microRNA與紅系造血調控的研究進展

韓娜慧 李文倩 馮建明▲

1.青海大學醫學院，青海西寧810001；2.青海省人民醫院，青海西寧810007

microRNA與紅系造血調控的研究進展

韓娜慧1李文倩2馮建明2▲

1.青海大學醫學院，青海西寧810001；2.青海省人民醫院，青海西寧810007

微小RNA（microRNA）是一種序列上高度保守的小分子非編碼RNA，在轉錄后水平發揮基因調控作用，已被認為是多細胞生物基因表達的重要調控方式。紅細胞的發育成熟是多個基因有序開啟（或表達增強）和關閉（或表達降低）的結果，伴隨生物信息學的發展和靶基因的確定，近年來發現諸多microRNA在紅系細胞中表達，對紅系造血發揮重要調控作用，其調控作用與紅系分化轉錄因子有關。

microRNA；紅系造血；紅系轉錄因子

1993年Lee等［1］在研究秀麗隱桿線蟲發育缺陷時首次發現第一個microRNA，2001年Leed、Lagos-Quintana M、Lau NC等所在的三個實驗室同時在Science報道了這類小RNA的存在，被正式命名為microRNAs。隨著研究的深入，越來越多的microRNA被發現，microRNA數據庫最新版收錄了來自約40篇新文獻報道的microRNA前體序列和成熟microRNAs，其中人成熟的microRNA有2578條，小鼠1908條。本文就microRNA分子特性、microRNA與紅細胞分化調控的關系做一綜述。

1 microRNA的生物學特性

microRNA是一種小分子非編碼RNA，雙鏈結構，長度為20～25 bp，廣泛存在于低等生物到哺乳動物體內。其生物特性有：①microRNA基因高度保守，它們不僅在親緣關系相近的物種中高度保守，而且在許多親緣關系較遠的物種中也很相近。在秀麗隱桿線蟲中鑒定出的88種microRNA基因（這些microRNA基因從屬于48個microRNA基因家族）有86個microRNA（占97%以上）在廣桿屬線蟲中有同源體，同樣在這48個基因家族中又有22個家族在人類中有同源體，即在已鑒定的秀麗隱桿線蟲的microRNA基因中，至少有1/3在人類和其他脊椎動物中保守［2］。②microRNA具有在時間上和組織中特異表達的性質，如1in-4和let-7在線蟲發育過程中呈時間特異性表達［3］。在小鼠干細胞中特異表達miR-290～miR-295［4］及在人干細胞中特異表達的miR-371～miR-373［5］。

2 microRNA的作用機制

成熟的microRNA與RNA誘導沉默復合物（RNA-induced silencing complex，RISC）結合形成miRISC復合物，該miRISC復合物與mRNA的3'端非翻譯區（3'UTR）特異結合，其可通過兩種轉錄后機制調節基因表達：當成熟microRNA與靶mRNA完全互補時，則直接導致靶基因mRNA降解，當成熟microRNA與靶mRNA不完全互補時，則抑制靶基因mRNA翻譯［6］。

3 microRNA的功能

microRNA對生物體基因的表達起著非常重要的調控作用。microRNA在基因數量上相對較少，但是據估計在人體內，microRNA參與調控約1/3的基因［7］。這是因為單個microRNA可以參與調控數百個基因，相反地，mRNA的3'端非翻譯區（3'UTR）可以協同結合多種microRNA。microRNA與mRNA是一個復雜的調控網絡，控制著成千上萬的編碼基因的mRNA水平，使得各種蛋白的表達處在一個適合的水平。通過對線蟲、果蠅等生物模式的研究發現，microRNA在動物的生長發育、細胞的增殖與死亡、干細胞分化和激素分泌等許多生命過程中扮演著重要的角色［8］。近年來在對人體造血細胞的分化、腫瘤的發生發展及缺血缺氧性疾病的研究中發現諸多microRNA表達，其對許多生理和病理過程發揮重要的調控作用。

4 microRNA與紅系造血

4.1 microRNA在紅系細胞中存在特異性表達

第一個驗證紅系增生有關的microRNA改變是由Lu等［9］完成的。他們用磁珠微陣列技術追蹤紅細胞分化培養體系培養的臍帶血CD34+造血干細胞microRNA的表達，發現紅系分化的增加伴隨著microRNA水平的增加。之后Choong等［10］以體外培養的造血干細胞分化誘導而來或紅白血病細胞株（K562細胞）為模型，發現37個microRNA在CD34+細胞尚未分化的細胞（零時點）和紅系成熟的許多時間點都有大于2倍的差異表達。這些數據與Lu等［9］的研究結果大部分都保持一致。這說明造血干/祖細胞向紅系的分化與microRNA表達有關。Choong等［10］發現在臍帶血來源的CD34+細胞相關分析顯示miR-15b、miR-16、miR-22和miR-185與帶有紅系特異性表面抗原（CD71、CD36、CD235a）標記細胞有很強的正相關，而miR-28與帶有這些標記的細胞呈負相關。與CD34+分化的紅系細胞相比較，在K562細胞呈模型中有127個差異表達的microRNA。這說明microRNA在K562細胞株與體外CD34+分化的紅系細胞之間有著不一樣的表達，這可能是由于兩種紅系分化模型的不同所造成的。

Rathjen等［11］對瘧疾寄生蟲惡性瘧原蟲的microRNA表達研究時發現miR-451在紅細胞表達明顯增高。此后的許多研究證實miR-451在紅系的分化早期開始表達，并在之后成熟過程中持續高水平表達：未處理的MEL細胞類似于原始紅細胞（來源于轉染了病毒的小鼠的脾臟，處于原始紅細胞階段），二甲亞砜處理的細胞被認為類似于晚幼紅細胞，Zhan等［12］使用微陣列比較分析microRNA在二者中的表達，并用定量實時聚合酶鏈反應驗證，發現miR-451上調大于7倍，在所發現的上調的microRNA中最為顯著。Merkerova等［13］研究表明，與血液中其他細胞群（如血小板、粒細胞、單核細胞和淋巴細胞）相比，miR-451在紅細胞和網織紅細胞表達升高。這提示miR-451是紅系特異表達的microRNA。另外還有microRNA在紅細胞的分化過程中上調，如miR-486在人臍帶血CD34+細胞體外培養體系中隨著造血干細胞向紅系分化，其表達水平隨之增高［14］。miR-210在UT-7/ EPO（促紅細胞生成素依賴型細胞系）中表達升高［15］。另有一些microRNA在紅系細胞發育成熟過程中表現為表達下降，如miR-221和miR-222［16］；miR-298、miR-320在二甲基亞砜處理的MEL細胞（來源于轉染了病毒的小鼠脾臟，處于晚幼紅細胞階段）中下調［12］。因此，microRNA在紅系造血及發育成過程中有升高或下降的特異性表達，說明紅細胞的成熟與microRNA表達變化有關。

4.2 microRNA參與紅系分化的調控

紅系細胞中存在microRNA的特異性表達的同時，還發現這些microRNA的不同表達影響紅系的發育分化，對紅系分化增殖具有調控作用。miR-221和miR-222在培養的人臍血CD34+祖細胞中表達下降可促進造血干/祖細胞向紅系分化，生物信息學分析表明，這兩個microRNA的靶基因KIT基因（編碼一種細胞表面受體酪氨酸激酶）及其mRNA水平均與miR-221和miR-222水平負相關，在CD34+細胞中過表達miR-221/222，能夠抑制KIT基因的表達，促進紅系分化［16］。miR223在進行紅系誘導定向分化的CD34+細胞中表達明顯減少，且發現miR-223與CD34+紅系生成模型中LMO2（LIM domain Only protein 2，一種轉錄輔助因子）蛋白的表達成負性關系，轉染了miR-223或直接誘導沉默LMO2的CD34+細胞引起了不成熟紅細胞的增加［17］。miR-451在MEL細胞轉染能使β-珠蛋白的表達升高，而沉默miR-451則導致β-珠蛋白表達減低［12］。miR-210在UT-7/EPO（促紅細胞生成素依賴型細胞系）中表達升高，在UT-7/EPO細胞中該基因沉默導致細胞凋亡［15］。miR-155基因轉導至正常人外周血CD34+造血干細胞中，引起紅系造血集落克隆數目明顯少于骨髓，所形成集落小于骨髓［18］。人的集落形成樣紅細胞體外培養實驗發現miR-155在培養早期以未分化細胞居多時高表達，隨著向成熟紅細胞分化表達明顯下降［19］。綜上所述，miR-221、miR-222、miR-223、miR-155的表達使紅系發育受阻，它們表達下降促進紅系發育，而miR-451、miR-210表達升高則有助于紅系的發育。這些研究提示microRNA參與紅細胞生成調控，是調控紅系分化的重要因素。

5 microRNA與紅系轉錄因子的調控關系

microRNA參與紅系分化的調控與某些轉錄因子密切相關，紅系特異核蛋白轉錄因子GATA-1（β珠蛋白基因增強子中的序列結構）是在紅系分化和成熟過程中起關鍵作用的中心轉錄因子，它可以與FOG（friend of GATA）、紅系特異活化轉錄因子（erythroid Krüppel-like factor，EKLF）等其他紅系轉錄因子相互作用，發揮轉錄活化功能，共同調節紅系的分化［20］。2008年，Dore等［21］報道了在小鼠miR-144/451基因上游-2.8 kb處發現了GATA-1、FOG-1與RNA聚合酶Ⅱ結合，并證實GATA-1可激活RNA聚合酶Ⅱ，協同轉錄小鼠miR-144/451基因，從而促進紅系前體細胞向紅系分化。2011年朱勇等［22］首次證明在人miR-144/451基因簇上游-3.8 kb位點存在GATA-1和EKLF的結合，協同激活miR-144/451基因的轉錄。這表明microRNA作用于靶基因，靶基因編碼的轉錄因子對microRNA基因自身的轉錄發揮調控作用。最近研究表明氯化高鐵血紅素誘導K562細胞向紅系分化過程中miR-96表達顯著升高，雙熒光報告基因實驗證明EKLF對miR-96轉錄起始點上游序列具有轉錄激活作用［23］。另外，Yang等［24］發現K562細胞miR-103的異常表達被發現阻止了紅系分化，而該microRNA的靶基因就有FOXJ2。因此，microRNA參與紅系分化的調控與紅系特異轉錄因子密切相關。

6 展望

microRNA的發現使我們重新思考生物體遺傳及其發育調控的奧秘。目前的研究已經證實microRNA參與紅系造血過程，與紅系轉錄因子的相互作用構成一個復雜的調控網絡，是紅系造血的一個重要調控因素。高原紅細胞增多癥（high-altitude polycythemia，HAPC）是人體對高原低氧環境（海拔2500 m以上）失去習服而引起的臨床綜合征，主要表現紅細胞數量和血紅蛋白增加（女性Hb≥190 g/L，男性Hb≥210 g/L），該病是低氧這一環境因素對機體紅系造血調控的疾病體現，屬于表觀遺傳學范疇的microRNA可能在HAPC發病機制中發揮作用。近年來研究表明低氧時轉錄因子HIF表達增多導致一系列靶基因轉錄，從而參與機體細胞增殖、血管生成等病理生理過程［25］。有研究表明miR-210在依賴低氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）途徑的低氧反應中所誘導［26］?！暗脱?HIF-microRNA-紅系特異基因表達”可能組成一個調控軸，在低氧誘導紅系造血過程中發揮著重要作用。然而，目前關于低氧通過microRNA調控紅系造血的研究非常有限。Chen等［27］通過動態檢測4名高山登山者外周血的轉錄組和microRNA表達譜發現，紅系造血是低氧對高海拔機體最顯著的上調過程之一。但具體的調控機制尚不明確。因此，研究“低氧-HIF-microRNA-紅系特異基因表達”調控軸，對于闡明低氧環境下紅系造血的調控機制有重要意義。此外，世居高原的藏族人HAPC發病率明顯低于移居者，他們對高原低氧環境具有適應性，并且這種適應性是可遺傳的。HIF通路與高原低氧適應有關，HIF相關基因EGLN1［編碼脯氨酰羥化酶2（prolyl hydroxylase 2，PHD2）］和EPAS1（編碼HIF2a蛋白）是普遍證實的藏族人群高原適應相關基因［28］。研究表明大約有6%的人類microRNAs表現出HIF位點，在17個物種中都有著顯著的保守性［29］。因此屬于表觀遺傳學的microRNA是否在高原低氧環境適應的發生機制中有著重要作用也是值得關注。

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Research progress of the microRNA and regulating erythropoiesis

HAN Nahui1LI Wenqian2FENG Jianming2▲
1.Medical College of Qinghai University,Qinghai Province,Xining810001,China;2.Department of Hematology, Qinghai Provincial People's Hospital,Qinghai Province,Xining810007,China

microRNA is a small molecule non-coding RNA which sequence highly conserved,it plays a role in posttranscriptional gene regulation level,and has been considered as an important way of regulating gene expression in multicellular organisms.The development and maturity of red blood cells are because of switching many genes on or off,or increase or decrease genes expression.With the development of bioinformatics and the determination of target genes,in recent years it finds that a variety of microRNAs express in erythroid cells,which plays an important role in the regulation of erythropoiesis,and its regulatory role is related with erythroid differentiation related transcription factor.

microRNA;Erythropoiesis;Erythroid transcription factor

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2014-11-26本文編輯：張瑜杰）

韓娜慧（1988-），女，碩士研究生；研究方向：高原血液病。

▲通訊作者