趸里亏搪(医学版) 94 Fudan Univ J Med Sci microRNA在纤维化疾病中的研究进展 封丽莎(综述) 樊晓明 (审校) (复旦大学附属金山医院消化科 上海 20054()) 【摘要】microRNA(miRNA)是一类长19 ̄25 nt的非编码小分子RNA。通过与靶基因序列的特异性相互作 用,在转录后水平调控基因表达,从而参与多种生理和病理过程,包括细胞增生、分化、凋亡及致癌等过程。脏器 纤维化是多种因素引起的脏器急性或慢性的病理变化,若得不到有效控制,最终可能发展为脏器衰竭,严重影响 人类健康。近年来,miRNA与脏器纤维化的基因表达调控研究日益成为焦点,也为临床靶向治疗脏器纤维化提 供了可能性。 【关键词1 microRNA; 纤维化; 细胞外基质 【中图分类号】R 329.2+4 【文献标志码】B doi:10.3969/j.issn.I672—8467.2012.01.018 Advance on fibr0sis—relative miRNAs FENG Li sha,FAN Xiao—ruingA (Department of Digestive,Jinshan Hospital,Fudan University.Shanghai 200540,China) [Abstract]miRNAs are small,noncoding RNAs,which are 1 9 to 25 nucleotides long.They either in— duce the degradation or repress the translation of target mRNA by completely or uncompetely binding with the 3 -untranslated region(3 一URT)of the target mRNA.miRNAs have been shown to play fun— damental roles in diverse biological and pathological processes,including cell proliferation,differentia— tion,apoptosis and carcinogenesis.A growing body of evidence suggests that miRNAs participate in the fibrotic process in a number of organs including the heart,lung,liver and kidney.In this review,we summarize our current understanding of the role of miRNAs in the development of tissue fibrosis and their potentia1 as novel drug targets. [Key words] microRNA; fibrosis; extracellular matrix This work WaS supported by the Natural Science Foundation of Shanghai(11ZR1405700),Shanghai Health Bureau Fund Pr0jeet (201075)and Innovative Fund on Science and Technology of Jinshan District,Shanghai(2009-3-13). micro RNA(miRNA)是一类长19~25 nt的非 性的病理变化,若不能得到有效控制,最终可能发展 编码小分子RNA,通过与靶基因序列的特异性相互 作用,在转录后水平调控基因表达,从而参与多种生 理和病理过程,包括细胞增生、分化、凋亡及致癌等 过程。脏器纤维化是多种因素引起的脏器急性或慢 为脏器衰竭,严重影响人类健康。近年来,miRNA 与脏器纤维化的基因表达调控研究日益成为焦点, 也为临床靶向治疗脏器纤维化提供了可能性。 miRNA的发现 1993年,Lee等Ⅲ在研究线 上海市自然科学基金项目(11ZR1405700);上海市卫生局基金项目(21)1075);上海市金山区科学技术刨新基金项目(2009—3—13) L,Corresponding author E—mail:xiaomingfan@hotmail.COn 封丽莎,等.microRNA在纤维化疾病中的研究进展 虫的发育过程时发现,在发育早期起作用的lim4基 因的突变引起线虫发育延迟,而在其靶标z 14基 因缺失突变的线虫中观察到了相反的发育表型。 2000年发现了第二个miRNA,控制幼虫向成虫转 变的基因ze 7l2]。与liw4作用方式相似,zP 7结 合在lim41和lir ̄57 mRNA 3 端非翻译区(kin~ translated region,3 UTR)抑制翻译。目前科学家 们已在哺乳动物、鱼、蝇和线虫中鉴定出数百种 miRNA。 miRNA的生物合成 编码miRNA的基因大 多位于染色体内含子、基因间区域或非编码外显子, 一些在基因组中有多个位点,也有些是串联排列的。 RNA聚合酶Ⅱ将miRNA的编码基因转录为pri— miRNA,后者可以自我折叠形成一个长约6()~8【) nt的发夹状茎环结构;发夹结构在核内被微处理器 (microprocessor)复合体所识别和剪切,形成pre miRNA中间体。核内的pre miRNA由Exportin5/ RanGTP输出到胞质 ],Dicer酶及其辅因子TRBP 共同作用于pre—miRNA,从而释放成熟的miRNA。 成熟的miRNA参与miRNA相关的多蛋白RNA 诱导沉默复合物(miRNA—associated multiprotein RNA induced silencing complex,miRISC)的组装并 发挥相应作用 。 miRNA的作用机制 经典理论认为,成熟的 miRNA进入miRISC中与目的mRNA配对,主要 通过两种机制来调控目标基因的表达。当miRNA 和目的mRNA完全或几乎完全互补时,导致目的 mRNA降解,此时的作用类似小干扰RNA(short interfering RNA,siRNA);当miRNA和目的 mRNA不完全互补时,则对靶标基因无影响,而是 负性调控翻译过程,阻碍蛋白质翻译。 miRNA与组织器官纤维化 目前已有多项研 究证明,miRNA参与调节多种生物进程,如细胞增 殖、分化、凋亡等,因此miRNA的异常表达会诱发 组织纤维化及肿瘤等疾病。纤维化的特征是细胞外 基质(extracellular matrix,ECM)新陈代谢的失衡 导致其过度沉积。胶原是ECM的最主要成份,而 纤连蛋白、弹力蛋白、原纤维蛋白等其他ECM成分 在纤维化进程中也发挥着不可或缺的作用。胶原由 成纤维细胞等多种间质细胞合成分泌,当组织受损 后成纤维细胞转化为肌成纤维细胞,并能够持续激 活肌成纤维细胞的表型,从而抑制其凋亡,促进纤维 化的进展。此外,转化生子因子 (transforming 95 growth factor-/?,TGF-?/)是目前已知作用最强的前 纤维化因子,在多种纤维变性环境中发挥关键作用。 当前对于纤维化的致病机制尚不完全清楚,也缺乏 有效的治疗措施,了解miRNA参与调节的纤维化 致病途径有可能为治疗疾病提供新的作用靶点。因 此,我们总结了目前关于miRNA影响多种器官(如 心、肝、肺、肾)纤维化的研究。 miRNA与心脏纤维化 心肌成纤维细胞是心 脏中数量最多的细胞类型,在调节心脏ECM新陈 代谢过程中发挥着重要作用 ]。心肌中ECM成分 的过度沉积与多种心脏疾病有关,如高血压、心肌梗 死、心肌病等,越来越多的研究证明miRNA参与并 调节这些疾病的致病机制。 Dong等 发现在肥厚心肌中,miRNA 133与 钙凋磷酸酶/核活化T细胞(nuclear factor of acti— vated T cells,NFAT)途径互相抑制,miRNA 133 通过转录后调节抑制调节钙调磷酸酶的表达;反之, 钙调磷酸酶/NFAT信号通路也负性调控miRNA一 133表达。研究证明,一旦激活钙调磷酸酶/NFAT 途径,miRNA一133的表达就会下降,同时丧失对钙 调磷酸酶的抑制作用,从而导致心脏进行性肥大。 Matkovich等 的研究指出,防止心脏压力负荷过 大时miRNA一133a下调能够缓解纤维变性心肌的重 构,并增强心脏的舒张功能,但miRNA一133a过度表 达不能抑制心肌肥大。 Bostjancic等 指出,miRNA一208在心肌梗死 的心肌细胞中表达明显升高,靶向作用于心脏中的 主要收缩性蛋白甲状腺激素受体相关蛋白1(thy— roid hormone recepter associatied protein/, THRAP1),从而调控心肌肥大和纤维化及 肌球 蛋白重链( myosin heavy chain,fl-MHC)的表达。 Callis等 发现,miRNA~208家族中的miRNA一 208a和miRNA-208b在心脏正常发育和心脏病理 过程中分别表达,并同时表达于各自的宿主基因a— MHC和 MHC;此外,两者都作用于重要的肌肉 发育和肥大的负性调控物——THRAP1和筒箭毒 碱。miRNA一208a在心肌细胞中过度表达会导致其 肥大。Bostjancic等 还指出,心肌梗死时miRNA一 1和miRNA 133a表达下降,尽管两者位于同一染 色体的相同位点,但在肌肉发育方面却发挥不同的 作用:miRNA 1促进成肌细胞分化,而miRNA一133 促进成肌细胞增殖;miRNA一1发挥促凋亡作用,而 miRNA 133则抗凋亡。两者下调可能造成心肌肥 96 大和心力衰竭时发生心律失常,但具体机制有待进 一步研究。Elia等 ” 也证明,miRNA 1作为修饰 基因和调控子在心肌细胞中与胰岛素样生长因子 (insulin~like growth factor,IGF一1)之间存在负向调 控环路,通过AKT、Foxo3a等信号转导途径来介导 心肌细胞肥大。 Thum等。。们发现,心脏衰竭时miRNA一21在心 肌成纤维细胞中表达明显升高,而在心肌细胞中表 达较低,miRNA一21通过激活细胞外信号调节酶一有 丝分裂原激活蛋白酶(extracellular regulated ki— nase mitogen—activated protein kinase, ERK— MAPK)途径抑制心肌成纤维细胞凋亡。研究还揭 示Spry1(sprouty homologue 1)是miRNA 21的靶 基因,而前者正是Ras—ERK—MAPK通路的抑制子。 因此心肌成纤维细胞中miRNA 21的异常表达,抑 制Spry1蛋白的翻译,正向激活ERK—MAPK途径, 从而介导心肌的纤维化和肥大;抑制miRNA一2l能 够增加内源性Spry1的表达、降低编码胶原和EMC 基因的表达。Roy等l_ ^指出,缺血再灌注时 miRNA一21在心肌的梗死区域高表达,miRNA一21 的直接靶基因PTEN(phosphatase and tension homologue)负性调节磷脂酰丝氨酸3激酶一Akt (phosphatidylinositide 3 kinase,PI3 K—Akt)等信号 通路,使基质金属蛋白酶2(matrix metal1opr0tein— ase一2,MMP 2)表达增加,进而影响EMC重构和间 质纤维化,最终导致心脏功能异常甚至心力衰竭。 因此,miRNA 21在心肌纤维化、心肌重构、心脏肥 大及心脏功能失凋等方面发挥着重要作用,并为心 脏疾病的治疗提供了新的靶点。 Rooij等 ’ 发现,有些miRNA动态调节梗死 后的心肌重构,如miRNA一15b、一21、一199、一214表达 上调及miRNA 29c、一1 5()表达下调。尤其是 miRNA 29家族(miRNA一29a、一29b、一29c)在心肌梗 死附近区域低表达,特别是在心肌成纤维细胞中较 心肌细胞中表达明显降低,负性调节纤维化过程中 骨干蛋白的编码基因,如多种胶原、微纤维蛋白、弹 性蛋白等。尽管miRNA一29在心肌纤维化中发挥关 键性作用,但并不意味着其与胶原表达之间是一对 一的调节关系,也就是说在miRNA一29控制纤维化 的作用中还存在着其他的调节步骤,有待进一步 研究。 miRNA与肝脏纤维化 肝脏纤维化是慢性肝 病(如病毒性肝炎、酒精滥用、代谢性疾病)的共有病 复旦学报(医学版) 2()12年1月,39(1) 理变化,最终将导致肝硬化甚至肝衰竭D 41。肝脏纤 维化的中心环节是肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC)的活化及其向成肌纤维样细胞和成纤维 细胞的转化,大量研究显示miRNA在HSC激活中 发挥关键性作用。激活的HSC分泌大量EMC,后 者沉积在间质中,从而引发肝脏纤维化。 miRNA 16位于人染色体13q14。Guo等_1] 研 究发现,细胞周期蛋白D1(cyclin D1,CD1)是 miRNA一16众多靶基因中的一个,CD1在维持细胞 周期G1/s结点方面具有关键作用。无论是在基因 水平还是蛋白水平,与静止的HSC相比,CDI表达 在活化的HSC中明显增加。miRNA一16通过调节 CD1使HSC停滞于G1期,从而呈现成肌纤维细胞 样的细胞表型。Guo等 还发现,在活化的HSC 中,miRNA一15b、一1 6、一1 22的表达水平均下降,而 miRNA一138、一140、一143的表达水平则上升。其中, miRNA一15b、一16作用于抗凋亡蛋白Bcl一2,而后者 在维持线粒体的完整性和防止细胞凋亡方面发挥重 要作用,并在活化的HSC中过量表达。miRNA一 1 5b、一16通过多种途径促进HSC的凋亡,包括下调 Bcl 2及上调其下游的caspases 3、一8和一9。因此,监 测miRNA一15b、一16的水平有利于肝脏纤维化的诊 断和治疗。 Ji等 发现活化的HSC中miRNA一27a、27b 失活会使部分细胞转化为静止表型,究其机制发现 miRNA一27a、27b的5 端前8个碱基与鼠RXRa的 3 UTR完全互补,后者在多个种属中稳定表达,主 要以核受体的异二聚体部分参与细胞增殖、分化等 多种信号通路。RXR 在激活的HSC中表达明显 降低,转染RxR 基因能够抑制HSC增生,并逆转 部分活化HSC的细胞表型,保留其储存脂滴的能 力。由此可见,沉默体内miRNA一27a、一27b的表达 将为解决肝脏纤维化提供新的途径。 Ogawa等_1阳发现miRNA 29b与HSC中I型 胶原的3 UTR高度同源,且由TGF一 诱导的I型 胶原表达的转录调控子SP1的3f_UTR亦是 miRNA一29b的靶点,TGF-lf通过诱导SP1和磷酸 化的Smad2/3两种途径来介导I型胶原mRNA的 表达。该研究进一步发现,在非激活的HSC中转 染miRNA 29b前体能够显著抑制I型胶原和SP1 表达。即使经过TGF 刺激HSC,上述干预仍能 够完全抑制I型胶原表达的升高。由此总结, miRNA一29b下调HSC中I型胶原表达是通过与I 封丽莎,等.microRNA在纤维化疾病中的研究进展 型胶原3,_UTR相互作用及干预SP1表达来完成 的。因此,向肝脏中的HSC靶向注射miRNA一29h 有望成为治疗肝纤维的新策略。 Jin等l1 对小鼠非酒精性脂肪肝模型的研究指 出,数十种miRNAs参与到脂肪和血糖代谢及炎症 反应的过程中,检测血液中的miRNA可以作为脂 肪变性和脂肪肝的无创性诊断依据,但各种miRNA 的具体作用机制还有待更深入的研究。 miRNA与肺纤维化 肺纤维化的特征是肺问 质中胶原和EMC过度沉积,且普遍伴有TGF-lf表 达上调 。]。关于肺纤维化疾病中miRNA作用的 研究较少。Pandit等 叼主要致力于研究let一7d、 TGF 通过Smad3途径负性调控1e卜7d表达,研究 发现let一7d、miRNA 26及一3()家族成员在特发性肺 纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)中较正 常肺表达显著降低。体外试验中,抑制let一7d能够 诱导肺泡内皮细胞间质标记HMGA2、ACTA2及 COLIA1表达增加,内皮标志物CDH1、TJP1表达 降低;而体内试验中,抑制let一7d使肺泡壁增厚l2 。 单独抑制let一7d就能诱导A549、RLE 6TN及 NHBE ̄Ht胞发生上皮细胞向间质细胞的转化 (epithelial—to—messenchymal,EMT)。因此,抑制 let一7d是IPF中细胞表型显著变化的一个关键调控 事件,可能为IPF提供新的治疗措施。Pottier等 ] 发现,miRNA一155在TNF 和IL一1.8处理的人肺成 纤维细胞中表达增加,而在TGF 干预的细胞中表 达下降。miRNA 155表达增加可下调角化细胞生 长因子(keratinocyte growth factor,KGF),即纤维 化细胞生长因子一7(fibroblast growth factor 7, FGF一7)的产生,同时通过诱导caspase一3表达来促 进成纤维细胞迁移。该研究使用博来霉素诱导小鼠 肺纤维化的模型进一步证明miRNA一1 55的上调与 肺纤维化的程度密切相关。 miRNA与肾脏纤维化 肾脏纤维化是多种慢 性肾脏疾病(如肾炎、肾病、肾性疾病)终末期的共有 特征(如肾小球硬化、肾间质纤维化),最终将导致不 可逆的肾脏衰竭l_2 。无论初始病因,肾脏纤维化的 实质就是ECM过度积聚和沉积的过程。糖尿病肾 病是糖尿病的常见并发症,为研究肾脏纤维化提供 了良好的模型l2 。 Mitsuo等 发现,miRNA一192是唯一在鼠肾 脏系膜细胞中表达的miRNA,在糖尿病肾病的肾小 球中表达升高,Smad相互作用蛋白1(Smad—inter 97 acting protein 1,SIP1)编码基因是其直接靶标。 SIP1是I型胶原基因上游区域增强子中E box的 阻遏物,并且受TGF一 负性调节。因此,在糖尿病 条件下肾脏细胞(包括系膜细胞)中前纤维化因子 TGF-lf水平升高,促进miRNA 192表达,遏制SIP1 的作用,增强E—box的功能,刺激I型胶原的增生。 这一机制在1型糖尿病和2型糖尿病的小鼠体内、 外均都得到证实。反之,Krupa等[=2 指出在人体近 端肾小管细胞中,TGF一.8刺激使miRNA 192表达下 降,后者的缺失与肾小管间质纤维化及糖尿病肾病 患者的肾小球滤过率降低密切相关;其机制还包括 miRNA一192作用于锌指E盒结合同源异形盒1 (zinc finger E—box binding homeobox 1,ZEB1)和 ZEB2,诱导E一钙黏蛋白表达增强。其中,E一钙黏蛋 白的抑制是肾小管上皮细胞向问质细胞转化过程中 的早期事件,而ZEB1和ZEB2则是TGF 依赖性 的E一钙黏蛋白抑制的关键转化调控子。因此, rniRNA一192对肾小管细胞中E钙黏蛋白表达具有 重要作用,同时TGF一 依赖性miRNA 192表达的 缺失是肾小管间质纤维化中上皮问质转化过程的重 要贡献者。 此外,Wang等 指出,miRNA 377是一种肾 小球系膜细胞暴露于高糖环境下诱导的相关 miRNA,它能够抑制肾小球系膜细胞的几种重要的 翻译蛋白(如SOD1、SOD2和PAK1),从而导致系 膜细胞对氧化应激的敏感性增强以及EMC蛋白和 纤连蛋白的堆积。其中,SOD1和SOD2均为含有 金属的过氧化物歧化酶,能够催化高糖环境下增多 的ROS降解为毒性较小的产物,而PAK1通过改 变MAPK、NF-kB和(或)Bcl一2通路中成员的活性, 最终导致纤连蛋白产生密集性缺失。因此, miRNA 377在系膜细胞对糖尿病环境作出反应的 过程中发挥着重要作用。 Wang等 胡的研究也发现,miRNA 200家族 (如miRNA一141、200a、一2()0b)及miRNA一192、一205 在高血压性肾小球硬化患者中表达升高,升高程度 与疾病严重性相关。这几种miRNA通过抑制 ZEB1和ZEB2来抑制上皮间质转化进程,还观察到 miRNA家族与肾内粘连蛋白和成纤维细胞特异蛋 白1(fibrolast—specific protein 1,FSP一1)的表达呈正 相关,尽管miRNA 200家族调控FSP一1的机制还不 清楚,但有证据表明FSP一1的表达受ZEB1/ZEB2 的调控。Christoffersen等_2叼在对HEK293细胞的 98 复旦学报(医学版)2012年1月,39(1) [1()] Ella I ,Contu R,Quintavalle M,et a1.Reciprocal regula tion of microRNA一1 and insulin—like growth factor一1 sig— 研究中也发现,miRNA一20()家族靶向调控ZFH—I 基因家族,并涉及上皮问质转化的过程,同时牵制 ZFH—I在特殊细胞类型中的表达。 小结 越来越多的研究表明miRNA调节心、 肺、肝、肾等多种器官的纤维化。miRNA表达水平 的变化与特异的遗传学改变,如在人类器官纤维化 中表达水平的上调和下降有关,可引发特定的信号 na1 transduction cascade in cardiac and skeleta1 muscle in physiological and pathological conditionslJ].Circulation, 2009,120(23):2377—2385. 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