microRNA作为靶点在药物设计中的应用

microRNA作为靶点在药物设计中的应用

摘要：微小RNA（microRNA）是一类长约22 bp 的非编码单链RNA，由前体经酶作用而得，它是细胞的内源性物质，普遍存在于动植物中，高度保守，在生命体的生长、发育、疾病发生发展的过程中起到了基因调控作用，它与重大疾病，如肿瘤、心脏疾病、神经性疾病等都有着密切的关联，因此成为新药开发的一个重要新靶点，以它为靶点的药物设计和药物研发工作也在不断探索中。本文就其作用机制、生物功能、与疾病的关系以及以microRNA 为靶点的药物设计的研究情况进行了综述。

关键词：microRNA；靶点；药物设计

1993 年Lee 等[1]在对秀丽隐杆线虫（Caenorhabditiselegans）进行遗传分析时发现了第一个microRNA——lin-14，它的长度为22bp，它是一个非编码的单链RNA，可以控制细胞的发育，通过反义的RNA-RNA 反应在转录后水平下调lin-14 蛋白的表达。2000 年reinhart 等[2]发现了第二个microRNA——let-7，它在线虫的发育过程中可以下调lin-28 和lin-41 的表达。2001年Lee 等[3]通过cDNA 克隆和对生物资料的分析，在秀丽隐杆线虫中又发现了15 种新的microRNA，其中有3种在哺乳动物以及昆虫中有明显的同系物。同年Lau 等[4]也报道了55 种之前在线虫中不知道的microRNA，其中一些在果蝇和人类的基因组中也有发现。Lagos-Quintana等[5]在2001 年报道microRNAs 存在于脊椎和无脊椎动物中。microRNAs 广泛存在，高度保守及其表达方式，都说明它在动物中具有广泛的调节功能。因此在随后的研究中，许多的实验室相继发现了更多的microRNAs，这使得其家族迅速扩增，到2003 年就已经有200 多个成员了[6～10]。到2010 年，在人体内确认存在的microRNAs 有800 多个。

有研究表明microRNA可能与疾病发生有密切的关系，在不同类型疾病的发生过程中，microRNA的水平及其调节作用是不同的。鉴于microRNA的重要性，本文归纳了近年来在该领域研究中的关键问题，总结了microRNA的作用机制及其作为小分子药物作用靶点研究的主要进展，其在疾病发生发展过程中的重要性及潜在应用前景，以此为线索，对设计合成新一类基因治疗药物的研究前景进行了展望。

1 microRNA的作用机制及其生物学功能

microRNA是一个长度为18～26个核苷酸的小分子单链非编码RNA，是生物体内源基因转录形成分子内或分子间双链结构后，经RNAseⅢ酶、DGCr/Pasha以及Dicer酶作用产生。大多数microRNA由位于基因间隔区的核苷酸序列编码，转录方向与相邻的基因往往相反。另一类位于基因内含子中的microRNA，随着基因mRNA转录而包含在mRNA的前体中，转录方向与对应的基因一致，此类microRNA的表达具有组织特异性[11]。

microRNA广泛存在于生物中，它是一个重要的基因调节子。microRNA的功能遍布生命体的发生、生长、发育、分化、信号转导、疾病和死亡的各个阶段。多种microRNAs在细胞内的表达，使得细胞处在一个受内源性microRNA调节的环境中，维持着细胞内mRNA的水平，从而使各种蛋白质的水平处于一个正常范围。因此microRNA与许多疾病有着密切的关系。但是，由于每个microRNA具有调节数百甚至数千mRNA的能力，导致microRNA作用缺乏基因特异性，这在一定程度上阻碍了其作为基因诊断和治疗靶点的应用。

有趣的是，在心脏、脑、肝脏等不同的组织中，都有特异性microRNA占主导地位，提示其在组织分化过程中发挥重要作用[6]。目前已有证据提示在包括癌症在内的一系列人类疾病中microRNA可能是新的治疗靶点。

2 microRNA与疾病的关系

2．1 microRNA与肿瘤

microRNA与多种肿瘤的形成、癌症发生都有着密切的关系。Calin等[12]发现在慢性淋巴细胞白血病中mir15和mir16双双下调。Lu等[13]报道从microRNAs的表达谱可以区分出低分化的肿瘤，这一现象也说明microRNAs与肿瘤的分化有关联。另外研究也证明microRNA与癌症（如乳腺癌）的转移也有关联，在乳腺癌的恶化进程中起到促进或抑制作用。He 等[14]指出microRNA可以调节肿瘤的形成，而且暗示mir17-92簇是一个潜在的人类致癌基因。另外Satzger等[15]提出mir-15b与恶性黑色素瘤的增殖和凋亡都是相关的。Nakano等[16]通过功能筛选得到了microRNA491，它在结肠直肠瘤细胞中以bcl-X(L)为靶点诱导细胞的凋亡。这些实验结果都很好证实了microRNA与肿瘤有着密切的关系，它可以作为一个检测和治疗肿瘤的靶点。

由于最近提出的原癌microRNA组学(Oncomirs)[17]这一崭新概念，将调节microRNA的小分子物质应用于肿瘤细胞的研究具有很大潜力，这一理论假设具有一定的事实基础，因为microRNA可调节很多与真核生物生存和增殖密切相关的基因，且microRNA是完全天然的内源性反义调节因子。另外，Meng等[18]首次报道了应用化疗药物作用于人类癌细胞可影响microRNA的表达，该研究发现给予gemcitabine(2，2-二氟脱氧胞嘧啶核苷)可改变microRNA 的表达，体外调节某些microRNA(例如上调miR-21)还可增加胆管癌细胞对该化疗药物的敏感性。以上结论为microRNA作为肿瘤治疗靶点提供了实验基础。最近还有研究表明microRNA 具有肿瘤抑制因子和原癌基因的功能。与应用可编码蛋白质的基因作为癌症分型方法相比，应用microRNA更加精确，不同肿瘤细胞表达的某一特定microRNA，其不同的表现形式可能成为诊断和治疗肿瘤的有利工具。基于microRNA的基因治疗可能成为抑制肿瘤恶化的有效途径。例如le-t7，在肺癌[19]及结肠癌[20]细胞中其表达量降低，研究表明其可下调Ras和c-Myc蛋白表达，因此可转染le-t7从而抑制上述两种肿瘤细胞的生长；但在胆管癌细胞中，Meng等[21]通过转染技术使白细胞介素-6(IL-6)过表达，则le-t7a表达水平也相应升高，已知IL-6可促进肿瘤细胞生长并抵抗化疗药物作用，该研究组发现le-t7a的靶基因是neurofibromatosis 2，而该基因的表达产物可调节信号传导与转录活化因子-3( signal transducers and activators of transcription，Sta-t3)的磷酸化过程，即IL-6表达水平持续增高并维持肿瘤细胞生长的过程中，le-t7a抑制抑癌基因neurofibromatosis 2的表达，导致Sta-t3磷酸化作用增强并启动肿瘤细胞生存通路，因此，在这类肿瘤细胞中应抑制le-t7a的表达。而miR-15和miR-16对BCL-2具有负性调节作用并诱导白血病细胞凋亡[22]，它们都可能成为肿瘤治疗的候选分子。

2.2 microRNA与心脏疾病

2002年，Lagos-Quintana等[6]克隆了成年小鼠不同组织的microRNA，其中miR-1和miR-133在心肌组织表达量最为丰富，且具有一定组织特异性，说明两者在原始细胞向心肌细胞发育的过程中发挥重要作用。Chen等[23]验证了miR-1和miR-133在心肌和骨骼肌的表达，并研究了两者在肌细胞增殖和分化过程中发挥的功能。miR-1和miR-133在小鼠2号染色体和18号染色体均成簇表达，且同时转录。研究人员检测了胚胎鼠、新生鼠和成年鼠骨骼肌miR-1和miR-133的表达，发现伴随发育进程，两者的表达量逐渐增多。进一步研究发现两者发挥的功能却截然不同，miR-1促进肌原细胞分化，而miR-133可刺激肌原细胞增殖，说明两者在骨骼肌和心肌表达的时向性和数量，对于骨骼肌和心肌的不同时期发育过程具有重要作用。近年来，对不同病理条件下心肌microRNA的研究逐渐增多。Zhao等[24]应用基因敲除技术研究miR-1-2在小鼠心脏发育过程中的作用，发现敲除miR-1-2基因的小鼠死于先天性室间隔缺损的几率大大增加，可能与调节心脏发育的转录因子Hand2过表达有关；另一些存活的小鼠则由于出生后心肌细胞持续分裂而导致心肌肥大并伴有心律失常，miR-1-2的靶基因Irx5表达异常增高，而Irx5可抑制Kcnd2基因，使K+通道亚单位Kv 412表达减少，心肌细胞复极异常。