微小RNA在胎儿生长受限中的研究进展

徐志炫 张国英

胎儿生长受限(fetal growth restriction,FGR)是一种常见的妊娠并发症,在世界范围内是死产、新生儿死亡以及短期和长期新生儿疾病(脑室内出血、支气管肺发育不良、坏死性小肠结肠炎、感染、肺出血、体温过低和低血糖)的主要原因[1]。胎儿的生长发育受母体情况(疾病、营养、身高、吸烟、药物)、胎盘功能、宫内感染及遗传(非整倍体、微缺失微重复综合征等)多因素的影响。近年来,越来越多的微小RNA(microRNA,miRNA)被发现与滋养细胞功能障碍导致的胎盘发育不良有关。而排除基因或遗传因素后,胎盘相关疾病也是FGR最常见的病因学因素。本文对miRNA进行简要介绍,并就miRNA在胎盘相关性胎儿生长受限中的最新研究进展行综述,分析miRNA在胎儿生长受限中的潜在作用机制,以期对疾病的预防和治疗提供理论依据。

一、miRNA概述

MicroRNA(miRNA)是一种小的非编码RNA,长19～25个核苷酸,已成为参与不同生物和病理过程的主要遗传通路的主要调控因子[2]。大多数成熟的miRNA序列位于非编码RNA的内含子或外显子以及前mRNA的内含子内。大多数miRNA基因被Pol II转录为初级miRNA(pri-miRNA),pri-miRNA被Drosha切割、剪接体机制或去支酶加工转变成前体miRNA(pre-miRNA)。Pre-miRNA通过Exportin 5输出到细胞质中,在细胞质中,pre-miRNA被Dicer切割成小的双链RNA(dsRNA)。然后,RISC复合物介导其对靶向mRNA的识别,并导致mRNA不稳定或翻译抑制[3]。miRNA正是通过抑制蛋白质翻译和促进mRNA切割来抑制基因表达的。

对miRNA的调控包括生物发生过程中的PTM调节,转录共转录与转录后调控[4]。转录后调控途径可能影响单个pri-miRNA或pre-miRNA的稳定性或加工。例如,在秀丽隐杆线虫中,通过成熟的let-7 miRNA靶向let-7 pri-miRNA可以增强正反馈回路中的加工[5]。pri-miR-151中的腺苷到肌苷编辑可以抑制pri-miRNA加工并刺激其降解[6]。此外,多种调节机制影响微处理器和Dicer的积累和活性。最近的研究表明,调控因素不仅协调单个miRNA加工步骤,而且还将miRNA生物发生与其他细胞过程联系起来[4]。例如,蛋白质磷酸化将miRNA生物发生与各种信号通路联系起来,这种修饰通常与疾病有关。

MicroRNA已被证明可以在细胞间通讯中发挥作用[7-8]。在细胞外迁移并进入体液的MicroRNA被称为循环miRNA。研究表明[9],大约90%的循环miRNA与蛋白质形成复合物,包括Ago2,NPM 1(核磷素1)和高密度脂蛋白;另外10%的循环miRNA可以通过外泌体,微囊泡,凋亡体,脂蛋白和核糖核蛋白从供体细胞进入受体细胞,并远离其起源影响mRNA靶标;基于外泌体含量对起源细胞的特异性,因此,可以使用循环miRNA进行无创诊断和预后。

miRNAs基因也可作为表观遗传修饰的靶标,如DNA甲基化,以及表观遗传修饰剂如DNA甲基转移酶(DNA methyl-transferase,DNMT)和组蛋白脱乙酰酶的调节剂。通过DNA甲基化对miRNA表达的调节,一组特定的miRNA可以直接或间接靶向几种表观遗传调节因子[如DNMT和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)]的表达。

研究发现[7],miRNA在心血管疾病(心脏肥大)、代谢性疾病(胆固醇、葡萄糖代谢)、糖尿病、恶性肿瘤以及病毒发病中有着重要作用。MiRNA可以用作治疗剂(miRNA模拟物)或作为治疗药物(抗miRs)的靶标,用于使用基于miRNA的疗法治疗疾病。研究表明,用合成寡核苷酸阻断miR-122会改变脂质代谢并降低胆固醇水平[10]。

二、miRNA与FGR的关系

FGR定义为由于病理过程而未能实现其生长潜能的超声估计体重低于胎龄第10百分位数的胎儿[11]。虽然FGR的危险因素很多,但胎盘相关疾病是最常见的病因学因素。有研究报告,胎盘和肿瘤发展之间存在许多相似之处[12]。在胎盘发育的早期阶段,滋养层细胞的动态周转受到复杂的分子途径的严格调控,以确保胎盘的正常发育和功能。滋养层增殖和分化之间的失衡可导致严重的胎盘病理和妊娠并发症。因此,揭示滋养层周转和功能的分子机制具有重要意义。

在多项研究中,发现了miRNA与FGR之间的相关性。Awamleh等[13]分析了两种常见妊娠并发症的胎盘组织,包括先兆子痫和FGR,他们在FGR样品中发现了25个上调和12个下调的miRNA,在这37个有表达差异的miRNA中,4个属于C19MC(520a-3p,520f-5p,515-5p,519-5p),6个属于C14MC(299-3p,494-3p,376a-5p,382-3p,154-3p,369-3p),这是已知对胎盘特异性的两个miRNA簇。Hannan等[14]在澳大利亚和新西兰队列中,确定了五种在早产FGR的妊娠中高度差异表达的mRNA:NR4A2,EMP1,PGM5,SKIL和UGT2B1;其中,EMP1mRNA似乎与胎盘功能不全具有最一致的相关性。

FGR目前没有有效的治疗方式,故确诊FGR后,主要是进行胎儿监测和确定适当的分娩时机。其中,监测胎儿是否缺氧至关重要。miRNA在细胞对缺氧的反应中起着重要的作用。研究发现[15],MiR-100-5p和miR-199a-5p在34周后分娩的FGR妊娠中显示水平下降。有研究表明[16],在FGR妊娠中,大脑中动脉血流速度波形与miR-143-3p基因表达呈弱正相关。在胎盘组织中也报告了类似的发现,其中miR-143-3p的下调与早期FGR有关,需要在34周前终止[16]。

源自胎盘的microRNA在妊娠期间在母体血液中循环,可用作妊娠并发症的非侵入性生物标志物[7]。Tagliaferri等[17]发现miR-16-5p、miR-103-3p和miR-27b-3p在妊娠32周前在 FGR 中上调,而miR-103-3p和miR-107-3p在妊娠32周和37周之间在FGR中下调。

三、与FGR相关的miRNA

1.MicroRNA-210:MicroRNA-210是近年来研究最多的miRNA之一,主要被描述为缺氧条件下诱导的主要miRNA,其参与调节线粒体代谢、细胞增殖、DNA损伤反应和血管生成[18]。

大多数胎盘发育发生在妊娠的前三个月,这是胎盘中低氧张力的时期。滋养层重塑子宫螺旋动脉后胎盘氧浓度逐渐升高[19]。在缺氧条件下,miR-210被转录因子HIF-1α上调[20]。据报道[21],在螺旋动脉重塑不足的妊娠疾病(如子痫前期和FGR)中,胎盘中HIF-1α和miR-210的表达异常升高。研究表明[22],miR-210通过靶向各种基因来调节滋养层细胞功能,例如肾上腺素A3(EFNA3)和同源盒A9影响血管生成和血管重塑,钾通道调节因子1,含有7A的血小板反应素1型结构域,蛋白酪氨酸磷酸酶非受体2型,成纤维细胞生长因子1调节细胞侵袭和迁移,铁硫簇组装酶与线粒体呼吸相关,以及羟基类固醇17-β脱氢酶1(HSD17B1)影响胎盘类固醇合成。所有这些体内外证据表明,miR-210的缺失会损害胎盘对缺氧应激的适应,其在妊娠期间对缺氧应激下的胎儿生长和调节母胎界面的胎盘发育方面具有关键作用[20]。

MiRNA-210虽然在缺氧条件下对胎儿生长具有保护作用,但是还有研究表明[23],miR-210在疾病期间上调对胎盘具有负面影响。miR-210的已确定靶标包括EFNA3和HOXA9,它们对细胞功能(如迁移和侵袭)很重要。Wang等[19]证实miR-210通过减弱NOTCH1表达在滋养层功能中起负作用,miR-210还可通过MMP2、VEGF-A和PIGF途径在滋养层迁移、侵袭和网络形成中起负作用。这些研究表明,miR-210可能是滋养层依赖性胎盘血管疾病调控的候选因子。

2.Lethal-7miRNAs:Lethal-7 (let-7) miRNAs家族于2002年首次作为秀丽隐杆线虫的发育调节因子被发现[24]。Let-7 miRNAs在不同物种中高度保守,表明Let-7 miRNAs在不同生物体中调控相同的分子途径和生物学过程[25]。Let-7 miRNA,在分化细胞中高表达,也被称为分化诱导miRNA;通过结合mRNA中的互补区,let-7 miRNA可降低多种基因的表达,包括不同的增殖因子;Let-7 miRNAs在人类胚胎发育、葡萄糖代谢、细胞多能性和分化、肿瘤发生、组织再生、青春期和绝经期的开始年龄以及器官生长中发挥着深远的作用;Let-7表达受不同的转录和转录后过程控制,包括OCT4、MYC和突变体p53的转录调控,以及RNA结合蛋白LIN28和RNA编辑酶ADAR的转录后调控[26]。

let-7 miRNA的生物发生受到癌蛋白LIN28的抑制[27]。LIN28是一种高度保守的RNA结合蛋白,在未分化的细胞中高表达,并具有两种旁系同源物LIN28A和LIN28B。调节miRNA生物发生的最突出的例子之一是LIN28旁系同源物LIN28A,抑制分化诱导let-7 miRNA在干细胞中的表达。为了有效地消除let-7表达,LIN28A在细胞质中结合pre-let-7转录本并募集末端尿苷转移酶4(TUT4)或TUT7。TUT4 和 TUT7 在 let-7 前体的 3′端添加短寡核苷酸(U)拉伸,从而抑制Dicer加工,其通常识别Drosha产生的2-核苷酸3′突出。在后续步骤中,3′-5′外切核糖核酸酶 DIS3样核酸外切酶2(DIS3L2)降解尿苷化的pre-let-7。在没有LIN28A表达的体细胞中,几种pre-miRNA只有一个单核苷酸3′突出。由于这些前体不是Dicer的理想底物,因此TUT4,TUT7和TUT2(在人类中也称为TENT2)将单个尿苷基添加到3′末端,从而产生最佳的Dicer底物。孕早期人滋养层细胞中的LIN28敲除导致let-7 miRNA上调,增殖相关基因下调,细胞增殖减少[28]。Ali等[29]研究发现LIN28A和LIN28B在足月FGR中显着降低,let-7 miRNA显着高于正常胎盘。并且let-7miRNA通过靶向富含AT的相互作用域(ARID)-3B复合物来调节对人类胎盘发育具有重要作用滋养层细胞中的基因。

3.其他与FGR相关的miRNA:近年来,有越来越多的miRNA被发现参与FGR的发生。miR-141-3p已被证实可通过直接抑制转甲状腺素蛋白(transthyretin,TTR)的表达影响滋养细胞的分化、侵袭与迁移进而参与FGR的发病[30]。Yu等[31]的研究发现miR-212-3p能够靶向和抑制胎盘生长因子(PGF)的表达,调节PI3K/AKT信号通路,调节滋养层细胞侵袭、迁移、增殖和细胞凋亡,从而在FGR的发生中发挥作用。胰岛素样生长因子2(insulin-like growth factor 2,IGF2)在胎儿发育中具有明确的作用[32]。研究发现[33],miR-1227-3p可以通过靶向参与胰岛素途径的基因来调节滋养层细胞增殖和凋亡,从而参与FGR的发展。

四、结语

FGR的发病机制仍不完全明确,探讨其发生的分子机制将有助于对疾病的发生进行筛查及预防,也为治疗提供理论依据。miRNA对FGR的影响仍需进一步研究,相信随着基因测序的不断发展,会有更多与FGR及妊娠相关疾病的miRNA被发现,能更有助于妊娠疾病诊断和治疗。