競爭性內源RNA與腫瘤發生*

藺新秀， 楊 蔓， 夏 天， 郭俊明

(寧波大學醫學院生物化學與分子生物學教研室，浙江省病理生理學技術研究重點實驗室，浙江寧波 315211)

競爭性內源RNA與腫瘤發生*

藺新秀， 楊 蔓， 夏 天， 郭俊明△

(寧波大學醫學院生物化學與分子生物學教研室，浙江省病理生理學技術研究重點實驗室，浙江寧波 315211)

微小RNA(microRNA，miRNA)、長鏈非編碼RNA(long non-coding RNA，lncRNA)等轉錄物在腫瘤發生發展中發揮著重要作用［1-4］，越來越多的研究表明，它們之間存在著復雜的網絡關系［5-6］。2011年，哈佛大學醫學院的研究人員提出了競爭性內源RNA(competing endogenous RNA，ceRNA)假說。該假說認為mRNA、lncRNA等轉錄物通過miRNA應答元件(miRNA response element，MRE)競爭性結合miRNA，從而相互調控各自的表達水平，進而影響各自功能的發揮［7］。隨后的研究從生物信息學、細胞生物學和動物模型等不同水平驗證了該假說［8］。這些研究向我們展示了基因轉錄后調控的全新層面，也為我們理解腫瘤等疾病發生的病理生理機制提供了新思路。

1 ceRNA與腫瘤

盡管ceRNA假說提出的時間不長，但人們已經在前列腺癌、結直腸癌、黑色素瘤、惡性膠質瘤、肝癌和乳腺癌等多種腫瘤中證實了ceRNA調控機制在腫瘤發生中的作用。

1.1 ceRNA與前列腺癌 前列腺癌是西方國家男性最常見的惡性腫瘤，因而國外對其發病機制的研究一直非常重視;在腫瘤相關ceRNA研究方面也不例外。磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog，PTEN)基因是一種重要的抑癌基因，其蛋白質產物通過阻斷磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/絲-蘇氨酸蛋白激酶(serine-threonine protein kinase，Akt)信號通路抑制腫瘤生長［9］。PTEN假基因1(phosphatase and tensin homolog pseudogene 1，PTENP1)和PTEN的序列同源性很高，因此它們具有許多相同的MRE。Poliseno等［10］的研究表明，在前列腺癌細胞中，PTENP1通過競爭性結合miR-19b、miR-20a、miR-21、miR-26a和miR-214等多種 miRNA，導致這些靶向 PTEN的miRNA水平下降，從而使PTEN的表達水平升高，最終抑制癌細胞增殖;而當PTENP1表達水平下降時，將有較多的miRNA來抑制PTEN的表達，結果促進癌細胞增殖。值得一提的是，PTENP1受其反義RNA β調控，后者通過與PTENP1部分互補配對，提高其穩定性，從而增加 ceRNA的效率［11-12］。此外，在前列腺癌細胞中，KRAS假基因1(KRAS pseudogene 1，KRASP1)和KRAS基因的轉錄物都擁有miR-143和let-7家族的結合位點，所以，KRASP1通過競爭性結合這些miRNA調控KRAS的表達水平［10］。這些例子說明，假基因轉錄物與其同源基因的轉錄物之間較易形成ceRNA。

1.2 ceRNA與結直腸癌 除了上述的假基因轉錄物與其同源基因轉錄物之間可以互為ceRNA外，mRNA之間也可以互為ceRNA。Tay等［13］的研究表明，在結直腸癌細胞中，囊泡相關膜蛋白相關蛋白A (vesicle-associated membrane protein-associated protein A，VAPA)基因和CCR4-NOT轉錄物復合體亞基6樣(CCR4-NOT transcription complex，subunit 6-like，CNOT6L)基因的mRNA都是PTEN mRNA的ceRNA。VAPA mRNA通過競爭性結合miR-17、miR-19a、miR-20a、miR-20b、miR-26b、miR-106a和 miR-106b等7種 miRNA調控 PTEN的表達水平，而CNOT6L mRNA通過競爭性結合miR-17、miR-19a、miR-19b、miR-20a、miR-20b和miR-106b等6種miRNA調控PTEN的表達水平，從而影響PI3K/Akt信號通路［13］。當VAPA或CNOT6L表達上調時，結合大量與PTEN共享的miRNA，導致PTEN蛋白產量升高，提高其抑癌活性;當VAPA或CNOT6L表達下調時，釋放大量靶向PTEN的miRNA，導致PTEN蛋白產量降低，降低其抑癌活性［13］。我們注意到，在這2組ceRNA中，有5種miRNA(miR-17、miR-19a、miR-20a、miR-20b和miR-106b)是相同的。事實上，它們都是典型的致癌性miRNA，具有促進腫瘤細胞生長的作用［1］。這種作用是通過下調其靶標實現的［1］，這是miRNA的基本作用機制;而ceRNA的發現拓展了miRNA的作用形式和范圍。

1.3 ceRNA與黑色素瘤 PTEN失活或抑制在多種類型的腫瘤中具有普遍現象，為此，它成為了研究ceRNA在腫瘤發生中作用的良好代表［10-14］。Karreth等［14］利用小鼠模型證明了鋅指E盒結合同源異型框2(zinc finger E-box binding homeobox 2，ZEB2)基因的轉錄物是PTEN mRNA的ceRNA，兩者都存在miR-25、miR-92a、miR-181和miR-200b的結合位點。當高表達ZEB2時，PTEN蛋白水平升高，抑制黑色素瘤發生;當沉默ZEB2時，PTEN蛋白水平降低，促進黑色素瘤發生［14］。

1.4 ceRNA與惡性膠質瘤 Sumazin等［5］分析了來自癌癥基因組圖譜(the cancer genome atlas，TCGA)的惡性膠質瘤基因表達數據，認為存在24.8萬多種miRNA介導的相互作用，其中約7 000多種基因的轉錄物以ceRNA的方式相互作用。他們發現多種信號通路通過ceRNA相互影響，包括PTEN、血小板源性生長因子α多肽(platelet-derived growth factor receptor，α polypeptide，PDGFRA)、視網膜母細胞瘤1 (retinoblastoma 1，RB1)、血管內皮生長因子A(vascular endothelial growth factor A，VEGF-A)、信號轉導和轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)和Runt相關轉錄因子1(Runtrelated transcription factor 1，RUNX1)等關鍵基因的轉錄物［5］。這提示了ceRNA現象的普遍性和作用的廣泛性。

1.5 ceRNA與肝癌 我國是肝癌高發國家，我國學者在肝癌病生機制研究方面取得了一系列的進展。一種稱為肝癌高表達轉錄物(highly up-regulated in liver cancer，HULC)的lncRNA在肝癌等腫瘤的發生中起著重要作用。Wang等［15］的研究表明，HULC作為天然 miRNA海綿(natural miRNA sponge)抑制miR-372活性，從而解除miR-372對cAMP依賴性蛋白激酶催化亞基β(protein kinase，cAMP dependent，catalytic β，PRKACB)的抑制作用，促進蛋白激酶A (protein kinase A，PKA)信號通路進程。這是 lncRNA充當ceRNA的一個例子，與前面提到的假基因轉錄物和mRNA作為ceRNA的RNA類型是不同的。lncRNA是長度超過 200核苷酸的非編碼RNA［4］;而miRNA是長度約為19～22核苷酸的短鏈非編碼RNA［1］。這個例子說明非編碼RNA之間可以相互作用。

miRNA發揮作用的主要方式是通過結合mRNA的3＇非翻譯區(3＇-untranslated region，3＇-UTR)，而3＇-UTR也被發現能充當ceRNA發揮作用的中堅力量。Fang等［16］研究了透明質酸結合蛋白versican在肝癌發生發展中的作用，發現versican mRNA的3＇-UTR能競爭性結合 miR-133a、miR-144、miR-199a-3p和miR-431，從而調控這些miRNA的靶標的表達水平，促進肝癌細胞的增殖、遷移和侵襲，并抑制細胞凋亡。

八聚體結合轉錄因子4(octamer-binding transcription factor 4，OCT4)是胚胎干細胞多能性的調控因子之一，在多種腫瘤中也呈現異常表達。Wang等［17］的研究表明，在肝癌細胞中，OCT4假基因OCT4-pg4能夠競爭性結合miR-145，從而解除miR-145對OCT4的抑制，在肝癌發生中具有促癌作用。這是假基因轉錄物與其同源基因轉錄物間形成ceRNA的又一例子。

1.6 ceRNA與乳腺癌 乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤，人們非常重視對其發病機制的研究，最近在ceRNA研究方面也取得了較多進展。Versican mRNA的3＇-UTR除了被發現在肝癌細胞中發揮ceRNA作用［16］外，Lee等［18］的研究表明，在乳腺癌中，它還能夠競爭性結合miR-136、miR-144和miR-199a-3p，從而調節這些miRNA的靶標PTEN和RB1的水平，影響乳腺癌細胞的生長。

此外，Jeyapalan等［19］的研究表明，白細胞分化抗原44(cluster of differentiation 44，CD44)mRNA的3＇-UTR能夠競爭性結合miR-216a、miR-330和miR-608，而這些 miRNA能靶向細胞分裂周期蛋白42 (cell division cycle 42，CDC42)。超表達CD44 mRNA 3＇-UTR解除了這些miRNA對CD44本身和CDC42的抑制作用，導致兩者的蛋白產物增加，抑制乳腺癌細胞生長，促進細胞死亡，小鼠實驗也表明腫瘤生長減慢［19］。這為利用ceRNA原理治療腫瘤提供了新思路。

2 ceRNA數據庫和算法

隨著越來越多的人關注ceRNA研究領域，ceRNA相關的數據庫也陸續建立了。Sarver等［20］建立了首個 ceRNA數據庫(competing endogenous RNA database，ceRDB)，可用于預測互為ceRNA的mRNA，網址為 http://www.oncomir.umn.edu/cefinder/。Liu等［21］建立了長鏈基因間非編碼RNA(long intergenic noncoding RNA，lincRNA)數據庫Linc2GO (http://www.bioinfo.tsinghua.edu.cn/～ liuke/ Linc2GO/index.html)，他們基于ceRNA假說來注釋這些lincRNA的功能。StarBase［22］數據庫目前已經更新到第2版(http://starbase.sysu.edu.cn/)，不僅可以預測miRNA與mRNA、miRNA與lncRNA、miRNA與假基因轉錄物、miRNA與環狀RNA(circular RNA，circRNA)、RNA與蛋白質的相互作用，還可以預測ceRNA相互作用。有效利用這些數據庫將有助于我們快速了解研究目標，避免研究的盲目性，節約實驗成本，為揭示腫瘤發生的病生機制提供了方便。

ceRNA預測算法是后期實驗驗證的基礎。Tay等［13］使用RNA22預測ceRNA，前者主要基于miRNA種子序列與靶RNA之間的堿基互補配對原理; Sumazin等［5］開發了一種稱為Hermes的多變量分析算法，用于從大量腫瘤樣本的全基因組表達譜中推斷調控miRNA活性的RNA。Ala等［23］構建了ceRNA計算機模型，模擬結果表明改變其中一種RNA，會顯著影響整個ceRNA網絡。Bosia等［24］和Noorbakhsh等［25］也對ceRNA進行了建模，用于描述ceRNA網絡中各種轉錄物的相互關系、穩健性以及對干擾的應答。

3 ceRNA在腫瘤治療中的應用前景

miRNA海綿(miRNA sponge)是一種miRNA抑制劑，用于抑制特定 miRNA的活性［26］。相對于miRNA海綿而言，ceRNA的優勢在于可以抑制多種miRNA的活性，通過改變MRE的種類和數量，可起到網絡調控的作用。為此，Tang等［27］開發了一種人工ceRNA，稱為短串聯靶標類似物(short tandem target mimic，STTM)，可有效抑制多種miRNA的功能。

最近的研究表明，circRNA也可以ceRNA的形式發揮作用［28-30］。這是目前發現的第4類ceRNA形式。人們發現:ciRS-7含有大量miR-7結合位點，是miR-7的高效抑制劑［31］。由于miR-7可以調控多種癌基因的表達，所以ciRS-7/miR-7系統在腫瘤發生中起著較為重要的作用。Liu等［32］構建了人工的circRNA，用于抑制miR-21和miR-221的活性，效果遠優于線性miRNA海綿和其它miRNA抑制劑，顯示出良好的抗癌活性。

研究表明，ceRNA與多種腫瘤相關，調控腫瘤發生發展［33］。未來，我們還需進一步研究ceRNA網絡是如何在腫瘤中發揮作用的。此外，以往對ceRNA的研究主要集中于mRNA，越來越多的研究表明，lncRNA也可以作為ceRNA，例如，lincRNA-RoR可以競爭性結合miR-145［34］;H19可以競爭性結合let-7家族［35］。迄今為止，ceRNA網絡世界正越來越豐富，mRNA、假基因轉錄物、lncRNA和circRNA等均能與miRNA相互作用，參與ceRNA調控網絡，在腫瘤發生中發揮著難于估量的作用。

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Competing endogenous RNAs and oncogenesis

LIN Xin-xiu，YANG Man，XIA Tian，GUO Jun-ming

(Department of Biochemistry and Molecular Biology，Zhejiang Provincial Key Laboratory of Pathophysiology，Ningbo University School of Medicine，Ningbo 315211，China.E-mail:guojunming@nbu.edu.cn)

Competing endogenous RNAs(ceRNAs)regulate other RNA transcripts by competing for shared microRNAs.They might be coding RNAs or non-coding RNAs including long non-coding RNAs，pseudogene transcripts，and circular RNAs.Recent discoveries reveal the important pathophysiological roles of ceRNAs in prostate cancer，colorectal cancer，melanoma，glioblastoma，liver cancer，breast cancer，etc.We discussed the molecular mechanisms of ceRNAs in cancers and their possible applications.In addition，several databases and algorithms，such as ceRDB，Linc2GO，star-Base，RNA22 and Hermes，have been developed for the convenience in ceRNA investigation.

競爭性內源RNA;MicroRNA;腫瘤發生

Competing endogenous RNAs;MicroRNA;Oncogenesis

R363.2;R730.23

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2014.03.032

1000-4718(2014)03-0563-04

2013-10-27

2014-01-03

國家自然科學基金資助項目(No.81171660);寧波市自然科學基金資助項目(No.2012A610207);寧波市科技創新團隊資助項目(No.2011B82014);寧波市重點學科資助項目(No.XKL11D2127;No.XKL11D2128);寧波大學大學生科研創新計劃資助項目(No.2013506);寧波大學優秀學位論文培育基金資助項目(No.PY2012004)

△通訊作者Tel:0574-87600758;E-mail:guojunming@nbu.edu.cn