miRNA调控靶基因影响癌症的机制与研究进展

Mechanism and Research Progress of Cancer Influenced by miRNA Target Gene Regulation

摘要: 微小RNA (miRNA)作为一类重要的非编码小分子RNA，通过特异性调控靶基因的表达，在癌症的发生、发展及转移过程中发挥着关键调节作用。近年来，随着分子生物学技术的进步，miRNA在肿瘤细胞增殖、凋亡、侵袭及化疗耐药等多方面的调控功能逐渐被揭示。然而，miRNA调控网络的复杂性和靶基因多样性使得其机制尚未完全明确，制约了其临床应用的深入发展。本文通过对促癌基因的致癌机制以及miRNA在不同癌种中的双重作用的讨论，并重点分析抑癌性miRNA调控靶基因的研究现状，旨在为癌症预防和治疗提供新的生物标志物，并基于临床实践提供新思路和新方向。

Abstract: MicroRNAs (miRNAs), as a class of crucial non-coding small RNAs, play pivotal regulatory roles in cancer development, progression, and metastasis by specifically modulating target gene expression. Recent advances in molecular biology have progressively uncovered miRNA’s multifaceted regulatory functions in tumor cell proliferation, apoptosis, invasion, and chemotherapy resistance. However, the complexity of miRNA regulatory networks and the diversity of their target genes have hindered a comprehensive understanding of their mechanisms, limiting their clinical application potential. This study examines the carcinogenic mechanisms of oncogenes and the dual roles of miRNAs across different cancer types, with a focus on the current research status of tumor-suppressing miRNAs and their target genes. The findings aim to identify novel biomarkers for cancer prevention and treatment while providing innovative insights and directions for clinical practice.

1. 前言

微小RNA (miRNA)是一类非编码RNA，常与靶基因的3’非翻译区(3’-UTR)结合，实现对靶基因的转录后调控，进而影响细胞增殖、凋亡、分化和迁移等基本生命过程。研究证实miRNA的异常表达可以通过多种机制影响疾病，包括基因水平异常、信号通路失衡及表观遗传调控等[1]，特别是在肿瘤的发生、发展、转移及耐药性等方面。因此，探索癌基因的致癌机制和miRNA与其靶基因的调控机制，对辅助早期诊断、判断预后及精准治疗等方面具有积极作用。

近年来，随着高通量测序技术和生物信息学的创新，miRNA及其靶基因的研究取得了显著进展[2]。如胃癌(GC)细胞分泌的外泌体miR-128-3p可通过靶向SASH1促进血管内皮细胞的增殖和迁移，促进肿瘤血管生成，揭示了miRNA介导的肿瘤进展新机制[3]。此外，miRNA与长链非编码RNA (lncRNA)及环状RNA (circRNA)构建复杂的竞争性内源RNA (ceRNA)调控网络，通过相互“海绵”作用，调节靶基因表达，参与肿瘤细胞的增殖、侵袭和耐药等过程[4]。

miRNA在肿瘤诊断和治疗中的潜力日益受到重视。由于miRNA在血液等体液中具有高稳定性且表达呈肿瘤特异性，其作为非侵入性生物标志物用于早期诊断和预后评估显示出广阔前景。例如，肺癌早期患者的miRNA表达谱与肿瘤微环境免疫细胞状态密切相关，部分miRNA可作为早期肺癌诊断的候选标志物[5]。

目前，miRNA模拟物或抑制剂、miRNA替代疗法和载体系统等已进入临床试验阶段，但是，miRNA的研究应用仍面临诸多挑战，包括靶基因识别的准确性和异质性、递送效率、脱靶效应等等[6]-[8]。系统解析miRNA及其靶基因的分子机制，为癌症的早期诊断和靶向治疗提供了新思路和新手段。未来，结合高通量组学技术和精准医学理念，推动miRNA相关研究向临床应用转化，将极大促进肿瘤防治水平的提升。

2. 靶基因

人体细胞在分裂过程中，DNA可能因自然复制错误或外界因素干扰而突变，若突变积累到一定程度，导致细胞生长失控，这些过程包括原癌基因的激活、抑癌基因的失活、细胞信号传导通路的改变，以及细胞表面至核的信号传导级联等。癌症相关基因通常根据其是否促进或抑制肿瘤发生被分类为癌基因(Oncogenes, OCG)或抑癌基因(Tumor Suppressor Genes, TSG) [9]，促癌基因主要通过表1所示途径驱动疾病恶性转化：

Table 1. Typical oncogenes and their mechanisms of promoting cancer

表1. 典型的促癌基因及其促癌机制

促癌机制	关键靶基因案例	调控通路	致癌效应
持续增殖信号	MYC [10], KRAS [11] EGFR [12], Ras-GTP	MAPK/PI3K，JAK/STAT 通路激活	细胞无限增殖
凋亡抑制	BCL-2, MCL-1	抑制BAX/BAK[13]活化	抵抗程序性死亡
侵袭转移	ZEB1, SNAI1	EMT通路激活[14]	增强迁移与侵袭能力
血管生成	VEGF-A, HIF-1α	VEGF/VEGFR信号放大[15]	促肿瘤新生血管形成
基因组不稳定	TP53突变体	BRCA1 CTDNA修复缺陷[16]	加速突变积累
融合基因产生致癌蛋白	BCR-ABL融合基因	酪氨酸激酶活性[17]	持续激活增殖信号

临床上，靶向癌基因抑制癌症的药物研究已广泛应用，例如：第三代表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂(EGFR-TKI)获批治疗EGFR突变NSCLC患者，导致后者生存率和临床结局均得到了显著改善，被推荐为EGFR突变NSCLC患者的标准一线治疗[18]。另一项研究发现BCR-ABL融合基因具有高度酪氨酸激酶活性，持续激活增殖信号，使得细胞过度增殖，在慢性粒细胞白血病(CML)的发生中发挥着关键作用。目前，靶向药如伊马替尼，抑制BCR-ABL酪氨酸激酶活性等能够诱导肿瘤细胞分化和凋亡[19]。

3. miRNA调控靶基因的分子机制

3.1. miRNA与靶基因结合机制

miRNA在调控人类1/3的基因表达中扮演着重要角色，其核心调控机制是通过5’末端的种子序列(第2~8位的碱基序列)，识别靶mRNA的3’非编码区结合位点，调控下游基因的表达和调节其稳定性，通过抑制翻译或促进mRNA降解，从而负调控基因表达[20]。这两种调控模式可单独或协同发挥作用，以实现对靶基因的精准调节。此外，miRNA与其靶基因的匹配程度决定了结合的特异性和稳定性[21]，miRNA识别靶基因具有高度的特异性，例如：血管内皮生长因子(VEGF)是血管生成的重要因子，miR-126与VEGF的3’-UTR特异性结合后影响肿瘤血管的生产[22]，也有实验证实胃癌细胞来源的外泌体miR-128-3p通过靶向SASH1促进GC血管生成[3]。

另外，miRNA具有多靶点调控特性。研究表明，miR-143不仅在非小细胞肺癌中显著下调，还通过多种信号通路靶向多个关键靶基因如PSME3，BCL-2，Pax6，PTK2(FAK)，CCND1，发挥抑制非小细胞肺癌增殖的作用[23]。此外，miRNA的表达受多因素影响，包括miRNA基因扩增(如：miR-17-92簇扩增[24])、增强启动子活性[25]、miRNA加工效率提高(如：miR-103/107高表达促进乳腺癌进展[26])、以及miRNA稳定性提高(如：miR-155促进结直肠癌进展[27])，通过增强这些因素能够有效提高miRNA的功能。

综上所述，miRNA通过种子序列特异性结合靶基因mRNA的3’-UTR，实现对靶基因表达的双重调控模式，即mRNA降解和翻译抑制。其调控具有高度特异性和多靶点的复杂性，构成了细胞内精细的基因调控网络[28]。

3.2. ceRNA调控网络

ceRNA是一种基因调控机制，涉及不同RNA分子通过竞争结合相同的miRNA来调节彼此的表达[29]。ceRNA通过竞争性结合常见miRNA来调控基因的转录后表达[30]。lncRNA可以通过与miRNA结合来调节mRNA的稳定性和翻译，从而影响细胞的生物学行为[31]。例如：有研究证实LncRNA RP11-805J14.5作为ceRNA，通过“海绵化”肺腺癌中的miR-34b-3p和miR-139-5p来调控CCND2 [32]。此外，circRNA作为竞争性内源RNA，通过与miRNA结合，减少这些miRNA与其靶mRNA的结合能力，从而允许目标mRNA更高水平地表达。例如：ciRS-7被发现会对miR-7产生海绵作用，从而被认为是一种致癌的肿瘤标记物[33]。

总之，ceRNA调控网络是miRNA调控靶基因的重要网络机制，研究ceRNA调控网络有助于深入理解基因调控的多样性和复杂性，为癌症的诊断和治疗提供新的思路。

3.3. miRNA在癌症中扮演双重角色

通常根据靶基因功能将miRNA分为抑癌miRNA (ts-miRNA)和促癌miRNA (onco-miRNA)。Ts-miRNA通过抑制促癌基因表达而发挥抑癌作用，其表达下调时，可能会增加相关肿瘤的发生风险。例如：miR-15a和miR-16在白血病中被发现具有抑制异常白细胞增殖的作用[24]。相反，onco-miRNA则通过激活肿瘤相关通路活性或促进癌细胞生长或转移来加速癌症进展。例如，miR-21、miR-451在多种癌症中表达上调，分别抑制PTEN、PDCD4、TGFBR2以及ZEB1等，从而促进肿瘤细胞的增殖和存活[26]。因此，miRNA既可充当肿瘤抑制因子，也可作为致癌基因，具体作用取决于其靶向的基因及癌症类型[34]。

3.3.1. 抑癌miRNA调控靶基因的核心机制

在细胞核内，RNA聚合酶II转录生成初级miRNA (pri-miRNA)，再经过切割、转运和再加工形成成熟miRNA，与靶基因互补位点结合，调控靶基因过度水平，最终维持细胞生长、增殖、分化及凋亡的正常平衡。研究表明，miRNA在生物合成过程中关键酶出现缺陷或者功能异常导致成熟miRNA水平下降，靶基因过度表达，引发细胞过度增殖、凋亡减少、无法正常分化或去分化，成为癌症等疾病发生的重要分子基础[35]。以下总结了抑癌miRNA通过沉默致癌靶点抑制肿瘤发展的机制分类见表2。

Table 2. Mechanism classification of anticancer miRNA in inhibiting tumor development by silencing carcinogenic targets

表2. 抑癌miRNA通过沉默致癌靶点抑制肿瘤发展的机制分类

分类依据	miRNA类型	代表分子	核心靶点	抑制作用机制
细胞周期阻滞	周期抑制剂	miR-34a, let-7	CDK4/6, RAS, CCND1	抑制细胞周期蛋白依赖性激酶[36]→阻滞增殖
促凋亡	凋亡激活剂	miR-15, miR-16-1	BCL-2, MCL-1	沉默抗凋亡蛋白BCL-2 [37] →诱导癌细胞死亡
转移抑制	EMT阻遏因子	miR-200家族	ZEB1, SNAI2	阻断转录因子ZEB→维持上皮表型[38]，抑制转移
免疫调节	免疫检查点抑制剂	miR-138, miR-424	PD-L1, CD80	下调免疫检查点PD-L1 [39] →增强T细胞杀伤活性
表观遗传修复	表观修饰调控因子	miR-101, miR-29	EZH2, DNMT3A	沉默组蛋白甲基转移酶EZH2 [40]→逆转抑癌基因沉默

抑癌miRNA通过多种机制调控相关靶基因，参与多种生物过程，包括细胞增殖、凋亡、迁移，代谢调节，表观遗传修复，免疫杀伤等。目前常利用生物信息学工具和实验技术(如qPCR、Western blot、荧光素酶报告等)识别与特定肿瘤类型相关癌基因的表达及信号通路，并验证抑癌miRNA是否能够直接调控这些靶点。

3.3.2. 促进肿瘤细胞增殖与抑制凋亡

miRNA通过靶向抑癌基因，调节细胞周期及凋亡通路，从而促进肿瘤细胞增殖与抑制凋亡。miRNA的表达异常能影响肿瘤细胞的增殖活性和存活能力。例如，miR-21和miR-155作为典型的促癌miRNA，在多种癌症中表现出促进增殖和抑制凋亡的作用。研究表明，miR-21不仅在肝细胞癌中显著上调，还通过调控多种靶基因如抑癌基因PTEN和调控细胞增殖基因，促进肿瘤细胞的增殖和存活[41]。此外，miR-155在结直肠癌中与药物耐受性密切相关，通过抑制促凋亡基因，增强肿瘤细胞的抗凋亡能力[42]。

综上所述，特定miRNA通过调控抑癌或促癌基因，影响细胞周期和凋亡信号通路，促进肿瘤细胞的增殖和抑制凋亡，是肿瘤发生发展的关键机制之一。

3.4. miRNA在癌症诊断与治疗中的研究进展

3.4.1. miRNA作为癌症生物标志物的潜力

循环miRNA主要存在于血液、尿液等多种体液中，具有较高的稳定性，且能抵御体液中核酸酶的降解，因此成为理想的非侵入性诊断标志物。多项研究显示，循环miRNA在不同癌种中的表达谱具有很强的特异性和稳定性，如乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌、膀胱癌等，这些miRNA不仅有助于癌症的早期诊断，还与患者的预后密切相关[43]-[46]。例如，乳腺癌患者血浆中独特的miRNA组合能有效区分肿瘤患者与健康个体，且与肿瘤的淋巴结转移和总体生存率相关[47]。研究发现miRNA-145作为诊断标志物帮助诊断乳腺癌[48]；此外，针对非小细胞肺癌的研究发现，结合血清miRNA与血清外泌体miRNA的检测方法，能够显著提高早期诊断的准确性和敏感性[5] [49]，例如：Seyedeh Afrooz Azimi等人研究证实miR-155作为非小细胞肺癌的诊断标志物[50]。近年来，基于CRISPR-Cas系统的miRNA滚环扩增检测技术，提升了miRNA检测的灵敏度和特异性[51]。尽管如此，临床应用仍面临方法标准化、样本处理和数据分析一致性等挑战[52] [53]。总的来看，循环miRNA作为癌症生物标志物具有广阔的应用前景，是实现癌症早期诊断和动态监测的有力工具。

3.4.2. miRNA治疗策略及个性化医疗

多项研究显示，恢复或增强miRNA的调控功能成为抗癌治疗的重要研究方向，主要包括：miRNA模拟物(mimics)疗法[54] (microRNA-29a模拟物)、miRNA替代疗法(如MRX34旨在递送miR-34a [55])，miRNA载体系统(如AAV载体输送miR-26a [56])，联合治疗(如抑制miR-21增加结直肠癌细胞对氟尿嘧啶的敏感性[57])。目前，miRNA治疗方法已进入临床试验阶段，部分miRNA药物显示出良好的安全性和初步疗效，但仍面临递送效率、组织特异性和脱靶效应等挑战[6]-[8]。未来，结合多组学数据和精准递送技术，miRNA治疗策略有望实现更高效、安全。此外，基于miRNA表达谱的个体化治疗方案设计，通过高通量测序和多组学分析，结合患者具体的miRNA表达特征，构建个体化的治疗模型，从而优化药物选择和剂量[7] [58] [59]，有助于实现精准医疗。然而，miRNA调控网络复杂多变，存在多个miRNA与多个基因相互作用的情况，增加了个体化治疗的难度。为应对这一挑战，研究者提出利用系统生物学和机器学习方法，解析miRNA调控网络，筛选关键miRNA组合，提高治疗的针对性和有效性[60]-[62]。未来，随着技术的进步和数据积累，miRNA联合治疗将在个体化癌症治疗中发挥愈加重要的作用。

4. 结论

miRNA作为癌症研究领域的重要分子，不仅参与了癌细胞的增殖、凋亡、迁移和侵袭等多种生物学过程，而且其多靶点调控的复杂性赋予了癌症调控更高的灵活性和复杂度。随着研究方法的不断进步，miRNA的调控机制研究取得了显著突破。另外，在临床研究中，miRNA作为癌症诊断标志物和治疗靶点的潜力日益显现，不仅推动了精准医学的发展，也为个体化癌症治疗开辟了新路径。然而，当前研究中仍存在对miRNA功能的异质性和靶基因多样性的争议，不同肿瘤类型中miRNA的表达模式及其生物学作用差异较大；同时，miRNA的临床转化方面仍面临诸多挑战。展望未来，深入系统地解析miRNA调控网络，结合单细胞测序、多组学整合分析和人工智能算法，有望全面揭示miRNA调控网络机制并推动miRNA相关诊断和治疗技术的规范化和标准化，最终实现精准干预。

综上所述，本文总结了促癌靶基因与肿瘤形成之间的相互关系，系统阐述了miRNA对靶基因的核心调控机制以及miRNA在生物标志物开发、癌症治疗策略等研究方向上取得的显著进展，并分析了目前面临的挑战，未来，通过系统解析和临床转化的协同发展，miRNA有望成为癌症防治领域的重要突破口，助力实现更精准、高效的癌症诊疗。

NOTES

^*通讯作者。