oncomirs”与癌症相关的miRNAs-领域的兴起,以及如何利用这些miRNAs对肿瘤进行诊断和治疗。miRNAs 是一大类基因表达调控因子miRNAs 是由约22 个核苷酸组成的非编码的单链RNAs,这是一类在动植物中新发现的基因表达调控因子。它们通过依赖于miRNA 和靶基因的互补性的两种不同的机制反向调控靶基因的表达。当miRNAs 和编码蛋白质的mRNA 几乎完全配对时,miRNAs 诱导RNA介导(RNAi)的干扰途径。简而言之,m
4、RNA 转录本在miRNA 关联的多蛋白RNA 介导的沉默复合体(miRISC)中被核酸酶剪切,导致靶mRNA 的降解。这种miRNA 介导的基因沉默机制在植物中比较普遍,但在哺乳动物中也有发现。然而,绝大多数哺乳动物中的miRNAs 并不导致靶mRNA 的降解,而是通过另外一种机制进行基因表达调控的。这些miRNAs 通过不完全的碱基配对和mRNA 的3非翻译区(UTRs),在一个类似于或者可能是等同于RNA 干扰途径中使用的RISC 复合物中,在转录后水平上抑制基因翻译。与抑制翻译一致的是,通过这种机制控制翻译的miRNAs 仅降低其靶基因的蛋白质表达水平,但其mRNA 水平几乎没有受到什
5、么影响。然而,最近的一些发现表明,miRNAs 与它们的靶基因只有部分互补的情形也会导致mRNA 的降解,但是目前还不清楚,翻译抑制是否发生在mRNA 的降解之前。miRNAs 的生物合成最近才得到了比较详细的阐明。miRNAs,通常是由RNA 聚合酶II (Pol II) 转录的,最初产物是被称为pri-miRNA 的大的前体分子。pri-miRNAs 在细胞核内被RNase III Drosha 和双链RNA 结合蛋白Pasha 处理成约70 个核苷酸组成的pre-miRNA,这种分子为一个不完全的茎环结构。RAN 和GTP 依赖的exportin 5 将这种前体分子输送到细胞质中。茎环结
6、构随后被另一个RNase III Dicer 处理,剪切产生约22 个核苷酸长度的miRNA:miRNA* 双链。然后这种双链很快被整合到miRISC 复合体中。成熟的miRNA 保留在具有功能的复合物中,对靶基因表达进行反向调控。在二十年前研究人员最初发现miRNAs 时,并没有意识到这些miRNAs 的重要性。因为,第一个在线虫中发现的在其生命周期中控制时序发育的miRNAs 基因lin-4 被认为是线虫中独有的。然而,通过传统的克隆方法和生物信息学手段发现在线虫、果蝇、哺乳动物中存在着数百个miRNAs,这引起了各领域科学家的重视。据估计,在人类基因组中至少存在300 个miRNAs(也
7、有可能为1000 个),约占人类基因的1-4%,这使得其成为最大的一类基因表达调控因子。大多数人类的miRNAs 位于编码蛋白或者非编码蛋白的mRNA 转录本的内含子区域。其余的miRNAs 位于基因组的转录本之间,或者在mRNA 非编码的外显子区域,或者是mRNA3非翻译区域。此外,也有的几个miRNAs 聚集在一起,成为一个miRNA基因簇,如19 号染色体上的由54 个miRNAs 组成的一个基因簇。通过序列同源性可以对miRNAs 进行分组归类。研究发现,成熟miRNA 通常在5端同源性较高,但是同一个miRNA家族的成员是否调控类似的生物学过程仍需要进一步研究。很多miRNAs 在线
8、虫到人类的进化过程中是保守的,这预示着这些miRNAs 在发育过程和成体中引导了基本的生物学过程。miRNAs 调节多个靶基因目前的挑战是精确的鉴定miRNAs 所调节的靶基因。由于miRNAs 和其结合位点并不是完全互补的,可以存在短的错配和G-U 配对,因此,通过简单的BLAST 确定其靶基因是不可能的。但是,最近的生物信息学手段开始利用同一家族的成熟miRNAs 在5末端具有高度的同源性这一特点。数项研究表明,miRNA 的5末端对于miRNA 进入miRISC,并在其中保持稳定是非常重要的,而且,这一末端对于其生物学功能也相当关键。因此,大多数生物信息学算法利用一个包含了成熟miRNA
9、 的2-8 位的碱基序列的“miRNA seed”来搜索所有基因的3非编码区域的互补序列。这些研究发现一个单独的miRNA 可以结合多达200个靶基因,而这些靶基因可以行使不同的功能,包括转录因子,分泌蛋白,受体,转运蛋白。所以,miRNAs 可能控制着1/3 的人类基因的表达。然而,通过”miRNA seed”搜索会错过很多靶基因,有证据表明,在2-8 位核苷酸以外的变化也会影响miRNA 的调节功能。例如,整个成熟的let-7 miRNA 序列在线虫和人中是保守的,说明其3端也具有生物学功能。而且,我们实验室的突变研究发现let-7 miRNA 的5端和3端对于一个靶基因的调控都是必需的。
10、因此,已知的miRNA 的数目可能进一步的增加,如何确定预测所得的靶基因在生物学上确实与miRNA 相关也是一个难题。研究还发现单个基因的3非翻译区域具有几个miRNAs 的结合位点,这表明miRNAs 调控基因表达存在着复杂的组合模式。由于miRNAs 可能调节数个信号通路,这些小RNAs 的缺失或者异常表达可能与疾病密切相关,包括肿瘤。miRNA 相关的基因和人类肿瘤研究表明miRNA 生物合成的组成部分与肿瘤发生有关。在肺癌中发现Dicer 的表达下调。Karube 等检测了67 个非小细胞肺癌样品中的DICER 和DROSHA 的RNA 表达水平。他们发现DICER 的表达量下降与术后
11、存活期缩短相关,这表明了Dicer 可能阻止肺组织的转化。由于Dicer 与异染色质的维持和中心粒沉默有关,其蛋白质水平的降低可能直接导致基因组的不稳定,从而引起肿瘤形成。然而,Kanellopoulou 等最近证实缺少Dicer 的鼠胚胎干细胞尽管有异染色质不足的现象发生,但并不引起染色体的数目或者结构失常,并且注射这些缺少Dicer 的胚胎干细胞到裸鼠中也不会导致肿瘤发生。因此,Dicer 在肿瘤发生中的作用可能是非直接的,可能是通过其缺失而导致了具有肿瘤抑制因子效应的miRNAs 的减少起作用的。小鼠Dicer 基因的缺失研究表明这个基因在哺乳动物发育和干细胞正常分化、T 细胞发育、四肢
12、形成的重要性,这也预示着成熟的miRNAs 在这些过程中起作用。因此,肺癌和Dicer 的联系表明了这个基因在肺组织分化中的作用,并且可能它可能是通过miRNAs 起作用的。图一:miRNAs 的生物合成 microRNA (miRNA)基因通常是由RNA聚合酶II(Pol II)转录的,一般最初产物为大的具有帽子结构(7MGpppG)和多聚腺苷酸尾巴(AAAAA)的pri-miRNA。这些pri-miRNA在RNase III Drosha和其辅助因子Pasha的作用下被处理成70 个核苷酸组成的pre-miRNA前体产物。RAN-GTP和exportin 5 将这种前体分子输送到细胞质中。
13、随后,另一个RNase III Dicer 将其剪切产生约为22 个核苷酸长度的miRNA:miRNA*双链。这种双链很快被引导进入(miRISC)复合体中,其中含有Argonaute蛋白,并且成熟的单链miRNA保留在这一复合物中。成熟的miRNA结合到与其互补的mRNA的位点通过两种依赖于序列互补性的机制负调控基因表达。与靶mRNA不完全互补的miRNA在蛋白质翻译水平上抑制其表达。然而,最近也有证据表明,这些miRNA也有可能影响mRNA的稳定性。使用这种机制的miRNA结合位点通常在mRNA的3端非翻译区。如果miRNA与靶位点完全互补(或者几乎完全互补),那么这些miRNA的结合往往
14、引起靶mRNA的降解。通过这种机制作用的miRNAs的结合位点通常都在mRNA的编码区或开放阅读框中。蛋白Argonaute 是短的干扰RNA(siRNA)和miRNA 介导的基因调节RISC 复合物的至关重要的组成部分,也与多种肿瘤有关。3 个人的Argonaute 基因AGO3(又称真核转录起始因子2 亚基2(EIF2C3),AGO1(又称EIF2C1)和AGO4(又称EIF2C4),前后排列在1 号染色体(1p34-35)在wilms 肾癌中经常缺失,还与神经外胚层瘤有关。AGO1 在肺和肾的发育过程中高表达,在缺少Wilms 肿瘤抑制基因WT1 的肾癌中表达显著上升。这表明,AGO1
15、在这些组织在胚胎发生的分化过程中起重要作用。另一个Argonaute 基因,HIWI,与果蝇中piwi 功能类似的基因,定位在基因组12q24.33,而这一位点与睾丸生殖细胞肿瘤有关。这种睾丸特异表达的基因在19 份睾丸精原细胞瘤的12 份样品中表达上升。这些研究表明,HIWI 可能具有癌基因的活性,可能控制了生殖细胞的分裂和维持。进一步研究这个介导miRNA 加工和miRNA 抑制基因表达的复合物的组成部分对于设计利用miRNAs 治疗肿瘤等疾病的药物是必不可少的。miRNAs,生长、分化和疾病目前只有一小部分的miRNAs 生物学功能得到了阐明。这些miRNAs 调节了肿瘤有关的过程如细胞
16、生长,组织分化,所以,它们可能起到oncomirs 的功能。例如,由lin-4 和let-7编码的miRNAs 在线虫中控制了细胞分化和增殖的时序。这些miRNA 基因的突变导致了细胞周期和末端分化的异常,这也是肿瘤细胞的特性。有趣的是,哺乳动物lin-4 和let-7 的同源基因也被发现在人细胞系中控制细胞增殖,并与多种癌症有关。果蝇中由bantam 编码的miRNA 通过刺激细胞增殖和抑制细胞凋亡来诱导组织生长,这与bona fide 癌基因的特性一致。然而,在人类中,没有bantam 的近似的同源基因。另一个果蝇的miRNA,miR-14,强烈抑制细胞凋亡,也具有癌基因的重要特点。此外,
17、miR-14看起来还具有不相关的调节脂肪代谢和严谨反应的功能。研究发现其他miRNAs 在发育和诱导细胞分化发挥基础作用。其中包括,miR-273 和lys-6 编码的miRNA,参与了线虫的神经系统发育过程;miR-430 参与了斑马鱼的大脑发育;miR-181 控制哺乳动物血细胞分化为B 细胞;miR-375 调节哺乳动物胰岛细胞发育和胰岛素分泌;miR-143 在脂肪细胞分化起作用;miR-196 参与了哺乳动物四肢形成,miR-1 基因与心脏发育有关。对于新的miRNA基因的分析,可能揭示其他参与器官形成、胚胎发育和生长的调节因子,促进对癌症等人类疾病机制的研究。与癌症有关的miRNA
18、miRNA 表达与多种癌症相关,并且这些基因可能起到肿瘤抑制基因或是癌基因作用。最近的研究发现,大约50%的得到注解的miRNAs 在基因组上定位于与肿瘤相关的脆性位点(fragile site)。这说明miRNAs 在肿瘤发生过程中起了至关重要的作用。例如,mir-125b-1,线虫lin-4 的同源基因,在染色体的11q24 脆性位点,在很多乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宫癌病人中有缺失。Sonoki 等报道这一基因也和白血病相关,有一例前体B 细胞急性淋巴型白血病人在免疫球蛋白重链位点有这一基因的插入突变。尽管研究人员未能测定这一基因表达的改变,但是这一研究支持了这一基因的oncomir 功能
19、假设。Calin 等人首先发现miRNAs 可以起到肿瘤抑制基因作用。他们研究发现,患有一种成年型B 细胞慢性淋巴型白血病(CLL)病人常有mir-15a 和mir-16-1 基因簇的缺失或是表达下调。65%的CLL 病人,50%的套细胞淋巴瘤病人,16-40%的骨髓瘤病人、60-%的前列腺癌病人中有13q14 位点的缺失。因此,在这个30Kb 的区域中必定有一个肿瘤抑制基因的存在。有趣的是,mir-15a 和mir-16-1 位于一个功能未知的被称为LEU2 的非编码蛋白的RNA 基因的内含子区域。临床研究早就发现,13q14 位点缺失的CLL 病人预后要好于染色体异常或是11q23 或是1
20、7p13 位点缺失的病人。这可能是由于mir-15a 和mir-16-1 的同源基因(mir-15b 和mir-16-2)存在于3 号染色体上。而这两个基因在CLL 病人有低水平的表达,因此,13q14 位点的缺失并没有造成这一家族的miRNA 的完全消除Climmino 等最近报道,miR-15a 和miR-16-1 负调控BCL2,这是一个抗凋亡基因,在多种肿瘤中过量表达,包括白血病和淋巴瘤。因此,这两个miRNAs 的缺失或下调,导致了BCL2 表达的升高,促进了白血病和淋巴瘤的发生。研究还发现,两个CLL 病人存在miR-16-1 前体的下游7 个碱基中有一个C 突变为T,这种突变导致
21、miR-16-1 表达水平下降,这进一步证明了其肿瘤抑制基因的作用。尽管对于miR-15a 和miR-16-1 生物学功能的进一步研究还未完成,证据显示,miR-16-1 表达水平的下降多发现在各种白血病中,而在其他组织来源的肿瘤中并不多见。这说明这个miRNA 在免疫系统和B 细胞分化中的作用。图二:MicroRNAs 可以起到肿瘤抑制基因和癌基因的作用 在正常组织中,miRNA 正常转录,加工,结合到靶mRNA 的互补位点,通过抑制蛋白翻译或是改变mRNA 的稳定性来抑制基因表达。最终的结果是,细胞生长、增殖、分化和死亡保持在一个正常的水平。一个起肿瘤抑制基因作用的miRNA 表达下降或者
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