调控DNA损伤修复的miRNA.docx
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调控DNA损伤修复的miRNA
调控DNA损伤修复的miRNA
调控DNA损伤修复基因的microRNA
摘要:
肿瘤的发生是个多级的过程,正常细胞的基因组受到各种各样的损伤而无法修复时,就有可能发生癌变转化为肿瘤细胞。
细胞为了保护其基因组的完整性,会需要一套复杂的DNA损伤修复系统,当细胞的DNA受到损伤时,细胞就会启动该系统,引起细胞周期阻断、凋亡或者进行DNA损伤修复。
放、化疗是通过引起DNA损伤而杀死肿瘤细胞的,也是一种主要的肿瘤治疗方法。
损伤DNA修复蛋白,使细胞损伤无法修复,就能增加肿瘤放、化疗的效率。
近年来,越来越多的证据证明microRNA(miRNA)参与DNA损失修复网络的调控过程。
miRNA是一类内源性的小的非编码RNA,能在转录后水平调节基因的表达。
由于其本身的特性,miRNA在许多生命进程中扮演着重要角色,本文探讨了miRNA在DNA损伤修复通路和肿瘤中的作用。
关键词:
DNA损伤修复通路;miRNA;调控
1、前言
DNA损伤修复(DDR)通路是一个复杂的信号传导通路,在DNA损伤之后被激活。
人体基因组DNA每时每刻都在遭受着来自体内外的各种因子的攻击而被损伤,细胞为了保护基因组的完整性,会启动DNA损伤修复系统,使细胞发生周期阻滞,最终细胞被修复或者凋亡[1]。
许多研究已证实,许多基因会在转录和转录后水平参与上述过程。
miRNA是一类能在转录后水平调控基因表达的分子,长为19-25nt,通过特异性识别mRNA3'非编码区(UTR)引起mRNA降解或转录抑制[2]。
miRNA在细胞分化、增殖、个体生长及疾病发生等过程中发挥着重要的生物学作用。
如在DNA损伤修复通路中,miRNA能调节多种修复基因,在DNA损伤引起的疾病如肿瘤发生发展中起重要作用。
2、DNA损伤应答
人体基因组DNA时刻都在遭受着各种因子的攻击而被损伤。
根据损伤因素的来源,可划分为内源性因素(自发性损伤)和外源性因素(环境诱导)。
内源性因素包括代谢和生化反应过程中产生的副产物,如活性氧(ROS)、醛类、腺苷甲硫氨酸等[3-5]。
这些内源性因素主要引起DNA碱基的一些修饰,如氧化、烷化、去氨基化、去嘧啶化、去嘌呤化等。
Hoeijmakers[6]报道估计,每个细胞每天要遭受105次以上的自发性损伤。
碱基间的错配是另外一种发生在DNA复制过程中的自发性损伤[7]。
在所有类型的损伤当中,DNA双链断裂(doublestrandbreaks,DSBs)被认为是最严重的损伤方式,单个未能被修复的DSB足以诱导细胞凋亡。
在减数分裂期的V(D)J重排过程中也会产生自发的DNA双链断裂[8]。
外源性的DNA损伤因素包括物理性和化学性因素。
物理性因素包括环境中的紫外线(UV)和离子辐射(X射线、γ-射线等)。
太阳光中的UV照射后产生嘧啶二聚体和6-4光产物[6],离子辐射如宇宙射线、放射治疗过程中产生的辐射等可造成DNA链的断裂。
癌症治疗用的众多化疗药物也能造成大量的DNA损伤,如甲基磺酸甲酯(MMS)造成的烷基化、丝裂霉素C(MMC)造成的交联、顺铂(cisplatin)和氮芥等引起的链内和链间交联等。
其他化学药物,如拓朴异构酶的抑制剂喜树碱(camptothecin,CPT)和Etoposide与拓朴异构酶I/II和DNA共价结合的复合物形成稳定的三元复合物从而造成DNA复制依赖的单链或双链断裂。
[9]细胞所携带的DNA双链断裂在后续细胞增殖前必须被移除,彰显了DNA损伤应答的重要性。
细胞对DNA损伤所做出的响应统称为DNA损伤应答。
DDR分为DNA损伤信号传递和DNA修复。
DNA损伤信号传递大致可以分为损伤感应阶段、信号传递阶段和效应阶段,对应的参与其中的蛋白质称之为感应激酶、中介因子、效应激酶和效应因子。
3、miRNA的合成及功能
miRNA是近年来发现的,一类长度为18-25nt的非编码RNA,这是一种广泛存在于真核生物中的内源性单链小分子RNA。
miRNA在细胞分裂、凋亡、分化及细胞信号传导等过程中发挥着重要的生物学作用[10-12]。
在人类基因组中大约有30%的基因会与miRNA发生作用[13]。
miRNA的发生及功能机制已有报道。
首先,miRNA由内源基因转录生成,经RNA聚合酶Ⅱ作用后形成初级转录产物pri-miRNA,在RNaseⅢ家族酶Drosha的作用下加工成70-100nt的前体pre-miRNA,pre-miRNA具有特征性茎环结构,转运到胞质后经Dicer酶的作用成为双链miRNA,最后在解旋酶的作用下生成成熟的miRNA。
成熟的miRNA与Argonaute蛋白和靶基因一起形成转录沉默复合体(RNA-inducedsilencingcomplex,RISC),在转录沉
列精确互补配对,在miR-41高表达的HeLa细胞中ATM的表达水平明显降低,但其mRNA水平并无明显下降,说明miR-421在翻译水平对ATM具有明显的负向调节作用,这也正符合miRNA的特点。
Galluzzi等[16]在研究非小细胞癌时发现,miR-630通过抑制ATM激酶的磷酸化从而抑制DNA损伤修复,药理学和基因学方法证实,miR-630可以阻断上游传导通路,抑制ATM对p53基因的激活,有力的解释了为什么AT患者肺癌的发生率明显高于正常人。
另外,在研究miRNA负向调节的同时还发现,有些miRNA可以通过调节相关基因的抑制因子,间接正向调控相关基因。
Zhang等[17]发现,在乳腺癌中,miR-16大量表达可通过抑制Wip1(ATM基因的抑制因子)使ATM的表达上调,从而抑制肿瘤细胞的自我更新和生长。
4.2调控H2AX基因的miRNA
H2AX是H2A蛋白家族的主要成员之一,研究发现H2AX的SQE结构域在DNA损伤修复过程中可被ATM、ATR、DNA-PK等磷酸化,转变为ϒ-H2AX,在双链DNA损伤中发挥重要作用[18]。
Lal等[19]发现,在miR-24高表达的终末分化造血细胞中,H2AX基因的mRNA和蛋白表达都受到明显的抑制,将miR-24转染细胞,细胞的DNA损伤修复能力明显下降,细胞对射线及细胞毒性药物的敏感性增加。
Galluzzi等[16]研究发现,miR-630可以通过直接抑制ATM基因通路下游的H2AX蛋白的表达,进而多靶点地抑制DNA损伤修复。
4.3调控BRCA1/BRCA2家族的miRNA
乳腺癌易感基因BRCA1是重要的抑癌基因,定位于人染色体17q12-2。
研究表明,BRCA1基因参与调控细胞周期,诱导DNA损伤修复、细胞凋亡、控制基因转录、泛素化等重要的细胞活动,是维持细胞基因组稳定的重要调控因子。
Shen等[20]在乳腺癌研究中提出,miRNA可以调控多种抑癌基因和原癌基因。
miRNA的遗传变异可调控这些基因的表达,从而导致肿瘤的易感性。
更多研究[21]表明,miR-146a可特异的结合BRCA1/BRCA2是3'UTR,因此BRCA1/BRCA2是miR-146a的潜在靶点。
体外将miR-146a转入乳腺癌MCF-7细胞后检测发现,BRCA1/BRCA2表达抑制情况具有统计学差异,证实了miR-146a通过抑制BRCA1/BRCA2表达从而使乳腺癌、卵巢癌的易感性明显增强。
4.4调控p53基因的miRNA
P53基因是目前发现的最为重要的抑癌基因,与细胞生长、凋亡、癌变等关系密切,在大肠癌、肝癌、胃癌等恶性肿瘤中的突变率在50%以上。
近年来对p53下游靶基因的研究突飞猛进,特别是与miRNA研究相结合,发现其通过调节miR-34家族及miR-29家族表达发挥细胞关卡作用,参与细胞基因损伤修复、细胞程序性死亡等重要环节。
但对以p53基因为靶点的miRNA的研究却不多见。
Le等[22]对神经系统内敢表达的miR-125b研究发现,miR-125b在斑马鱼和人类中可下调p53基因的表达及p53蛋白的合成,并进一步发现在放疗或羟基喜树碱化疗后,miR-125b表达明显降低,相应的p53蛋白的表达在DNA损伤细胞中明显增加,充分说明了p53为miR-125b的靶点之一。
此后,Zhang’等[23]发现miR-125b的靶点也是p53基因,这不难推想miR-125家族通过抑制p53基因表达使细胞对DNA损伤修复能力减弱,以及抑制凋亡从而导致癌症的发生。
除miR-125家族外,Xie、Tian等[24-25]报道miR-106、miR-150、miR-1285下调的同时,p53的表达明显升高,经检测其都可以和p53转录产物的3'UTR结合,充分说明p53为多个miRNA的靶点,受到miRNA网络的调控。
5、结语
细胞DNA受到损伤后,将会激发一系列生物学行为,导致多个DNA损伤修复基因及多条修复路径的激活。
而这一切生物学行为都将受到miRNA网络的调控。
到底有多少miRNA可以调控DNA损伤修复还不清楚,其具体调节机制也有待于进一步探求。
随着对DNA损伤基因、途径及miRNA调控网络了解的不断深入,将可能为DNA损伤相关肿瘤的发生、发展提供新的线索,同时也为肿瘤的诊断和治疗提供新的思路和策略。
参考文献
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[9]CicciaA,ElledgeSJ.TheDNAdamage
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