miRNAs对线粒体功能的调控作用_李力力

第25卷 第6期 2013年6月 Vol. 25, No. 6 Jun., 2013 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences 文章编号：1004-0374(2013)06-0609-05 miRNAs对线粒体功能的调控作用 李力力，颜　婧，陈代兴，周　源，凌贤龙* (第三军医大学新桥医院消化科，重庆 400037) 摘　要：线粒体除了为细胞生理活动提供能量外，还参与了其他生命过程的调控。线粒体是一个动态的架构， 持续地分裂与融合以维持它的完整性，该平衡的破坏和线粒体嵴形态学的改变与多种病理过程和疾病相关。 miRNAs 是一类小分子非编码 RNA，它通过结合到 mRNAs 的 3′-UTR 区域，从而抑制 mRNA 的翻译，促 进mRNA的降解。特定的miRNAs 在线粒体中表达丰富。miRNA可能参与了线粒体结构、代谢和功能的调控。 关键词：miRNAs ；线粒体；分子调控 中图分类号：Q291 ；Q811.4 文献标志码：A Regulation of mitochondrial function by miRNAs LI Li-Li, YAN Jing, CHEN Dai-Xing, ZHOU Yuan, LING Xian-Long* (Department of Gastroenterology, Xinqiao Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400037, China) Abstract: Mitochondria play a critical role in the cells, and dysfunction of mitochondria is related to a variety of pathological processes and diseases. MicroRNAs (miRNAs) can bind to the 3′-untranslated region (3′-UTR) of mRNAs, thereby inhibiting mRNA translation or promoting mRNA degradation. This review summarized the molecular regulation of mitochondrial metabolism, structure, and function by miRNAs. Key words: miRNAs; mitochondria; molecular regulation 收稿日期：2012-10-31； 修回日期：2012-11-08 基金项目：国家自然科学基金项目(81101892) *通信作者：E-mail: lingxlong@yahoo.com.cn 线粒体是真核细胞内特殊的细胞器，除了为细 胞生理活动提供能量外，还参与了其他生命过程的 调控，如细胞凋亡、细胞内钙平衡、ROS (reactive oxygen species) 产生等等。以往的研究表明，线粒 体是一个动态的架构，持续地分裂与融合以维持其 完整性 [1]，平衡的破坏和线粒体嵴形态学的改变与 多种病理过程和疾病相关，如线粒体 DNA 缺失与 突变以及 ROS 产生过多参与细胞老化 [2-3]，线粒体 基因表达下降以及线粒体结构破坏与人体发育异常 有关 [4]，线粒体电子传递链的缺陷参与了糖尿病的 发生 [5]。线粒体内的 miRNA 在线粒体功能的调控 中则起着至关重要的作用。 1　线粒体中的miRNAs miRNAs 是一类小分子非编码 RNA，长约 22 nt， 由核基因编码。它通过结合到 mRNAs 的 3′-UTR 区域，从而抑制 mRNA 的翻译，促进 mRNA 的降解， 但其在动植物中的作用不完全相同。miRNAs 介导 的调节多发生在转录后水平。研究显示，miRNAs 还可以靶向目的 mRNA 的 5′-UTR 或开放阅读框 (open reading frames, ORF)[6]。 应用基因组芯片技术研究发现，特定的 miRNAs 在线粒体中大量表达 [7-10] ( 表 1)。线粒体 miRNA (mitomiRs) 种类与细胞类型有关。在小鼠的 肝细胞中发现 15 种 miRNAs ；在大鼠肝细胞中发现 20 种 miRNAs，包括 miR-122、miR-805 和 miR-609。 在人类肌管细胞线粒体发现超过 20 种 miRNAs，其 中 13 种 miRNAs 如 miR-1973、miR-1275 和 miR- 494 在 HeLa 细胞线粒体中大量表达。mitomiRs 表 达异常可能与线粒体功能不全有关 [11]。 例如 1 型糖尿病性心脏病，即由于线粒体中 miR-141 的病理性增加导致 Sic25a3 (solute carrier 生命科学 第25卷610 family 25 member 3) 蛋白的减少，从而引起线粒体 功能异常，导致 ATP 产生减少，引起心肌细胞的异 常 [12]。又如，在敲除 miR-378/378* 基因的小鼠中， PGC-1β (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1β) 表达增加，从而引起线粒体功能障碍， 最终导致胰岛素靶向组织的氧化能力和线粒体脂肪 酸代谢的增强，高脂饮食也未引起小鼠肥胖 [13]。这 些研究说明，特定种类的 mitomiRs 异常增多或减 少可引起线粒体的功能障碍，从而导致病理改变。 线粒体内不仅存在 miRNAs，参与 miRNAs 机 制的其他成分也能检测到，如 RNA 诱导沉默复合 物 (RNA-induced silencing complex, RISC)。研究显 示，线粒体内的 Ago2 是 RISC 的关键活性蛋白， 其主要位于线粒体膜上，且从人 Ago2 及 tRNAMet 免疫共沉淀可能发现线粒体和 RNAi 的潜在联系； 在线粒体内可能是 miR-1201 与 Ago2 结合发挥其作 用，具体机制未明 [8,10]。 mitomiRs 的作用不明。例如，虽有研究表明 链脲霉素可诱导 1 型糖尿病和线粒体功能不全，链 脲霉素作用后线粒体相关的 miRNAs 发生显著改 变， 如 miR-494、miR-202-5p、miR-134、miR-155 表达增加，而 miR-705 和 miR-122 表达减少，但 miRNA 改变对此病的影响机制却未知 [8]。 2　miRNAs调控线粒体形态 线粒体通过不断地融合、分裂形成动态的网状 结构，以维持细胞器的完整性 [14,18]，不同种类的 miRNAs 参与线粒体形态的动态调节过程。如 miR- 30 家族包含 miR-30a、miR-30b、miR-30c、miR-30d、 miR-30e 等五个成员，均在心肌细胞大量表达。 miR-30a、miR-30b、miR-30d 能通过作用于 p53 (miR-30 家族成员作用的直接靶标 ) 和 Drp1 (dynamin-related protein 1) 来调节线粒体分裂和细胞凋亡。相应地， 给予 H2O2 处理后，p53 及 Drp1 含量均增加，miR- 30a、miR-30b、miR-30d 水平大幅降低，从而引起 线粒体外膜产生的碎裂片增多，线粒体分裂增加， 而 miR-30c 和 miR-30e 水平保持不变 [19]。又如， miR-499 由肌球蛋白基因编码，生理状态下在心肌 细胞大量表达，但在细胞凋亡时表达下调。miR- 499 阻止细胞凋亡是通过靶向作用于钙调节蛋白。 miR-499 的下调可使钙调节蛋白激活 Drp1，导致线 粒体分裂和细胞凋亡，镜下可见线粒体周围的网状 结构减少，产生的膜碎片增多。有趣的是，miR- 499 在转录水平受 p53 的调节，p53 的过表达可引 起 miR-449 转录减少 [20]。尽管 miRNAs 参与了线 粒体分裂，但维持线粒体平衡的机制非常复杂，且 其他的因素，如线粒体融合素 (mitofusion) 和 Fis-1 等在调节线粒体融合和分裂中的重要作用也与 miRNA 相关。 3　miRNAs与线粒体自噬 自噬是细胞内成分新陈代谢的过程，对维持细 胞内稳态是必需的 [21-22]，其形态学特征是自噬小体 的形成。线粒体自噬是选择性的线粒体降解过程， 细胞通过线粒体自噬来调节线粒体数量以适应代谢 和发育的需要 [23]，还清除损伤的线粒体。在哺乳动 表1 从不同组织或细胞线粒体中已确定的miRNA种类 李力力，等：miRNAs对线粒体功能的调控作用第6期 611 物细胞中，当线粒体膜去极化时，PINK1 启动 Parkin 由细胞浆向线粒体转位 [24]，诱导损伤的线粒 体形成自噬小体。 miRNAs 通过靶向作用于自噬相关蛋白的转录 对自噬过程发挥调节作用，如 miR-101 下调 STMN1、 RAB5A 和 ATG4D [25]，miR-204 抑制 LC3-II 蛋白 [26]， miR-30a 抑制 Beclin 1 蛋白 [27]，可能是产生自噬过 程的相关因素。在临床中也有相关的证据，如在帕 金森病 (Parkinson’s disease, PD) 的大脑样本中发现， miR-34b/c 表达下调是早期事件，miR-34b/c 的下调 会引起 DJ1 和 Parkin 蛋白的表达减少 ( 可能由线粒 体的自噬引起 )，而这两种蛋白与 PD 的发病是直 接相关的，且 miR-34b/c 的下调会导致线粒体功能 障碍及氧化应激 [28]，但 miR-34b/c 下调是否与线粒 体功能不全相关的转录组变化有关有待阐明。在某 些人类肿瘤中，miR-21 水平显著增加从而下调 PTEN 的表达 [29-30]，而 PTEN 调节 PINK1，PINK1 与线粒体自噬相关。 4　miRNAs影响线粒体代谢 线粒体的基本功能是通过氧化磷酸化产生 ATP。它拥有自身的基因组以及转录和翻译系统， 但线粒体还需要核编码的蛋白以完成正常的功能。 细胞色素 C 氧化酶 IV (COXIV) 是一种核编码的 蛋白，它是线粒体呼吸链的重要组分，参与 ATP 的 产生。miR-338 是一种神经元细胞特异表达的 miRNA，对COXIV表达有调节作用。COXIV 3′-UTR 含有 miR-338 的靶向区域，miR-338 表达增加可在 mRNA 和蛋白质水平下调 COXIV ；另一方面，抑 制 miR-338 表达可在 mRNA 和蛋白质水平上调 COXIV。功能研究显示，miR-338 过表达可显著降 低耗氧量和线粒体代谢以及 ATP 产量 [31]。 谷氨酰胺酶对线粒体代谢非常重要。miR-23a 和 miR-23b (miR-23a/b) 直接抑制谷氨酰胺酶的表 达，调节 miR-23a/b 的表达可影响谷氨酰胺酶的表 达水平 [32]。 缺氧状态下 miR-210 显著上调 [33]，进而抑制 线粒体呼吸以及相关的下游功能 [34]，如线粒体硫化 铁簇类似物 (iron sulfur cluster homologue, ISCU) 是 miR-210 的靶标，它们在线粒体内组装，然后输出 到细胞浆再组装为相应的功能蛋白。miR-210 通过 直接结合到 ISCU 3′-UTR 抑制 ISCU 的表达。功能 表明，缺氧状态下 miR-210 对下调 ISCU 是必 需、必要的条件。 miRNAs 参与胰岛素的基因表达、生物合成和 分泌 [35-36]。miR-15a 通过抑制大鼠胰岛 β 细胞内源 性耦合蛋白 2 (uncoupling protein 2, UCP-2) 促进胰 岛素生物合成。UCP-2 是线粒体内膜载体蛋白家族 的一位成员，miR-15a 通过靶向作用于 UCP-2 调节 氧耗量和 ATP 生成。线粒体功能不全与胰岛素抵抗 有关，但其确切机制不明。Ryu 等 [13] 研究显示， miR-126 通过靶向胰岛素受体底物 -1 (insulin receptor substrate 1, IRS-1) 参与了胰岛素抵抗的发生。因此， miRNAs 或可作为研发糖尿病有效药物的靶标。 miR-696 调节脂肪酸氧化和线粒体生物合成是 通过靶向过氧化物增殖物活化受体 γ辅激活因子 -1α (peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator 1-α, PGC-1α) [37] 。PGC-1α 促进骨骼肌需氧代谢和 线粒体生物合成。miR-696 过度表达降低脂肪酸氧 化和 mtDNA 容量，反之，转染 miR-696 抑制剂则 增加脂肪酸氧化和 mtDNA 容量。PGC-1β 是调节代 谢和线粒体生理功能的转录辅激活因子，PGC-1β 基因编码 miR-378 和 miR-378*，这两种 miRNA 会 拮抗 PGC-1β 的代谢作用。缺乏 miR-378 和 miR- 378* 会有肥胖症的抵抗以及表现出线粒体脂肪酸代 谢的增高 [38]。 5　miRNAs参与线粒体介导的细胞凋亡 miRNAs 在线粒体介导的细胞凋亡中的作用是 至关重要的，如 miR-15a 和 miR-16-1 (miR-15a/16-1) 通过调节线粒体功能诱导细胞凋亡，编码 miR- 15a/16-1 的基因位于染色体 13q14 区域，miR-15a/16-1 也可调节多个肿瘤基因的活性，包括 Bcl-2 和 Mcl1。miR-15a 主要通过促进线粒体功能不全，如 细胞色素 C 释放入细胞浆及线粒体膜电位的崩溃来 瓦解线粒体的膜结构，从而引起细胞的凋亡 [32]。 miR-1 是肌肉中特异的 miRNA，同样，给予凋亡刺 激后 miR-1 表达增加，伴有细胞色素 C 释放增加、 线粒体膜电位下降，从而导致线粒体结构的损坏， 引起细胞凋亡 [39]。miR-145 是一种肿瘤抑制 miRNA， 可以通过靶向线粒体途径来保护心肌细胞免受由过 氧化氢诱导的凋亡，同时，miR-145 的过表达也会 减少活性氧 (ROS) 的产生以及线粒体结构的损伤， 从而引起细胞生物活性的异常 [40]。 6　结论 miRNAs 在多种疾病中，如癌症、神经肌肉疾 病、代谢疾病、病毒感染中起着至关重要的作用。 生命科学 第25卷612 它对细胞的各个结构都存在影响，其中对线粒体的 作用是显著的。线粒体中种类丰富的 miRNAs 通过 对其基因及蛋白质的调控，影响线粒体的形态、自 噬、代谢及凋亡，从而影响细胞的生物特性。因此， 研究 miRNA 和线粒体相互作用对很多有待攻克的 疾病具有深远意义。 [参　考　文　献] [1] Detmer SA, Chan DC. 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