MicroRNA-21與細胞損傷及凋亡的研究進展*

張 鑫，惠 越，張 燕，黎張雙子，李 沖 綜述，陳 淼△ 審校

(1.遵義醫學院附屬醫院重癥醫學科二病區，貴州遵義 563000；2 湖北省十堰市太和醫院醫院中心ICU 442000；3.山東省青島市黃島區人民醫院麻醉科 266400；4 湖北省宜昌市中心人民醫院重癥醫學科 443000)

MicroRNA-21與細胞損傷及凋亡的研究進展*

張 鑫1，惠 越2，張 燕3，黎張雙子1，李 沖4綜述，陳 淼1△審校

(1.遵義醫學院附屬醫院重癥醫學科二病區，貴州遵義 563000；2 湖北省十堰市太和醫院醫院中心ICU 442000；3.山東省青島市黃島區人民醫院麻醉科 266400；4 湖北省宜昌市中心人民醫院重癥醫學科 443000)

微RNAs；細胞凋亡；靶基因；MicroRNA-21；細胞損傷

微小RNA(microRNAs，miRNA)是一類廣泛存在于真核生物的、長度約18～24個核苷酸的高度保守的內源性、非編碼、單鏈小分子RNA。通過干擾mRNA翻譯過程即堿基互補配對方式來調節靶基因的表達，對體內細胞增殖、分化、損傷、凋亡等發揮作用。因miRNA在細胞損傷及凋亡的發生、發展中表達變化而被廣泛研究。隨著近幾年研究的不斷深入，細胞損傷及凋亡與miRNA的聯系越來越清晰，miRNA對肺臟、腫瘤、心血管、肝臟、腎臟、免疫系統的細胞損傷及凋亡等都起著重要作用。本文主要介紹的miRNA分子之一miRNA-21在細胞損傷及凋亡中的研究進展，更加明確miRNA-21 有望成為這些疾病診斷、治療新的切入點。

1 miRNA概述

miRNA發揮生物學功能的機制有兩種：(1)與靶基因3′端非編碼區(3′UTRs)結合，抑制靶基因翻譯和表達；(2)結合并降解靶基因。一種miRNA的作用靶基因可以是多個，多種miRNA作用靶基因可以是一個，如此便形成了復雜的miRNA控制網絡。miRNA雖然僅占人類基因組的l%，卻可調控60%以上其他基因的表達。miRNA對多個基因起關鍵調節作用，這些基因涉及從細胞生長發育到凋亡等各種生命活動。作為細胞內重要的調控分子，miRNA在多種細胞損傷與凋亡信號轉導通路中發揮關鍵作用。

miRNA在調控表觀遺傳修飾基因靶點上特點突出：(1)一種miRNA通常能夠作用于多個靶基因位點進而參與多種蛋白的表達；(2)miRNA的調控方式單一、高效并且可逆，這與遺傳信息轉錄過程不同；(3)miRNA調控各種生命活動方式溫和。并且大量研究證明，其參與了多種細胞損傷與凋亡過程。

近幾年證實，miRNA廣泛參與細胞損傷與凋亡過程，miRNA對細胞損傷及凋亡的機制值得研究探索。而miRNA-21作為miRNA分子中的一員，近幾年隨著miRNA-21在肺臟、心血管、腫瘤、肝臟、腎臟、免疫系統等方面被深入研究，發現miRNA-21在這幾方面的疾病中表達異常，證實miRNA-21在整個生命過程和疾病發生、發展過程中的作用，尤其在細胞損傷及凋亡作用突出。其作用靶基因的位點也得到了證實,其中與細胞損傷及凋亡有關的靶基因眾多。本文主要闡述miRNA-21在各種細胞損傷及凋亡的研究進展。

2 miRNA-21與細胞損傷及凋亡的研究進展

2.1 miRNA-21與肺臟疾病研究進展

2.1.1 高氧性急性肺損傷 高氧性急性肺損傷(hyperoxia-induced acute lung injury，HALI)是指長時間吸入高濃度氧后導致肺泡上皮細胞及毛細血管內皮細胞損傷，主要表現為彌漫性肺間質及肺泡出血水腫的急性肺氧化應激性損傷。病理期有滲出期、增生期、纖維化期。近年研究表明，凋亡在HALI的發病過程中作用顯著，其關鍵因素是氧化應激導致的Ⅱ型肺泡上皮細胞(typeⅡalveolar epithelial cell,AECⅡ)凋亡,并且HALI三期病理變化都相伴著AEC-Ⅱ的損傷與凋亡。AECⅡ是肺泡上皮的重要組成部分，也是肺泡上皮的干細胞，在保持肺泡干燥、維持呼吸功能及肺泡修復中發揮關鍵作用。其過度損傷與凋亡可導致肺泡水腫、塌陷、修復障礙，從而引起嚴重的低氧血癥、呼吸窘迫和肺纖維化。AECⅡ是高氧攻擊的主要細胞，抑制其凋亡可改善HALI的損傷程度。劉國躍等[1]研究發現，在HALI 動物模型中，miRNA-21-5p對大鼠肺組織具有保護作用。并且覃松等[2]通過病毒轉染影響miRNA-21-5p的表達得出miRNA-21-5p具有抗 AEC-Ⅱ凋亡作用。

戢慧等[3]通過高通量基因芯片技術篩選AECⅡ凋亡過程中差異表達miRNA發現：miRNA-21在AECⅡ內高表達，且在細胞凋亡過程中明顯下調。經計算機檢索miRNA-21的靶基因發現：TarBase、 Pictar、 TargetScan等收錄與凋亡相關的靶基因有人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源的基因(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome 10，PTEN)、程序性細胞凋亡因子4(programmed cell death 4，PDCD4)等。其中PTEN是迄今發現的第一個具有磷酸酶活性的抑癌基因。PTEN蛋白能使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(PIP3)脫磷酸形成磷脂酰肌醇-3,4-二磷酸(PIP2)，使其失去信號傳導功能，從而阻斷磷脂酰肌醇3-激酶/絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號通路，抑制細胞周期的進展，促進細胞凋亡。PDCD4最初在小鼠體內大部分細胞發生凋亡時，該基因表達上調。Cheng等[4]研究發現，miRNA-21通過作用于靶基因PDCD4發揮抗凋亡作用。同時PDCD4基因研究已證實，PDCD4蛋白磷酸化受Akt調控，而這種磷酸化的PDCD4蛋白活性顯著下調。在HALI 中miRNA-21可通過作用于凋亡相關的靶基因PTEN、PDCD4抑制PI3K/Akt通路來發揮抗凋亡的作用。

2.1.2 全身性炎性肺損傷 在全身性炎性肺損傷研究中，Qi等[5]研究發現,miRNA-21通過作用于靶基因PTEN 經Akt信號通路參與了脂氧素 A4(Lipoxin A4，LXA4) 激活肺泡上皮鈉通道γ(ENaC-γ)炎癥反應過程。同時有報道顯示，死亡受體通路與肺部細胞的凋亡密切相關,作為最重要的死亡受體FasL,Fas/FasL通路是引起AECⅡ凋亡的重要途徑[6]。也有研究指出，FasL也是miRNA-21的靶基因，miRNA-21 可以抑制FasL轉錄活性；阿奇霉素通過調節叉頭蛋白3a(Foxo3a)可以使miRNA-21表達下調，引起FasL表達上調，從而激活了細胞凋亡的外源性通路[7]。

2.1.3 肺動脈高壓 肺動脈高壓(PH)是一種致命的疾病,其發病機制涉及肺動脈平滑肌細胞(PASMC)的增殖。盡管現在對PH治療改善了患者的生存,但更有效的治療策略值得研究。在Fares等[8]所著的《新穎的疾病的機制:在肺動脈高壓中的網絡生物學和微信號學》一書中指出,應用網絡生物學和微信號學發現miRNA-21與PH多個致病通路有關。另外Parikh等[9]發現,基于網絡的生物信息學方法和已有的生命信息參數,得出miRNA-21在PH中起到中央監管職責,并通過骨形成蛋白(bone morphogenetic protein ，BMP)和Rho/Rho激酶通路參與PH的缺氧有關的細胞損傷與炎癥反應過程。同時Green等[10]發現,在PH中miRNA-21通過作用于靶基因PTEN參與缺氧損傷反應中過氧化物酶體增殖物激活受體(PPARγ)配體調節細胞增殖與凋亡的過程。

綜上所述,細胞損傷與凋亡是調節肺部損傷的核心環節，最終影響到患者生存率和其他相關肺損傷指標,miRNA-21的發現為解決該問題帶來了新的契機。

2.2 miRNA-21與心血管疾病的研究進展 國內外心血管疾病的發病率和病死率逐年上升，近幾年來研究miRNA對心血管疾病的研究也越來越深入。尤其在高血壓、心力衰竭、冠心病、房顫、心肌細胞氧化應激、心臟移植等方面作用突出,并在其中發揮著重要價值。在心力衰竭研究方面，Dong等[11]研究發現，在收縮性心力衰竭時對大鼠心肌細胞和心臟成纖維細胞中miRNA-21的表達進行比較，心肌成纖維細胞明顯高于心肌細胞。同時使用miRNA-21拮抗劑注射后，其心肌萎縮和心肌纖維化明顯改善。證明miRNA-21通過上調抗凋亡基因Bcl-2，抑制心肌成纖維細胞的凋亡，促進心肌纖維化。通過以上過程，miRNA-21參與了收縮性心力衰竭心肌細胞的損傷及纖維化修復過程。在心肌梗死的研究方面，研究發現miRNA-21通過作用于靶基因凋亡基因PTEN經FASL蛋白通路發揮作用，減少了心肌梗死面積，減慢心力衰竭進程，減輕細胞的損傷。該研究還在心臟移植相關研究中發現低體溫條件有利于大鼠的心臟細胞移植，同時在要進行移植的心肌細胞中通過轉染增加miRNA-21的表達，移植效果明顯提高。可見miRNA-21可減輕移植過程中的心肌細胞損傷。Zhang 等[12]發現miRNA-21通過調控Smad-7蛋白途徑，參與血管平滑肌細胞(VSMC)細胞外基質的表達，對高血壓產生的血管細胞損傷進行修復。

Adam等[13]研究發現，直接抑制miRNA-21的表達可預防心房肌的纖維化。其作用機制為miRNA-21通過作用于靶基因凋亡基因Bcl-2經細胞外信號調節激酶(extrellular signal regulated kinase，ERK)/ 絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)通路發揮作用。這體現了miRNA-21在房顫的纖維化細胞損傷修復與心肌重構方面的作用。

Olson等[14]研究表明，miRNA-21通過作用于靶基因PDCD4來減少缺血/再灌注的損傷，起到減少心肌細胞氧化應激損傷和凋亡的作用。同時唐艷等[15]發現，通過對α-腫瘤壞死因子(TNF-α)誘導的心肌細胞凋亡模型的研究，miRNA-21在其中發揮抗凋亡作用。并且研究發現，miRNA-21是通過作用于靶基因凋亡基因PTEN經絲氨酸蘇氨酸激酶(AKT)/FOXO3a通路來發揮作用的。

2.3 miRNA-21與腫瘤疾病研究進展

2.3.1 miRNA-21與腫瘤作用機制的研究進展 腫瘤的發病率和病死率均居高不下，近幾年來關于miRNA對腫瘤作用的研究也越來越深入。miRNA-21是較早在人類細胞中發現的miRNA之一，尤其是miRNA-21廣泛參與了細胞凋亡過程,并與腫瘤的發生、發展及預后關系密切。同時miRNA-21通過干預化療藥物，在化療藥物對腫瘤細胞的損傷方面發揮作用。

從首次在人腦膠質瘤中發現高表達miRNA-21可抑制腫瘤細胞凋亡以來，越來越多的證據表明miRNA-21與多種實體腫瘤的發病相關。在結直腸癌(CRC)中,miRNA-21通過作用于靶基因PTEN,在轉錄后水平調節細胞增殖和CRC的侵襲能力。在人結腸癌細胞(HCT116)細胞株中抑制miRNA-21的表達可以使癌細胞增殖、遷移和侵襲能力降低，并且可以抑制細胞周期進展使細胞凋亡增加[16]。同時Yu等[17]發現，在結直腸癌中miRNA-21使癌細胞對化療藥物的抗性大大降低。在CRC的HCT-ll6和HT-29細胞株中應用干擾質粒simiR-21可增加化療藥物5-氟尿嘧啶(5-F)、奧沙利鉑(fuox)、二氟姜黃素(CDF)的敏感性，其與這些化療藥起到協同作用，使化療藥物對癌細胞的損傷作用增強。同樣的，Deng等[18]也發現在CRC 的HT-29細胞株中應用miRNA-21可增加化療藥物5-F的敏感性。

在胃癌中，研究發現在胃癌細胞系(AGS)中miRNA-21使癌細胞侵襲和轉移能力增強,敲除miRNA-21基因，癌細胞的侵襲和轉移能力大大降低,并且通過miRNA-21抑制劑的使用降低miR-21，使癌細胞增殖減慢細胞凋亡明顯增加。許慶文等[19]發現，miRNA-21的靶基因為PDCD4，負向調節miRNA-21 可以使PDCD4表達上調，胃癌細胞的增殖受到抑制并且誘導凋亡。

在乳腺癌中，miRNA-21抑制Fas/FasL膜受體途徑，抑制癌細胞的凋亡，促進乳腺癌細胞的增殖[20-21]。同時在乳腺癌中,Zhu等[22]發現miRNA-21通過作用于靶基因原肌球蛋白1(Tropomyosin 1,TPM1)、PDCD4來調節癌細胞的浸潤與轉移。乳腺絲抑蛋白(Maspin)是一種腫瘤抑制基因，miRNA-21通過對靶基因Maspin的調節，來調節癌細胞的轉移。

在肝癌中,研究發現miRNA-21通過作用于靶基因PTEN 和 PDCD4來發揮作用。并且通過結合拮抗miRNA-21的研究，來驗證其抗凋亡促進癌細胞生長的作用。

綜上所述，在腫瘤相關疾病中,miRNA-21可作為一個抗凋亡和降低細胞損傷促生存因子發揮重要的生物學作用。miRNA-21通過作用于靶基因影響相關信號通路，對腫瘤細胞的增殖、侵襲、損傷及凋亡等方面發揮巨大的作用，為腫瘤的基因靶向治療提供新的理論依據。

2.3.2 miRNA-21與腫瘤的診斷預后的研究進展 miRNA-21與腫瘤的診斷也關系密切。miRNA-21在不同類型的實體腫瘤中表達明顯改變也得到越來越多的證實，miRNA-21或許可以成為一項新的腫瘤診斷手段。如2014年發表的一篇Meta分析納入的中外8篇文獻顯示,循環中的miRNA-21 對早期肺癌的診斷具有一定的參考價值。同時有研究也發現miRNA-21在早期宮頸癌的診斷中具有重要價值。

同時miRNA-21與腫瘤的預后也密切相關。2014年4項Meta分析中的大量實驗數據顯示：miRNA-21的表達檢測尤其是在癌組織中，能有效地預測胃癌、直腸癌及乳腺癌等多種癌癥的預后。miRNA-21的表達為一個獨立危險因素，認為miRNA-21為一種關鍵的預后標志物[21-24]。

2.4 miRNA-21與其他疾病的研究進展 越來越多的研究表明，miRNA-21還與其他疾病密切相關,為這些疾病的基因靶向治療提供可能。在慢性丙型肝炎肝纖維化的發生、發展過程中，Marquez等[25]研究發現，miRNA-21 通過作用于靶基因SMAD7經轉化生長因子β1(TGF-β1)通路來發揮促進細胞纖維化抑制細胞凋亡的作用。

在正常皮膚的損傷修復方面，Yang等[26]研究體內外發現，miRNA-21經TGF-β1通路來發揮促進皮膚角化細胞遷移和促進組織愈合的作用，以此來參與皮膚組織細胞的損傷修復過程。同時Madhyastha等[27]研究發現，糖尿病傷口愈合困難的一個原因是miRNA-21參與纖維母細胞遷移過程。

在腎臟疾病研究方面，Kantharidis等[28]在梗阻性腎病的小鼠模型中研究發現，miRNA-21經TGF-15/Smad3通路來發揮促進腎臟纖維化過程。同時Wang等[29]研究發現，IgA腎病尿液中高表達miRNA-21，并且miRNA-21經轉化生長因子-131(TGF-131)/Smad3信號通路來發揮促進IgA腎病的纖維化過程發揮對腎臟細胞的損傷作用。

在免疫系統研究方面，miRNA-21參與多種自身免疫性疾病發生、發展過程,如1型糖尿病、多發性硬化、系統性紅斑狼瘡、系統性硬化和牛皮癬。盡管miRNA-21在自身免疫性疾病的確切機制尚未完全闡明,但miRNA-21在自身免疫性疾病治療策略方面前景廣闊[30]。

3 展 望

本文所提到的研究結果顯示：miRNA-2與肺臟、心血管、腫瘤、肝臟、腎臟、免疫系統等相關疾病的發生、診斷、治療及預后的關系密切。但由于miRNA-21廣泛存于機體的各種組織與器官中，并且作用的靶基因眾多，許多疾病與miRNA-21的關系還不明確。 在臨床上miRNA-21 與腫瘤的早發現、早診斷、早治療及預后密切相關，在腫瘤發展的各個階段都發揮了重要作用。miRNA-21有望成為腫瘤早期標志物的檢測指標和預后指標，為這些腫瘤的診斷和預后提供可靠的科學指導。但細胞損傷和凋亡的調控異常復雜，針對單一因素的調控勢必很難取得理想效果。將miRNA-21基因靶點治療、表觀遺傳修飾及細胞治療有機整合,miRNA-21的發現為解決該問題帶來了新的契機。

[1]劉國躍,陳淼,戢慧,等.微小 RNA-21-5p 對大鼠高氧性急性肺損傷的影響[J].中國中西醫結合急救雜志,2015,22(1):23-27.

[2]覃松,陳淼,戢慧,等.微小 RNA-21-5p 拮抗 Ⅱ 型肺泡上皮細胞凋亡的分子機制[J].中華危重病急救醫學,2015(7):574-578.

[3]戢慧,陳淼,錢明江,等.Ⅱ型肺泡上皮細胞凋亡相關微小RNA的篩選[J].中華危重病急救醫學,2013,9(25):546-549.

[4]Cheng Y,Zhu P,Yang J,et al.Ischaemic preconditioning-regulated miR-21 protects heart against ischaemia/reperfusion injury via anti-apoptosis through its target PDCD4[J].Cardiovasc Res,2010,87(3):431-439.

[5]Qi W,Li H,Cai X H,et al.Lipoxin A4 activates alveolar epithelial sodium channel gamma via the microRNA-21/PTEN/AKT pathway in lipopolysaccharide-induced inflammatory lung injury[J].Lab Invest,2015,95(11):1258-1268.

[6]Galani V,Tatsaki E,Bai M,et al.The role of apoptosis in the pathophysiology of Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS): an up-to-date cell-specific review[J].Pathol Res Pract,2010,206(3):145-150.

[7]Wang K,Li PF.Foxo3a regulates apoptosis by negatively targeting miR-21[J].J Biol Chem,2010,285(22):16958-16966.

[8]Fares WH,Pandit KV,Kaminski N.Novel mechanisms of disease:network biology and MicroRNA signaling in pulmonary hypertension[M] .New York :Springer International Publishing,2016.

[9]Parikh VN,Jin RC,Rabello S,et al.MicroRNA-21 integrates pathogenic signaling to control pulmonary hypertension results of a network bioinformatics approach[J].Circulation,2012,125(12):1520-1532.

[10]Green DE,Murphy TC,Kang BY,et al.PPARγ ligands attenuate hypoxia-induced proliferation in human pulmonary artery smooth muscle cells through modulation of MicroRNA-21[J].PLoS One,2015,10(7):e0133391.

[11]Dong S,Ma W,Hao B,et al.microRNA-21 promotes cardiac fibrosis and development of heart failure with preserved left ventricular ejection fraction by up-regulating Bcl-2[J].Int J Clin Exp Pathol,2014,7(2):565-574.

[12]Zhang XY,Shen BR,Zhang YC,et al.Induction of thoracic aortic remodeling by endothelial-specific deletion of microRNA-21 in mice[J].PLoS One,2013,8(3):e59002.

[13]Adam O,L?hfelm B,Thum T,et al.Role of miR-21 in the pathogenesis of atrial fibrosis[J].Basic Res Cardiol,2012,107(5):278.

[14]Olson JM,Yan Y,Bai X,et al.Up-regulation of microRNA-21 mediates isoflurane-induced protection of cardiomyocytes[J].Anesthesiology,2015,122(4):795-805.

[15]唐艷，王夢洪.微小RNA-21對乳鼠心肌細胞凋亡及磷酸脂酶-張力蛋白同源物/絲氨酸/蘇氨酸激酶/叉頭蛋白3a信號傳導通路的影響[J].中華心血管病雜志,2013,41(2):135-142.

[16]Xiong B,Cheng Y,Ma L,et al.MiR-21 regulates biological behavior through the PTEN/PI-3K/Akt signaling pathway in human colorectal cancer cells[J].Int J Oncol,2013,42(1):219-228.

[17]Yu Y,Sarkar FH,Majumdar AP.Down-regulation of miR-21 induces differentiation of chemoresistant colon cancer cells and enhances susceptibility to therapeutic regimens[J].Transl Oncol,2013,6(2):180-186.

[18]Deng J,Lei W,Fu JC,et al.Targeting miR-21 enhances the sensitivity of human colon cancer HT-29 cells to chemoradiotherapy in vitro[J].Biochem Biophys Res Commun,2014,443(3):789-795.

[19]許慶文,周才進,魯玨,等.MicroRNA-21 靶向 PDCD4 對胃癌細胞增殖及凋亡的影響[J].實用腫瘤雜志,2013,28(6):592-596.

[20]Wu MF,Yang J,Xiang T,et al.miR-21 targets Fas ligand-mediated apoptosis in breast cancer cell line MCF-7[J].J Huazhong Univ Sci Technolog Med Sci,2014,34(2):190-194.

[21]Wang W,Li J,Zhu W,et al.MicroRNA-21 and the clinical outcomes of various carcinomas:a systematic review and meta-analysis[J].BMC cancer,2014,14(1):819.

[22]Zhu W,Xu B.MicroRNA-21 identified as predictor of cancer outcome:a meta-analysis[J].2014,9(8):103373.

[23]Pan F,Mao H,Deng L,et al.Prognostic and clinicopathological significance of microRNA-21 overexpression in breast cancer: a meta-analysis[J].Int J Clin Exp Pathol,2014,7(9):5622-5633.

[24]Wang Z,Cai Q,Jiang Z,et al.Prognostic role of microRNA-21 in gastric cancer: a meta-analysis[J].Med Sci Monit,2014(20):1668-1674.

[25]Marquez RT,Bandyopadhyay S,Wendlandt EB,et al.Correlation between microRNA expression levels and clinical parameters associated with chronic hepatitis C viral infection in humans[J].Lab Invest,2010,90(12):1727-1736.

[26]Yang X,Wang J,Guo SL,et al.miR-21 promotes keratinocyte migration and re-epithelialization during wound healing[J].Int J Biol Sci,2011,7(5):685-690.

[27]Madhyastha R,Madhyastha H,Nakajima Y,et al.MicroRNA signature in diabetic wound healing: promotive role of miR-21 in fibroblast migration[J].Int Wound J,2012,9(4):355-361.

[28]Kantharidis P,Wang B,Carew RM,et al.Diabetes complications:the microRNA perspective[J].Diabetes,2011,60(7):1832-1837.

[29]Wang G,Kwan BC,Lai FM,et al.Urinary miR-21,miR-29,and miR-93:novel biomarkers of fibrosis[J].Am J Nephrol,2012,36(5):412-418.

[30]Xu WD,Pan HF,Li JH,et al.MicroRNA-21 with therapeutic potential in autoimmune diseases[J].Expert Opin Ther Targets,2013,17(6):659-665.

? 述·

10.3969/j.issn.1671-8348.2017.01.032

國家自然科學基金資助項目(8156010205)。

張鑫(1989-)，住院醫師，碩士，主要從事肺保護方面研究。△

R459.9

A

1671-8348(2017)01-0120-04

2016-07-18

2016-09-22)