【医学与健康科技创新工程进展快报 第62期】
基础医学研究所余佳团队系列研究
揭示非编码RNA代谢新机理及生理功能

MicroRNA (miRNA)通常以“成熟体”的形式发挥作用，成熟的miRNA来源于miRNA初级转录本(Primary-miRNA)。在细胞中，通过两次酶促反应，miRNA初级转录本被加工形成miRNA duplex， miRNA duplex包含两条“臂”，其中一条“优势臂”进入RISC复合物发挥调控功能，成为成熟 miRNA；另一条“臂”通常情况下趋向于被降解，称为miRNA*。此生物学过程被称为“miRNA臂选择”，是miRNA代谢的重要过程之一。近年来研究发现，在特定情况下miRNA和miRNA*可以同时存在。然而，当两臂同时存在时二者之间关系如何以及二者如何发挥功能尚缺乏相关研究。近期，中国医学科学院基础医学研究所余佳课题组连续发表论文，在严重威胁人类健康的恶性肿瘤——胃癌中分别揭示了microRNA双臂功能对立与统一的特性。
2019年6月该团队发表于《Molecular Oncology》杂志的题名为“consistency analysisof microRNA-armexpression reveals microRNA-369-5p/3p as tumor suppressors in gastric cancer”的研究中，从microRNA双臂功能“统一性”方向阐述了受DNA甲基化调控的同一前体来源的两个microRNA——miR‐369‐5p和miR‐369‐3p在胃癌发生过程中发挥的调控作用，作者应用分子生物学、细胞生物学并结合动物疾病模型，证明了miR‐369‐5p和‐3p分别通过靶向抑制癌基因c‐Jun 和AKT1，发挥抑癌作用。二者在胃癌中表达丰度不但与胃癌病理进程、恶性程度、预后等多项胃癌临床指标相关，而且与抗癌药物azacitidine的疗效相关。基础医学研究所博士生董磊、张正一为该研究论文的第一作者。基础所余佳研究员、刘长征副研究员与第三军医大学第三附属医院（大坪医院）的易萍主任医师为该论文的通讯作者。
随后，该团队在2019年9月27日于《Nature Communications》杂志发表题为“microRNA arm-imbalance partiallyfrom targets-mediated decay promotes gastric cancer progression”的研究论文，则从microRNA双臂功能“对立性”方向阐述了胃癌进程中microRNA双臂发挥矛盾性功能及调节机理，该研究首先在胃癌临床样本中对多个miRNA双臂的表达情况进行调查，证明了同一前体来源的两条miRNA——miR-574-5p和miR-574-3p具有特殊的表达模式，即同一病人中 miR-574-5p表达上调同时miR-574-3p表达下调，且这种 miR-574双臂表达的转换与胃癌临床恶性程度呈显著相关性，提示其可能是胃癌发生的重要原因之一，研究者将其命名为“miR-574臂转换”。在此基础上，研究者分别通过体内、体外实验证明了miR-574-5p的癌基因属性和miR-574-3p的抑癌基因属性，并通过在体内和体外模拟“臂转换”证明了“miR-574臂转换”能够极大促进胃癌发展进程，表明“miR-574臂转换”在胃癌进程中的重要调控作用。研究者亦同时证明了对“ miR-574臂转换”的干预在小鼠胃癌模型中有令人振奋的疗效。研究表明，胃癌中“miR-574臂转换”是由一类与miRNA高度互补的靶基因群的动态变化引发，这类非经典的miRNA靶基因可通过“TDMD”（target RNA directed miRNA degradation）效应诱导miRNA降解，且在胃癌组织中呈现出与miR-574-5p或3p相反的变化及功能。由此，研究者提出胃癌中 “miR-574臂转换”是由非经典靶标基因群体诱导产生的miRNA降解所介导，而“miR-574臂转换”则进一步加速了胃癌进展。基础所博士生张正一、博士生皮静楠，副研究员王小爽、博士后徐嘉悦及重庆大学附属肿瘤医院邹冬玲副主任医师为该研究论文的第一作者。基础所余佳研究员、马艳妮副研究员、南方医科大学王栋研究员为该论文的通讯作者。
上述两项研究突破以往microRNA研究中只针对microRNA一条臂研究的局限，提出在不同情况下microRNA两臂具有协同或者拮抗的功能，并在恶性肿瘤研究中证明了microRNA臂功能对立与统一的生物学意义，丰富了对胃癌这一恶性肿瘤发病机理的认知，具有重要临床意义。
同期，余佳课题组与暨南大学兰雨研究组、解放军总医院第五医学中心刘兵研究组合作在国际上首次绘制了小鼠胚胎 HSC 发育全程的单细胞lncRNA动态表达图谱，并结合体内外功能筛选鉴定出调控HSC发育的重要功能性lncRNA分子——H19。于2019年1月10日在《Cell Stem Cell》杂志上发表了“ Combined Single-Cell Profiling of lncRNAsand Functional Screening Reveals H19 is Pivotal for Embryonic Hematopoietic Stem Cell Development”的文章。
该研究通过对HSC发育过程相关的6个细胞群体的单细胞转录组测序数据进行严格的生物信息学分析和体外功能筛选实验，发现6个可能在胚胎造血发育中发挥作用的lncRNA。利用条件基因敲除研究策略，着重阐明了H19 lncRNA对于AGM区HSC发生的重要作用。发育早期 H19 lncRNA的缺失使得一些重要造血转录因子（包括Runx1及Spi1等）的启动子区域高甲基化并下调其表达，导致血管内皮细胞向pre-HSC的转化阻滞。机制研究发现胞浆定位的H19 lncRNA部分通过抑制甲基化调控分子s-腺苷基同型半胱氨酸水解酶（一种DNA甲基化调控分子）的活性来调控目的基因的甲基化水平，并且该调控功能与H19作为microRNA前体的加工产物miR-675的功能无关。该研究通过多维单细胞/少量细胞测序技术捕捉lncRNA的分子特征，联合lncRNA条件性敲除小鼠，既提供了在数量稀少的组织干细胞中研究lncRNA调控机理的可能性，也为lncRNA功能基因组学研究提供了新思路。
基础所博士后徐嘉悦、博士研究生刘思琪、副研究员马艳妮、解放军总医院第五医学中心副研究员周杰、博士研究生张琳琳为该研究论文的第一作者。基础所余佳研究员、暨南大学基础医学院兰雨研究员、解放军总医院第五医学中心刘兵研究员为该论文的通讯作者。
以上研究工作得到了中国医学科学院医学与健康科技创新工程（2019-I2M-2-001, 2017-I2M-3-009, 2018-I2M-1-001, 2016-I2M-3-002, 2017-I2M-1-015)的资助。
文章链接：
1) https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/1878-0261.12527
2) https://www.nature.com/articles/s41467-019-12292-5
3) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1934590918305599?via%3Dihub
（基础医学研究所）