miRNA与电离辐射防护功能食品研究进展.docx

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1、电离辐射是能引起物质电离的辐射总称，可以通过直接或间接作用电离出物质中的原子和分子。随着核能的发展和核技术在能源和医疗等领域的广泛应用，电离辐射几乎无处不在，如果使用或控制不当，可对人类健康带来潜在的危害与风险。电离辐射对生物体的损害表现为生物体内重要器官损伤以及相关调控系统紊乱，这也会导致机体造血功能、生殖系统及免疫系统等不同程度的损伤，甚至发生癌变，其损伤程度取决于辐射种类、剂量、时间及机体的敏感性。如何有效防护这种慢性辐射，保障人员身体健康，具有重要的军事价值和社会意义。辐射防护剂是应用于辐照前后来保护机体免受辐射损伤的一类功能性制剂，其研究开发已成为当今医疗卫生、军事、能源等领域关注的

2、焦点之一。从天然产物或微生物代谢物中筛选制备具有电离辐射防护作用的功能食品基料，开发辐射防护功能食品，通过饮食调理提高机体辐射耐受性或降低辐射对机体的损害，是辐射防护的一条重要途径。目前己经报道的天然辐射防护剂，如黄酮类、多糖类、多酚类以及皂昔类等功能因子，能够通过清除自由基，促进DNA修复并调节凋亡信号通路，以减少辐射对人体造成的造血系统、消化系统以及神经系统的损伤，其作用时效长，成本低且无明显毒副作用。在研究中指出，表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)是绿茶中含量最高、活性最强的多酚类化合物，具有抗氧化、清除自由基和辐射防护等多种活性，以EGCG为主要组分的绿茶源食品一直是辐射防护食品开发

3、的热点。ImiRNAs、表观遗传和食品1.lmiRNAs与表观遗传miRNAs在基因转录和转录后加工、细胞分化和个体发育、遗传和表观遗传等几乎所有的重要生命活动中发挥重要作用，对miRNAs的鉴定及功能探索已成为当前生命科学研究的热点和前沿。表观遗传学是在不改变DNA序列的情况下，生物表现型发生改变，并保持相对稳定和遗传。表观遗传学研究表明，环境在生物表型改变中发挥重要作用，而电离辐射是一种重要的环境因子，也是表观遗传学研究的重要模型。近年来研究证实，表观遗传和miRNAs间存在着一定的联系，不仅miRNAs的表达受表观遗传学调控，而且miRNAs也可通过调节DNA甲基化或组蛋白修饰等途径影响

4、表观遗传。1.2 miRNAs与食品食品摄入是生物体与外界进行物质、能量和信息交换的一种方式，特定的饮食和功能食品因子会影响miRNAs的表达。体外癌细胞实验证实，功能食品因子可以调控miRNAs表达，从而发挥抑癌作用。目前，研究较多的功能食品因子主要为多酚类物质，如EGCG、姜黄素和异黄雨等。和体外细胞实验类似，动物实验和人体实验也证实特定的饮食可调控miRNAs表达。人体实验证实，在叶酸缺陷的饮食条件下，miR-222表达显著增强，并且低叶酸吸收水平时人外周血中miRNAs表达水平可反映其营养状况。1.3 食品与表观遗传食品和功能食品因子对生物体和细胞的作用不仅局限于生物表型及miRNAs

5、表达差异，更为重要的是，表观遗传学研究表明，作为遗传与环境重要接口的食品，其对生物体的影响可能会传递至后一代甚至后几代。2miRNAs与电离辐射肿瘤学研究表明，miRNAs功能失调与多种恶性肿瘤密切相关,不同肿瘤对应的miRNAs可发挥致癌基因或抑癌基因的作用。电离辐射是多种肿瘤尤其是白血病和淋巴癌的重要致癌因素，但其致癌机制目前尚不清楚。辐射诱导小鼠胸腺淋巴瘤模型表明，辐射致癌是一个多因素调节的多步骤复杂过程，包括致癌基因Ras、抑癌基因PTEN和抑癌基因p53,基因调控分子miRNAs也发挥重要作用。不仅如此，miRNA的表达也会影响电离辐射敏感性。miR-101的过表达抑制了鼻咽癌细胞增

6、殖，增强了鼻咽癌细胞的放射敏感性，12153/16通过靶向丁11小-1miR-106bmiR-29bmiR-20amiR-96-5p)可以通过靶向PTEN基因激活ATK通路，增加细胞的辐射敏感性12-18。PI3KAKT通路的另一个重要成员AKT也可以通过miRNA直接调控。Wu等19通过荧光素能检测证实，miR-150可以与AKT的3,UTR端结合，抑制AKT通路，增加淋巴痛细胞的放射敏感性。MAPK家族可以调控许多与辐射相关的信号转导通路，包括MAPK/ERK、SAPK/JNK和p38通路。Yang等20发现miR-133a可通过靶向EGFR介导的MEK/ERK信号通路，促进癌细胞凋亡，增

7、强食管癌细胞的放射敏感性。MiRNA也可以调控p38和SAPK/JNK通路的重要调节因子影响细胞的辐射敏感性。研究发现，miR-450a-5p、miR-320a、hsa-miR-138-2-3p分别通过调控DUSPl0、XlAP等重要调控因子激活JNKlp38MAPK信号通路，增强了癌细胞的辐射敏感性21-23。NF-KB是细胞增殖和存活的重要信号通路。越来越多NF-KB信号通路中的蛋白如T1.RI、E2F1、NFKB1、TNFAIP3被证明与辐射敏感性有关。miR-19b-3p、miR-125b靶向激活TNFAIP3,启动NF-KB信号通路，改善鼻咽癌放射耐药性24-25。1.an等26通过

8、荧光素酶报告基因测定证实miR-15a16与T1.RI的3,UTR特异性结合,下调NF-B信号通路的活性，增加了辐射诱导的细胞凋亡，导致非小细胞肺癌细胞的辐射敏感性增强。miR-136、miR-9和let-7g分别调控E2F1或NFKBI蛋白,促进细胞凋亡和辐射敏感性,提高放疗效率27-28。miRNA调控肿瘤相关信号通路对辐射敏感性的影响见图KNFKBE2F1XlAPAKTT1.RIFTENTNFAIP3DUSPIIniR“40IniR144mRS19IniR106bImR“36miR-9let-7mR125buuR-15az16mR19(3pnuR320auuR-450a-5puR-29b

9、DlIK-SImR965puuR-22l222图1miRNA调控肿病相关信号通路对籍射敏感性的影晌Fig.1DRNAIegularestumor-relatedSigIlalingpathwaystoinfluenceradiometricSenSirivkyUmiRNA调控DNA损伤反应对辐射敏感性的影响电离辐射通过产生的中间离子和自由基直接或间接的损伤DNA29,并触发复杂且高度调控的DNA损伤反应，级联多种信号通路启动修复路径，影响细胞的辐射敏感性30。13.IDNA损伤修复对辐射敏感性的影响DNA损伤后，蛋白辅助因子在DNA损伤部位招募并激活PI3K相关的蛋白激酶家族：ATM、ATR和

10、DNA-PKcs。ATM是影响辐射敏感性的重要位点。miR-2233l.miR-338-5p和miR-26a32直接靶向ATM的3UTR,导致ATM水平降低，进而抑制DNA损伤反应中同源重组修复通路，增加胶质瘤的辐射敏感性33。同时下调miR-18a.miR-42l含量可以恢复ATM的表达，并降低辐射敏感性34-35。miR-10l已被证明靶向DNA-PKcs的3,UTR和ATM的3,UTR,上调miR-101可有效降低这些肿瘤细胞中DNA-PKcs水平，在体内外都增强了肿瘤细胞对辐射的敏感性36ATRIP招募ATR到DNA单链断裂位点，miR-185在转录后水平负调控ATR表达，增加肾细胞癌

11、细胞对X射线敏感性37。组蛋白H2AX是DNA双链断裂的敏感标志物，其磷酸化有助于DNA损伤修更。H2AX缺陷细胞表现出基因组不稳定、双链断裂、修复缺陷和轻度DNA损伤检查点功能障碍，对电离辐射敏感，因此miR-328-3p、miR-138通过靶向调控H2AX表达调节放射敏感性38-39。同源重组修复激活通过ATMChk2p53信号通路介导，需要内切酶CtIP和多种蛋白因子（如BRCA1、RAD51）共同作用，在辐射后进行准确修妁40。CUP是一种对DNA同源重组修复至关重要的多功能蛋白，Martin等41证明了这种蛋白质受miRNA下调的影响。在He1.a细胞中，过表达miR-335导致CU

12、P水平降低，促使辐射损伤的菌落死亡，并且在放射敏感患者的细胞系中也发现了QlP下调。miR-182与BRCAl在3,UTR有3个结合位点，过表达的miR-182卜.调BRCA1蛋白水平,影响同源重组过程,抑制电离辐射后细胞死亡42。连接酶IV（1.1G4）是NHEJ通路中关键的DNA修匏基因。电离辐射诱导miR-1246高表达,抑制了1.IG4的表达，对正常组织有害，但在放疗中可能有利于诱导癌细胞死亡，尤其是对过表达1.IG4的癌细胞43。1.3.2细胞凋亡对辐射敏感性的影响细胞凋亡过程涉及到大量基因参与凋亡信号传导和执行的各个步骤，这些蛋白包括BH3区域的p53AIPlBCl-2、Apafl

13、40,44Bcl-2可以被多种miRNA调控，通过影响辐射后细胞凋亡，而影响细胞辐射性。miR-181a的过表达可以调控靶基因Bcl-2下调，作为胶质瘤母细胞的辐射致敏剂而应用45。P53不仅在调控细胞周期检查点具有重要作用，其可以作为线粒体凋亡途径的关键因子参与细胞凋亡44。miR-372通过抑制PBK激活p53信号通路，增加辐射敏感性46。miR-300通过与p53和APaflmRNA的3UTR结合，抑制p53依赖性的G2细胞周期阻滞、凋亡，调节肺癌细胞对电离辐射的敏感性。综上所述，miRNA在辐射敏感性方面的调控作用可以通过多种关键调控因子参与辐射响应。在放疗过程中，通过改变特异性miR

14、NA的表达，提高肿瘤的放射敏感性，有效地达到放疗的预期效果，优化疗效，最大限度地减少正常组织的急性和潜在的损伤。这些miRNA作为未来靶向放射治疗的致敏剂具有重要的治疗意义。miRNA调控DNA损伤反应对辐射敏感性的影响见图2。AlM霹AlBM1.X节UOI2101”ik1.MlJt9T1.ihi三2IE-*,u1.M*-aMMB,2D5Aftvt1MtfM9E.:UnhaMyrn2miRNA在辐射损伤中的生物标记作用目前在临床上预测辐射生物效应的方法仍依赖于患者的症状,或复杂且耗时的技术检测（如双着丝粒染色体检测、胞质分裂阻滞微核试验）1,47。因此需要开发一种简单、稳定、对剂量增量变化敏感

15、并允许使用微创方式重复测试的新型标记物29,可以快速评估患者接受的辐射剂量，并确定是否需要立即就医。研究表明，miRNA是一种具有使用前景的生物标志物，其作为生物标志物的优势并不在于其调控功能，而在于其在体液中独特的稳定性和易于量化的特点48。2.1 miRNA检测辐射损伤剂量目前寻找可以标记辐射损伤miRNA的方法主要是通过对辐射反应前后大量的miRNA进行分析，筛选表达水平稳定、但差异较大的miRNA。Duale等49通过筛选576组miRNA,发现1组由21种miRNA组成的miRNA子集，可以高精度地预测样本是否暴露于辐射，并预测Y辐射的剂量。但此实验中使用的实验材料是肝脏细胞，取样困

16、难且损伤较大，无法满足微创检测这一要求。血清、尿液、唾液等体液中的miRNA更易取样检测，具有更好的应用前景。血清miR-l51-3p、miR-128-3p可以作为8.0Gy辐射暴露的剂量特异性生物标志物50。不同物种、辐射剂量、生物材料和定量方法所测量的辐射后miRNA水平变化有很大差异1。由于miRNA在体液中含量低,Jacob等51认为传统的miRNA含量检测方法PCR需要预扩增模板和更多的扩增周期，影响定量准确性。因此使用了一种无扩增的定量分析方法NanOString,检测24、48h在112Gy照射的小鼠血清中miRNA水平，发现miRNA-150可能是潜在的辐射损伤标记物。Yada

17、V等47开发一种基于miR-150-5p、miR-23a-3p含量变化的辐射生物剂量测定法。miR-23a-3p在循环系统中十分稳定，其变化不会受到年龄或慢性病的影响，也不会受到电离辐射或各种敏感器官损伤的影响，可以作为一个内标物，最大限度地减少采样和处理过程中的误差，提高分析检测的准确度。这一方法的主要优势就是方便快捷。通过手指采血，无需冷藏就可以稳定在通用的裂解试剂中，并在环境条件下装运。特别适合筛选暴露在13Gy、暴露后早期没有明显症状的患者。然而这一方法目前并未进行临床实验，且实验中使用的射线组成并不能准确模拟核事件这样免杂事件中的辐射的组成，影响这一方法的准确性。2.2 miRNA标

18、记放疗效果由于miRNA参与了多种信号通路、细胞周期阻滞和损伤修复，认为它们可能作生物标志物应用在放射治疗的几个阶段，标记放疗效果。首先，人们可以评估在放疗前预测放疗反应，尽可能减少对周围正常组织的损伤，确定个性化的治疗方案。SUn等52利用血清中Il个miRNAs结合临床因素为每个患者生成了I个剂量反应分数，用于识别局部晚期或医学上不能手术治疗的非小细胞肺癌患者，为这些患者提供高剂量的放射治疗，制定个性化治疗方案，提高治疗效果。其次，人们可以尝试在放疗结束后测量miRNA,预测放疗造成的急性毒性反应或疾病预后结果，及时干预后续治疗。SOmeya等53检测了69例接受放疗的前列腺癌患者外周血淋

19、巴细胞内的miRNA水平，发现miR-410、miR-221的高表达是12级胃肠道毒性的重要危险因素。miR-99a、miR-221高表达是2级泌尿生殖系统毒性的危险因素。miR-198、miR-765、miR-630、miR-371-5p.miR-575、miR-202和miR-513a-5p可用于预测晚期结直肠癌对术前放化疗的反应54。1.i等55通过比较放疗前后血浆中miRNA水平的变化,发现8种miRNAs的水平发生显著变化，并建立两个分类器。放疗效果不佳的患者，在放疗前，miR-130a-3plet-7b-5pmiR-130a-3pmiR-19b-3p.miR-130a-3pmiR-

20、374a-5p与肿瘤分期的表达比值较高。放疗后miR-130a-3plet-7b-5p.miR-l30a-3pmiR-148a-3p的表达比值组合上调。两个分类器数值均较小患者预后较好。然而，此实验的实验样本只有直肠癌和头颈部癌症患者，需要多个队列来验证其再现性，然后才能作为临床生物标记加以应用。总而言之，目前己经证明多种miRNA可以应用在放射治疗的过程中标记生物反应，但是在不同的肿瘤细胞中，miRNA含量差异很大。并且目前所有的研究结果均是细胞实验水平或小范围临床实验结果，下一步应该扩大实验样本，提高实验结果的普遍性。3展望miRNA可以通过其生物合成、肿瘤相关信号通路的调控和DNA损伤反

21、应对细胞辐射敏感性产生影响，在肿瘤治疗和辐射防护等方面具有重要作用。一方面，通过体内miRNA表达变化快速评估患者接受的辐射剂量；另一方面，利用miRNA的生物调控功能标记放疗效果，优化放疗治疗方案，减少正常组织的急性和潜在的损伤。同时肿瘤内异常表达miRNA可能为今后靶向治疗方案和放疗增敏剂的设计提供新的思路。miRNA有望在临床治疗过程中广泛应用，预想的临床治疗框架是：在放射治疗前，通过体内miRNA表达水平预测放疗反应，确定个体化治疗方案。在放射治疗过程中，调整体内某些miRNA表达水平，调节肿瘤细胞辐射敏感性。在放疗结束后，监控癌症免发及转移情况，及时进行后续干预治疗，提高肿瘤放疗后患者存活率。大量数据表明，miRNA在辐射防护领域具有巨大潜力，未来应加强对miRNA在放疗以及检测方面的研究。