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shRNA表达克隆

可作为癌症生物标记的microRNA

Jul 15, 2008 No Comments

可作为癌症生物标记的microRNAmiRNA可鉴定癌症起始组织

       随着全球范围内测量miRNA的高通量技术的出现,这些转录后调节分子逐渐成为一类新的癌症生物标记。人们做了大量的研究工作以试图揭示出癌症与miRNA间的关联。Aharonov等人[1]根据多原发癌和转移癌中的miRNA的表达水平构建了一个miRNA分类器,以发现因其位点差异而发生的不同的癌转移。

       miRNA最初于1993年在线虫中被发现,然后于2001年正式命名[2],目前为止,在所有动植物中都发现有miRNA的存在。它们是一类18-25个核苷酸长度的非编码的RNA,起着调节细胞中基本生理过程的作用,包括调节细胞分化、增殖、凋亡以及代谢平衡等等。绝大部分miRNA的功能和靶点还有待研究。然而,现已发现一些特殊的miRNA在器官发育的不同阶段,在组织特异性细胞以及器官生成和肿瘤生成过程中的表达都会发生改变[3]。

       miRNA最初在细胞核内进行转录,然后经历了一个加工过程后成为成熟miRNA,该过程包括:(1)形成一个初级miRNA(pri-miRNA),然后形成一个前体(pre-miRNA);(2)输出到细胞质;(3)进一步加工形成成熟的miRNA;(4)与argonaute蛋白催化剂一起结合到RNA-诱导沉默复合体(RISC)上(图1)。这个miRNA-RISC复合物通过碱基配对与mRNA 3’ UTR中的互补序列结合,并抑制蛋白合成或降解靶mRNA[4]。较之人类基因大约20000个的基因数量,目前发现的miRNA只有541个,而之前预测的数量大约是1000个左右[5]。

                                   

图1 MicroRNA(miRNA)的加工过程

       在细胞核内,DNA先由RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ转录成初级miRNA(pri-miRNA)。其中长的pri-miRNA转录子(0.5-7kb)折叠成单个或一簇多发夹结构。然后pri-miRNA被一个由酶Drosha、细胞核RNAeⅢ以及RNA结合蛋白辅因子Pasha(也称作为DGCR8)组成的复合物所降解。而短的茎环结构(约60-70个核苷酸长度)则称为前体miRNA(pre-miRNA),随后pre-miRNA被Exportin 5运送到核膜上。在细胞质内,pre-miRNA进一步被一种名为Dicer的二级RNAe酶加工。而发夹环则被RNA解旋酶降解成双链RNA,留下一个短的miRNA二聚体,该双链RNA即为成熟的miRNA(约18-25个核苷酸长度),并与argonaute蛋白催化剂一起结合到RNA-诱导沉默复合体(RISC)上。这个miRNA-RISC复合物通过碱基配对与mRNA 3’ UTR中的互补序列结合,从而负调控转录后的基因表达,并抑制蛋白翻译或降解mRNA本身。

       为什么miRNA对癌症有潜在的重要作用呢?首先, miRNA在癌细胞中的表达异常。一些miRNA在早期的生长过程中过表达,在正常的分化状态下则关闭表达,而在癌细胞中却可能又再表达,进而导致细胞进入一个持续的干细胞样的去分化状态。miRNA在癌细胞中过表达所起的作用可能类似于原癌基因可以促进细胞增殖或抑制凋亡。相反地,另一些在正常组织中有肿瘤抑制调控作用的miRNA可能在癌细胞中是下调表达的,从而丧失了它们抑制肿瘤生长的能力。

       其次,研究miRNA的表达可能有助于我们研究肿瘤的起始过程。虽然miRNA在正常组织中的表达量是否普遍高于癌细胞中的表达量尚存在争议。无论正常组织还是癌组织中都存在特殊标记式的miRNA,这些miRNA在不同组织中的表达量是不同的[6, 7]。最后,对于特殊的miRNA来说,无论是过表达或是表达缺失都与癌症的转移有关[8, 9]。

       考虑到miRNA的表达存在组织特异性以及可以用于对肿瘤进行分类,Aharonov等人利用miRNA来对肿瘤进行定性。他们通过芯片技术平台对336个代表22种不同癌症类型的原发和转移性肿瘤中miRNA的表达水平进行了检测,并以此为依据构建了一个基于miRNA的组织分类器。他们在分开培养和检测这些肿瘤的基础之上,建立和检测了一个含有48种miRNA的分类器,这种分类器可以精确地预测86%的被检样品,其中包括77%的转移性肿瘤样本。不仅如此,这种分类器对10个转移性肿瘤样本的其中6个组织类型进行的预测,其准确率可以达到100%。研究人员认为他们构建的系统可以用于鉴别那些不明原发性的癌症,这种癌症类型大约占了侵入性恶性肿瘤总数的2-6%左右,而目前对此种癌症的治疗手段仍很有限。

       此外,这项研究还是目前针对原发和转移性肿瘤中的miRNA表达水平的热点研究。它不仅证实了此前miRNA的组织特异性的相关研究报道,而且还将miRNA与肿瘤组织分类学联系在了一起。

       然而,目前这项研究最大的局限在于它还不能通过miRNA分类器对不明原发性肿瘤进行检测,这可能是研究人员下一步急需解决的问题。不明原发性癌症和普通的转移性癌症在临床以及生物学的表现上是不同的。但即便它们的生物学表现相同,所有的miRNA分类器也只能针对它们各自收集到的样品分别进行检测。因此,即使Aharonov等人建议将这种系统应用到对那些来自于不同机构收集的患者的肿瘤样本的鉴定上去,那也要等到一种涵盖了所有样品信息的分类器出现了才行。

       miRNA的数据和与其相似的通过分析mRNA基因表达模式得到的数据相比又如何呢?一些研究小组已经用DNA芯片技术来鉴定肿瘤起始组织[10]。起始位点的预测准确度大概有73%-78%(由已知的转移性原发性肿瘤可以判断出这一概率),同时对于不明原发性癌症的起始组织的预测准确度也有61%-85%。

       癌症分类在此前一直是依赖于对mRNA表达谱的分析,而现在则可通过对miRNA的分析而获得。有研究对这两者得出的数据进行了分析比较,发现已知的乳腺癌分子的亚类型也可以通过miRNA进行鉴定,而且那些涉及miRNA合成的酶和蛋白在更为恶性的肿瘤的亚类型中是下调的。目前已经有临床实验来对那些根据mRNA的表达进行分类的不同乳腺癌分子的亚类型的治疗过程进行检测。因而,miRNA想作为临床应用上的生物标记还有待进一步的研究来检验,但无疑它的前途是光明的。

       miRNA作为癌症的生物学标记毕竟还是个新生事物。而miRNA的基本特性现在还未完全被阐明,同时有关其是否存在组织特异性功能和靶点、表达的发展时间、调控和进化地位方面的问题还有待研究。但作为基因表达调控中的关键分子,特别是在细胞分化和组织的生成过程中,miRNA很可能在癌症的起始和扩散阶段起着至关重要的作用,不过目前谈论它们对于临床诊断、治疗和预测中的生物标记作用还为时过早。

原文检索:www.nature.com/naturebiotechnology

参考文献

Rosenfeld, N. et al. (2008). Nat. Biotech. 26,462–469.

Ruvkin, G. (2001). Science. 294, 797–799.

Garzon, R. et al. (2006). Trends Mol. Med. 12, 580–587.

Lee, R.C., Feinbaum R.L. & Ambros, V. (1993). Cell. 75,843–854.

http://microrna.sanger.ac.uk/

Lu, J. et al. (2005). Nature. 435, 834–838.

Volinia, S. et al. (2006). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 2257–2261.

Ma, L., Teruya-Feldstein, J. & Weinberg, R.A. (2007). Nature. 449, 682–688.

Tavazoie, S.F. et al. (2008). Nature. 451, 147–152.

Pentheroudakis, G., Golfinopoulos, V. & Pavlidis, N. (2007). Eur. J. Cancer. 43, 2026–2036.

归尘/编译

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