MRX-34

文献笔记 这篇 2021 年的文献系统比较了 siRNA 与miRNA 模拟物这两种基于 RNA 的治疗工具，从分子机制、设计策略、脱靶效应、临床进展等多个方面进行了梳理。文章为理解两种工具的差异与互补性提供了较为全面的视角。 siRNA 在单基因靶向治疗中已取得重要进展，但仍面临脱靶和组织选择性等挑战； miRNA 模拟物因其内源性、多靶点和病理条件依赖的特性，在复杂疾病治疗中展现出独特潜力，但其调控机制复杂，研发仍处于早期阶段。 速览 引言 RNAi 与 miRNA 的发现及治疗背景 1998 年，Fire 和 Mello 发现双链 RNA 可引发基因沉默，即 RNA 干扰现象，该成果于 2006 年获诺贝尔奖，确立了 RNAi 作为重要基因调控机制的地位。而首个 microRNA（miRNA）—— lin-4，早在 1993 年已在秀丽隐杆线虫中被发现，可通过反义机制调控目标基因表达；直至约七年后，miRNA 在人类等多种物种中被广泛证实，其研究价值才受到更多关注。 RNAi（如 siRNA）与 miRNA 均能下调基因表达，同属新兴的“寡核苷酸药物”平台，已成为小分子药和蛋白质生物制剂之后的第三大类治疗手段。该类疗法主要有两种策略：一是单链反义寡核苷酸，通过与 mRNA 形成异源双链，激活 RNase H 或影响剪接来降解 RNA 或抑制翻译；二是双链 RNA，其中包括用于抑制内源性 miRNA 功能的 miRNA 抑制剂（AntagomiR），以及用于恢复或增强 miRNA 功能的 miRNA 模拟物（miRNA mimic）。由于 ASO 的作用机制与研发路径与双链 RNA 类药物不同，该综述将聚焦于后者，即 siRNA 与 miRNA 模拟物。 文献的定位与目标：2018 年，首款 siRNA 药物 Patisiran 获 FDA 批准，标志着 RNAi 治疗正式步入临床应用时代。随着 siRNA 技术日益成熟，研究者开始思考：在结构功能相似的 miRNA 模拟物是否仍具独立开发价值？其独特治疗潜力何在？为此，该综述旨在系统比较 siRNA 与 miRNA 模拟物，总结 siRNA 的成功经验，深入探讨 miRNA 模拟物可能具备的治疗优势与发展机遇，并梳理当前研究中的关键问题，以推动其向临床转化。 基本特性与机制 miRNA的基本特征 本质与起源：miRNA 是内源性的转录后基因调控分子，对生命活动不可或缺，完全缺失会导致死亡。 广泛性与保守性：它们在物种间高度保守，在各种组织中普遍表达，并参与几乎所有细胞过程。据估计，60-90% 的人类蛋白编码基因受 miRNA 调控。 生物合成（经典途径，Fig. 1A） 由 RNA 聚合酶 II 转录为较长的初级转录本（pri-miRNA，可超过 1000nt）。 被 Drosha/DGCR8 复合物加工成约 70nt 的 pre-miRNA 发夹结构。 通过 Exportin-5 转运至细胞质。 在细胞质中被 Dicer/TARBP2 切割成成熟的 miRNA 双链。 非经典途径：存在不依赖于 Drosha 或 Dicer 的生物合成途径（非经典途径），但仅产生不到 1% 的保守 miRNA。 与疾病的关系：miRNA 的表达失调与多种疾病相关，可作为诊断标志物和治疗靶点。 Fig. 1 siRNA 与 miRNA 模拟物诱导基因沉默的机制示意图。 (A) miRNA 的生物合成过程。 (B) siRNA（左）与 miRNA（右）的 RISC 加载机制。siRNA 设计为与靶 mRNA 完全互补配对，而 miRNA 通过其种子区与 mRNA 3′-UTR 的结合位点完全互补配对，两者均与 AGO2 结合；与靶 mRNA 部分互补的 siRNA 或种子区部分匹配的 miRNA，则与 AGO1、3、4 结合；红色：siRNA 反义链与 miRNA 模拟物引导链；紫色：siRNA 正义链与 miRNA 模拟物乘客链；蓝色与橙色：内源性 miRNA 的引导链与乘客链。 (C) 结合模式指导的靶标识别。通过上述配对模式，siRNA/miRNA 可导致靶 mRNA 切割，或通过翻译抑制与 mRNA 降解实现基因沉默。 siRNA的基本特征 本质与起源：siRNA 在人类和其他哺乳动物中通常不是自然表达的。例外情况仅见于小鼠生殖细胞。  内源性 siRNA 的存在 内源性 siRNA（endo-siRNA）存在于植物、无脊椎动物和斑马鱼中。病毒感染也能通过病毒基因组复制产生长双链 RNA，进而导致 siRNA 生成。 endo-siRNA 的生物合成需要 RNA 依赖性 RNA 聚合酶和一种 siRNA 特异性的 Dicer 亚型。这些酶在哺乳动物中不存在。 生物学功能：在秀丽隐杆线虫和果蝇中的功能缺失研究表明，endo-siRNA 主要作为一种抗病毒防御机制。在哺乳动物中，类似的防御功能由干扰素系统执行。 miRNA与siRNA的共性 基本结构：两者都是长度 ~21nt 的双链 RNA。 核心作用机制（Fig. 1B） 两者都与 Argonaute（AGO）蛋白结合，形成 RNA 诱导的沉默复合体（RISC）。 通过碱基配对引导 RISC 复合体靶向 mRNA，实现基因沉默。 RISC 加载机制 具体机制尚未完全阐明。有证据支持“双链加载模型”，即 dsRNA 被整合进 AGO 蛋白，随后乘客链（或正义链）解离并被降解。 双链中 5' 端热稳定性较低的那条链被优先选择加载到 RISC 中。 被加载的链（向导链）受到保护，而另一条链被降解。 AGO 蛋白家族 共有 4 种 AGO 蛋白能够加载双链 RNA。 只有 AGO2 能够介导 mRNA 切割，这通常需要 siRNA 或 miRNA 的种子区域与靶 mRNA 近乎完全互补的配对。 所有 AGO 蛋白都能通过翻译抑制和 mRNA 降解途径诱导基因沉默。 miRNA与siRNA的差异 靶标识别方式（主要差异） siRNA 通常被设计为与靶 mRNA 完全互补配对，导致 mRNA 被切割降解。 miRNA 遵循 “种子配对规则” 。 ① 其种子区域（通常指从 5' 端开始的第 2-8 位核苷酸，也可能是 2-7 或 2-6）与靶 mRNA 的 3'-UTR 部分互补配对，引发翻译抑制或 mRNA 降解（Fig. 1C）。 ② 辅助区域的作用：miRNA 3' 端半部分的辅助区域（特别是第 13-16 位核苷酸）也参与靶标识别，对于引导具有相同种子序列的 miRNA 结合不同靶标具有重要作用。 功能范围 siRNA 通常针对单一基因进行高效敲低。 miRNA 可调控多个靶基因，形成调控网络。 miRNA的周转与RISC加载调控 miRNA 表达与合成的动力学特征 快速合成：miRNA 是细胞内合成速度最快的 RNA 类型之一。在果蝇 S2 细胞中，使用 SLAMseq 技术检测发现，5、15、30 分钟内新合成的 miRNA 分别占总 miRNA 的 43%、69% 和 90%，哺乳动物细胞中也观察到类似现象。 缓慢加载：尽管合成迅速，miRNA 双链被加载到 AGO 蛋白形成 RISC 的过程较慢。 降解与竞争： ① ~40% miRNA 双链在加载前被非特异性降解； ② 乘客链在加载过程中也被降解； ③ miRNA 双链的过量生产有助于与其他非编码 RNA 竞争结合 AGO，确保其功能实现。 稳定性差异：与 AGO1 结合的 miRNA 半衰期约 16h，而与 AGO2 结合的 miRNA 更稳定，半衰期超过 24h。 RISC 加载的内源性调控 加载比例差异大：不同 miRNA 在 RISC 中的加载比例在人类细胞系中差异可达 100 倍以上，该机制具有 miRNA 特异性且受到主动调控。 内源性 miRNA 的缓冲作用：内源性 miRNA 可缓冲外源性 miRNA 模拟物的效应。实验表明： ① 对内源性表达较高的 miRNA（如 miR-20），外源模拟物即使在高浓度下也无明显基因沉默效果； ② 对内源性表达较低的 miRNA（如 miR-26），模拟物能产生剂量依赖性的沉默效果，最高可达 80%。 治疗安全性启示：这种内源性缓冲机制可能提高 miRNA 替代疗法的安全性。疾病组织常伴随 miRNA 表达下降，因此对模拟物更敏感；而健康组织因内源性 miRNA 水平较高，可维持稳态，减少靶向副作用。 一句话概括：miRNA 快速合成但缓慢加载、存在降解和竞争机制、RISC 加载比例差异大、内源性 miRNA 缓冲外源模拟物效果、这对治疗安全性有好处。 设计原理 合成siRNA 基本特征与目标 作用：合成 siRNA 旨在实现对单一靶基因的特异性、高效沉默，通常在实验和临床中可实现 >80%的敲低效果。 结构：典型的合成 siRNA 是长~22nt 的双链 RNA，具有完全互补的 Watson-Crick 配对，3' 端通常有 2nt 突出，模拟 Dicer 切割产物以促进 AGO 加载。 修饰性：化学合成的 siRNA 序列明确、易于生产，且适合进行广泛的化学修饰。 关键蛋白与切割机制 AGO2 是唯一能切割目标 mRNA 的 AGO 蛋白，对于 siRNA 介导的基因沉默至关重要。 切割发生在目标 mRNA 上与 siRNA 反义链第 10 和第 11 个核苷酸相对的磷酸二酯键。 长度与活性的关系 siRNA 的长度与 miRNA 相似并非偶然。 ① 过短的 dsRNA（≤15nt）会失去 RNAi 活性。 ② 过长的 dsRNA（>30nt）会激活蛋白激酶 R（PKR），从而刺激先天免疫反应。 25-27 nt 的 Dicer 底物 siRNA（DsiRNA） 比传统的 22 nt siRNA 效力更强，但 Dicer 加工过程与核苷酸化学修饰之间的相互干扰限制了其临床发展。 其他 siRNA 变体 单链 siRNA（ss-siRNA） ① 需要额外的 5'-磷酸修饰。 ② 其效力通常显著低于 ds-siRNA，但新报道的设计策略已能提高其效力。 ③ 优势：避免了正义链误载的风险，且细胞摄取可能更好。 小发夹 RNA（shRNA） ① 优势：可通过病毒载体递送，适用于难以转染的原代细胞和非分裂细胞；来自质粒的 AAV 可以转染到宿主基因组中，实现稳定表达。 ② 主要风险：shRNA 需要细胞核内的转录加工，有过量饱和 miRNA 生物合成途径的风险，因此其剂量和序列必须仔细优化。 误载风险与对策 siRNA 的正义链通常会被降解，但极少数情况下可能被误载入RISC，导致意外的脱靶效应。 已开发出有效的化学修饰来避免误载或消除正义链活性，例如：2'-O-甲基化、5'-O-甲基化、5'-吗啉代、5'端配体偶联。 siRNA 设计的指导原则 目标：高效力、高代谢稳定性、减少脱靶效应、消除免疫刺激。 策略：序列优化、化学修饰和实验筛选。 miRNA模拟物 设计基础：内源性 miRNA 的特性 生成：内源性的前体 miRNA 发夹结构，经由 Dicer/TARBP2 复合物加工，可分别从其 5' 端和 3' 端产生一条成熟的 miRNA，即 -5p 链和 -3p 链。 差异：-5p 链和-3p 链是两条不同的 miRNA。它们拥有不同的种子序列和靶基因群，执行不同的生物学功能，并且表达水平也通常不同。这一特性使得通过 DNA/病毒载体或合成前体来表达外源性 miRNA 时，因无法分别控制两条链的表达，治疗应用受限。 设计现状 主流设计形式：目前被深入研究和进入临床试验的 miRNA 模拟物，通常是长约 21nt 的双链 RNA。 设计相对滞后：与成熟的 siRNA 设计相比，miRNA 模拟物的设计和化学修饰是相对被忽视的研究领域。 单链模拟物：虽有研究显示其具有 RNAi 活性和细胞效应，但与 ss-siRNA 优缺点类似，尚未得到充分发展和广泛应用。 核心设计要素 引导链：序列与内源性目标 miRNA（-5p 或 -3p）完全一致。为了提高稳定性，可借鉴 siRNA 的成熟化学修饰策略应用于向导链。 乘客链 ① 设计原则：商业公司通常根据 miRBase 数据库的序列合成乘客链，并采用专有的化学修饰使其失活，以降低误载风险。 ② 验证：尽管对乘客链设计的公开讨论不足，但独立实验室测试表明，市售模拟物通常能实现正确的选择性装载，并且乘客链:引导链的比例较低（≤10-15%）。 ③ 设计实例：针对 miR-15/16 家族的模拟物，其乘客链两端各含有 4 个 2'-O-甲基修饰的核苷酸；miR-29b-3p 模拟物的乘客链进行了 2'-O-甲基修饰，并在 3' 端偶联了胆固醇，以增强细胞摄取能力。 商业化、知识产权与研究注意事项 主要来源：商业化 miRNA 模拟物是目前基础科研中的主要工具，因其易于获取且提供了明确的链选择控制。 信息不透明：进入临床试验的模拟物由各公司独立开发，其完整设计原理常因知识产权保护而不完全公开。 研究者须知：研究人员必须意识到潜在风险，包括乘客链误载的可能性，以及不应完全依赖制造商进行质量控制，开放、透明的产学界交流将有益于该领域发展。 治疗应用中的挑战 本部分核心在于对比 siRNA 与 miRNA 模拟物在治疗应用中的根本性差异：siRNA 面临脱靶（off-target）与靶上 （on-target）副作用的双重挑战；而 miRNA 模拟物则凭借其条件依赖性和协同多靶点效应，展现出独特的安全性与治疗潜力。 siRNA的主要挑战：精准与选择性问题 1. 脱靶效应（Off-target Effects） 成因与机制：siRNA可能通过类似 miRNA 的“种子区”（第 2-8 位核苷酸）与大量非目标 mRNA 发生部分互补结合，导致非预期基因沉默（“miRNA 样脱靶效应”）。 脱靶效应的特点 ① 浓度依赖性：脱靶效应随 siRNA 浓度升高而增强。 ② 广泛且难以预测：任意 7nt 随机序列平均可匹配至少 17 个不同的 3′-UTR，说明脱靶潜力巨大。即使替换种子区序列能消除原有脱靶效应，但也可能产生新的脱靶基因集合，因此脱靶效应难以精确预测与控制。 ③ 物种特异性：小鼠与人类细胞中的脱靶基因调控谱重叠较少，说明基因组背景和转录组特征影响脱靶效应。这种物种特异性显著增加了临床前评估的复杂性和成本。 毒性表现：在临床前研究中可导致细胞死亡、生长抑制、肝毒性等，是部分 siRNA 药物（如 ALN-AAT、Revusiran）研发中止的原因。 缓解策略及其局限性 ① 混合多个 siRNA：将多个 siRNA 混合使用以稀释单个 siRNA 的脱靶效应。但效果不稳定，且可能引入新 siRNA 的脱靶风险。 ② 化学/结构修饰：如反义链 2′-O-甲基化修饰可将脱靶基因数量从 ~40% 降至 ~20%；使用 LNA、引入“凸起”结构等，以降低种子区 RNA-RNA 相互作用稳定性。但可能削弱有效结合或无法完全消除。 2. 靶上副作用（On-target Side Effects） 核心问题：siRNA 缺乏器官选择性。全身给药后广泛分布，在所有抵达的器官中无差别地敲低目标基因。 证据：动物实验证实，siRNA 在肝、肾、脾、肺等多个器官均能实现高效敲低（80-90%）。 递送策略的局限：尽管开发了配体靶向递送（如 GalNAc 靶向肝脏），但对肝外器官仍缺乏普遍高效的靶向系统，导致非目标器官的“靶上”基因沉默可能产生副作用。 评估现状：研究多关注目标器官疗效，对非目标器官的副作用评估不足，主要依赖血清指标和病理学，缺乏直接的目标基因表达数据。 miRNA模拟物的独特属性：智能与网络化调控 . 条件依赖性（Context-Dependency） 健康 vs. 疾病状态 ① miRNA 模拟物的效应在病理环境下被“激活”或增强。 ② 例证：miR-133a、miR-221、miR-29b 等模拟物在疾病模型（心脏压力过载、心梗、肺纤维化）中发挥保护或治疗作用，但在对应健康组织中无影响或影响甚微。这构成了其内在的安全性缓冲。 细胞/组织类型特异性 ① 现象：miRNA 表达本身具有组织特异性（如肝 miR-122，心 miR-133）。 ② 功能差异：同一 miRNA 在不同细胞类型中可能调控不同靶基因，产生截然不同的功能（如 miR-221/222 在血管平滑肌细胞促增殖，在内皮细胞作用相反）。 ③  潜在机制：包括细胞类型特异性的 3'-UTR 缩短（导致结合位点丢失）、同工 miRNA（isomiRs）和 RNA 结合蛋白（RBPs）的调控。 协同多靶点效应（Synergistic Multi-Target Effects） 核心机制：单个 miRNA 通过种子区配对，可轻度抑制（30-60%）数十至数百个靶基因。多个靶点的微弱变化叠加，通过影响整个信号网络产生强大的表型输出。 例证（vs. siRNA）： ① let-7 模拟物：同时轻度抑制 H-Ras 和 HMGA2 等多个癌基因，在体内外抗肿瘤效果（>70% 肿瘤缩减）优于分别用 siRNA 强力敲低单个基因的效果。 ② miR-135a-3p 模拟物：抑制内皮细胞迁移的效果优于专一强力敲低其主靶点 HIP1 的 siRNA，且联用无增效。证明多靶点协同网络优于单靶点强效抑制。 多 miRNA 协同： ① 成簇 miRNA：~40% miRNA 成簇分布，功能协同（如 miR-17 簇、miR-221 簇共同调控细胞周期）。 ② 非关联 miRNA 联用：如 miR-34a 与 miR-15/16 联用，在抑制癌细胞上显示协同效应。 总结对比 miRNA功能的独特调控机制 这部分内容系统阐述了调控 miRNA 功能的五个核心层面：序列变体（IsomiRs）、蛋白互作（RBPs）、靶标景观改变（APA）、分子间竞争（ceRNA）及化学标记（修饰）。这些机制相互交织，共同决定了 miRNA 在特定细胞类型和病理状态下的特异性功能，是开发高效、安全 miRNA 模拟物疗法必须深入理解的基础。 IsomiRs（miRNA异构体） 定义与普遍性：isomiR 是指与典型 miRNA 序列存在细微差异的变体，，在生物体内广泛存在。其表达谱具有细胞类型和条件（如疾病状态）特异性，某些 isomiR 甚至比其典型形式更丰富。 三种主要产生机制（Fig. 2A） 选择性 Drosha 和 Dicer 加工：加工酶（如受 ADAR 影响的 Drosha/Dicer）在切割前体时的位点变化，导致产生 5′ 或 3′ 端长度不同的 isomiR。 RNA 编辑：主要发生在 pri-miRNA 阶段，由 ADAR（催化 A→I）和 APOBEC1（催化 C→U）等酶介导的转录后序列改变。 非模板核苷酸添加：主要在成熟 miRNA 的 3′ 端添加腺苷或尿苷，影响其稳定性。 Fig. 2(A) IsomiR 异构体通过三种机制产生。 功能意义 5′ isomiR：可能通过改变“种子区”序列来影响靶基因识别。例如，miR-411 的 5′ isomiR（多一个腺苷）在缺血条件下表达上调，其靶基因谱与典型 miR-411 不同，且能抑制细胞迁移（典型形式无此功能）；5′ 端是核苷酸（U 或 A）还可能影响其被加载到不同的 AGO 蛋白（如 AGO1 或 AGO2/4）中。 3′ isomiR：较少被研究，一般认为影响 miRNA 的稳定性与周转。例如，miR-222 的 3' 端延伸异构体可能通过抑制 PI3K-AKT 通路表现出与其典型形式（抗凋亡）相反的促凋亡活性。 检测方法：主要依赖小 RNA 深度测序，传统 qPCR 难以区分 isomiR 亚型。 研究意义：isomiR 在疾病（如癌症、神经退行性疾病）中表达异常，具有生物标志物潜力。 RNA结合蛋白（RBPs） RBPs 在 miRNA 生命周期和功能中扮演的关键调控角色，主要分为两大方面（Fig. 2B）： 1. 调控 miRNA 的生成（Biogenesis）：RBPs 可以通过结合 pri-/pre-miRNA，在转录后水平精细调控成熟 miRNA 的表达量，这种调控具有条件依赖性和序列特异性。 2. 调控 miRNA 的靶向作用（Targeting）：RBPs 结合在靶标 mRNA 的 3'-UTR 上，可通过改变 mRNA 局部二级结构来“暴露”或“遮蔽” miRNA 结合位点，从而充当 miRNA 功能的“开关”。典型例证： HuR 蛋白：在应激条件下从核内转移至胞质，可动态促进或抑制特定 miRNA（如 let-7、miR-331）与其靶标的结合。。 PUM1 蛋白：其结合模体常富集于 miRNA 位点附近。研究表明，PUM1 能改变 p27 mRNA 的结构，促进 miR-221/222 对其的抑制。在缺乏 PUM1 的心脏中，miR-221 则不能下调 p27，这解释了为何心脏应用 miR-221 模拟物能改善功能而不引发异常增殖。 总结：RBPs 作为关键的转录后调控因子，一方面通过影响 miRNA 的加工成熟来控制其“量”，另一方面通过重塑靶标 mRNA 的结构来调控 miRNA 的“效”。它们与 miRNA 共同构成了复杂且条件特异性的基因调控网络和反馈环路。 Fig. 2(B) RNA 结合蛋白：①通过与 pri-/pre-miRNA 结合，正向或负向调控 miRNA 生物合成；② 通过结合 mRNA 3'-UTR，增强或抑制 miRNA 的靶向作用。 选择性多聚腺苷酸化（APA） 定义：APA 也被称为 3'-UTR 缩短，是 mRNA 成熟过程中的一个关键步骤。它指的是在基因的 3'-UTR 存在多个潜在的切割加尾位点，通过选择使用不同下游位点，可以产生长度不同的 3'-UTR mRNA 异构体（Fig. 2C）。 调控因子：由剪切因子复合物（如 CFIm、CFIIm）调控，其中 CFIm25（由 NUDT21 基因编码）是研究最深入的调控蛋白之一，对 APA 位点的选择至关重要。 普遍性：这是一个非常普遍的现象。在人类基因中，>54% 的基因拥有不止一个 poly(A) 位点，意味着它们可以转录出不同 3'-UTR 长度的异构体。 Fig. 2(C) 选择性多聚腺苷酸化/3'-UTR缩短：可导致 mRNA 3'-UTR 上的 miRNA 结合位点丢失。 功能影响：由于 miRNA 主要通过 3'-UTR 结合发挥作用，APA 导致的 3'-UTR 缩短可能直接“删除”miRNA 结合位点，使该 mRNA 异构体“逃逸” miRNA 的抑制，导致蛋白表达上调。 在骨骼肌干细胞中，Pax3 基因的 APA 产生长、短两种3'-UTR 异构体，只有长异构体受 miR-206 调控，从而精细调控 PAX3 蛋白水平以指导细胞分化。 心脏缺血预适应中，HSP70.3 基因通过 APA 产生短异构体，丢失了 miR-378* 结合位点，导致 HSP70.3 蛋白表达增加，保护心肌细胞。 反例：在谷氨酰胺酶基因中，NUDT21 敲低导致的 APA 产生了一种短异构体，反而保留了 miR-23 的结合位点，使其对 miR-23 模拟物的抑制更加敏感。这可能是因为较短的 UTR 结构更开放，易于 miRNA 接近。 与疾病关联：广泛的 3'-UTR 缩短已被证实与癌症发生、转移、纤维化、心肌肥厚等多种病理过程密切相关。 竞争性内源性RNA（ceRNA） 核心机制：circRNA、lncRNA、假基因转录本等 RNA 分子，可通过自身序列上互补的“miRNA 反应元件”（MRE）像海绵一样吸附（“海绵化”）特定的 miRNA，从而削弱该 miRNA 对其原始靶标的抑制作用（Fig. 2D）。 特点与意义：ceRNA 的表达具有高度组织特异性和疾病相关性（例如，脑内高表达的 ciRS-7 可海绵吸附 miR-7，影响脑发育）。ceRNA 网络构成了调控 miRNA 功能的重要层面，也是影响 miRNA 模拟物疗效的内在因素。 相关研究资源：starBase v2.0 数据库。 核心机制：circRNA、lncRNA、假基因转录本等 RNA 分子，可通过自身序列上互补的“miRNA 反应元件”（MRE）像海绵一样吸附（“海绵化”）特定的 miRNA，从而削弱该 miRNA 对其原始靶标的抑制作用（Fig. 2D）。 特点与意义：ceRNA 的表达具有高度组织特异性和疾病相关性（例如，脑内高表达的 ciRS-7 可海绵吸附 miR-7，影响脑发育）。ceRNA 网络构成了调控 miRNA 功能的重要层面，也是影响 miRNA 模拟物疗效的内在因素。 相关研究资源：starBase v2.0 数据库。 Fig. 2 (D) 竞争性内源 RNA：作为 miRNA海绵，包括 circRNA、lncRNA、3'-UTR 尾段等，调控 miRNA 功能。(E) miRNA化学修饰。 miRNA修饰 研究背景与现状对比 mRNA 修饰：已被广泛研究，发现了 >100 种化学修饰（如 m7G、m6A），这些修饰可改变 mRNA 的功能或稳定性。 miRNA 修饰：相关研究仍处于早期阶段，属于“很大程度上尚未被探索”的领域。 m6A（N6-甲基腺苷）修饰 存在位置：富集于 pri-miRNA 上。 关键作用：该修饰对于 Drosha/DGCR8 酶复合物识别并正确加工 pri-miRNA 成为 pre-miRNA 至关重要，是 miRNA 成熟的关键调控步骤。 成熟 miRNA 的甲基化修饰 具体类型：包括 5-甲基胞嘧啶（5mC）、m6A 和 m1A。 与疾病关联：在胃肠道的癌细胞中，这些甲基化修饰水平显著高于正常组织，且相应的 RNA 甲基转移酶表达上调，提示其可能与肿瘤发生发展相关。 氧化修饰：在氧化应激条件下，miR-184 可被活性氧氧化，导致 miR-184 获得全新的功能——能够靶向原本不作用的两个抗凋亡蛋白基因（Bcl-xL 和 Bcl-w），从而诱导细胞凋亡。这证明化学修饰能根本性改变 miRNA 的功能。 miRNA功能评估的预测和验证方法 非经典的miRNA-靶标相互作用 定义：不遵循经典“种子区-3'UTR”配对规则的 miRNA-mRNA 相互作用。 主要类型 结合位置非经典：可发生在 mRNA 的编码区、5'-UTR，甚至基因启动子区。 结合模式非经典：配对时存在凸起、G-U 摆动配对、错配，或完全不依赖种子区的“无种子”结合。 Table. miRNA-mRNA canonical and non-canonical interactions 靶点鉴定技术的演进：从单靶验证到到高通量发现 1. 传统局限：早期依赖克隆+荧光素酶报告基因实验，一次只能验证单个 miRNA-靶标对进行验证，通量低。 2. 技术突破——AGO-CLIP系列 原理：通过紫外交联将 miRNA-mRNA 复合物“锁定”在 AGO 蛋白中，经免疫沉淀与测序，直接捕获细胞内真实的结合位点。 AGO-CLIP (HITS-CLIP)：可绘制 miRNA 的靶点组（如发现 miR-133a 在心脏中有大量未预测靶点），并揭示非经典相互作用的普遍性（占所有相互作用的 15-80%），但其推断的配对关系依赖于计算分析。 CLASH（技术升级）：在 AGO-CLIP 基础上增加 RNA分子间连接步骤，能直接获得配对的双链序列，证据更确凿。 关键发现：证实超过一半的人类 miRNA-mRNA 相互作用含有非经典配对；不同 miRNA 有位置偏好性（如有的偏爱 3'UTR，有的偏爱编码区）；编码区结合位点出现频率高（占 40-60%）且保守；编码区结合可能更有效抑制翻译，而 3'UTR 结合更易导致 mRNA 降解。 MiRNA targetome 靶点组是指一个 miRNA 在特定细胞和生理/病理状态下调控的所有靶基因集合。 鉴定靶点组的主要挑战 高度依赖性：miRNA 的靶点组是随细胞类型和生理/病理状态而变化的，这使其完整鉴定非常困难。 研究匮乏：尽管 miRNA 研究众多，但专门针对其靶点组的研究极少（仅占 ~0.1%），尤其在人类疾病模型中。 技术局限：即使是 CLASH 等技术，有效杂交体读长占比也很低（~2%），信噪比有待提高。 主要研究方法 计算机预测：最常用的是基于 “种子区配对”规则的算法（如 TargetScan），但已证实存在大量不遵循此规则的非经典靶向作用。 实验验证：依赖 AGO-CLIP-seq 等高通量技术。需要继续优化实验方法（如 PAR-CLIP、iCLIP）和改进数据分析算法与数据库。 Fig. 3 miRNA 靶点组分析 传统方法（左）：通过功能增益或缺失实验操纵 miRNA，随后进行 mRNA 测序或微阵列分析。通过比较 mRNA 失调数据集与靶点预测数据集，来确定 miRNA 诱导的基因调控。先进方法（右）：通过紫外交联免疫沉淀结合高通量测序（HITS-CLIP 或 AGO-CLIP）分离与 Ago 蛋白结合的 RNA。该方法利用紫外交联 Ago 蛋白与 RNA，用 RNase 将 RNA 消化成 ~50-100 nt 的片段，进行 Ago 免疫沉淀，分离并回收 Ago 结合的 RNA，进行 RNA 测序，最后通过生物信息学分析推断 miRNA-mRNA 相互作用。更先进的技术是交联、连接及杂交体测序（CLASH）。由于此方法检测的是 Ago 蛋白负载的 mRNA，因此能够发现非经典靶点。 药效学标志物 (PD) 定义与重要性：PD 标志物用于监测治疗引起的分子水平响应，是评估 RNAi 疗法生物活性的关键指标，包括“机制验证”（命中靶点）和“概念验证”（产生预期分子效应）。 siRNA 的 PD 标志物 标准明确：靶基因的 mRNA 或蛋白水平的降低是金标准 PD 标志物。 监测便利：对于肝脏等特定器官表达的基因，其蛋白产物常可分泌入血（如 TTR、ALAS1），因此可在血清甚至尿液中方便地进行无创监测。 miRNA 模拟物的 PD 标志物 多靶点特性：同时调控多个基因，需开发包含多个指标的 “标志物组合”。 抑制程度温和：对单个靶基因的下调幅度较小，不易检测。 靶点组认知有限：对 miRNA 的全部作用靶点了解不足，增加了不确定性。 样本获取难：靶蛋白不一定分泌到循环系统中，而靶组织活检又难以常规获取。 开发实例与原则 实例 1. Remlarsen (miR-29b 模拟物)：通过对比基因表达谱，构建了包含 5 个直接靶基因和 19 个功能相关基因的 24 个标志物组合，并在多物种中验证，最终筛选 16 个用于临床试验。 实例 2. MRX34 (miR-34a 模拟物)：在临床前（肿瘤组织）和临床（外周血白细胞）中分别建立标志物组合，但因样本类型不同，两组仅重叠 2 个基因，凸显了寻找替代样本的挑战与尝试价值。 核心原则： ① 基于靶点组：标志物组合应包含多个直接靶基因及下游信号网络和功能基因。 ② 探索可及样本：理想是在靶组织测量，但必须积极开发血液、尿液等无创替代样本的检测方法。 ③ 个体化开发：需要针对每一个候选 miRNA 疗法，进行特异性的 PD 标志物识别与验证。 miRNA模拟物临床试验 Remlarsen（miR-29b 模拟物） 靶点：miR-29 家族（miR-29a/b/c） 适应症：瘢痕疙瘩（Keloid，一种皮肤纤维增生性疾病） 机制 miR-29 在成纤维细胞中高表达，在纤维化疾病中下调。 靶向多个胶原蛋白、细胞外基质（ECM）基因及 TGF-β1 信号通路，发挥抗纤维化作用。 递送方式：局部给药（皮肤伤口） 临床试验阶段：II 期（进行中） 试验设计：双盲、安慰剂对照，每周 5.3 mg，连续两周，共 6 剂。 已知结果 临床前研究显示可抑制切口伤口中的增生性瘢痕形成。 尚无器官分布和潜在脱靶效应的详细数据。 TargomiRs（miR-16 模拟物） 靶点：miR-15/16 簇（抑癌 miRNA，在多种肿瘤中下调） 适应症：恶性胸膜间皮瘤 机制：通过多靶点作用抑制肿瘤：靶向细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）、VEGF通路（抑制肿瘤生长）和 BCL2（促进凋亡）。 递送系统 模拟细菌微细胞（non-living bacterial minicells）封装 miR-16 模拟物。 表面标记抗 EGFR 双特异性抗体，靶向 EGFR 阳性癌细胞。 药代动力学：小鼠模型中，给药 2h 后，药物在肿瘤和肝脏中分布分别为 30% 和 40%；6-24h 后主要富集于肿瘤组织（浓度约 500→200 μg/g 组织）。 临床试验阶段：I 期已完成，计划 II 期 已知结果 I 期试验中，22 例患者中有 16 例肿瘤生长得到稳定控制。 体外实验显示，对 4 种人间皮瘤细胞系具有剂量依赖性增殖抑制作用，但对正常间皮细胞无影响。 MRX34（miR-34a 模拟物） 靶点：miR-34 家族（miR-34a/b/c，在多种肿瘤中下调） 适应症：肝细胞癌及其他晚期实体瘤（伴肝转移） 机制 靶向 30 多个癌基因，涉及细胞周期（如CDK4）、转移与上皮-间质转化（如Wnt/β-catenin、MAPK、Hedgehog、VEGF、c-MET）、凋亡（BCL2）及免疫检查点（PD-L1）。 在 5 种人肺癌细胞系中抑制增殖 15-70%，但对原代T细胞、正常皮肤或肺成纤维细胞无影响。 递送方式：静脉给药，脂质纳米颗粒封装 临床试验阶段：I 期（已终止） 结果 66 例患者中，19 例肿瘤生长受到抑制。 患者肝活检原位杂交证实了 miR-34a 的成功递送。 终止原因：免疫相关严重不良事件（SAEs） 推测与 miR-34a 的多靶点特性有关，包括抑制免疫检查点基因 PD-L1 和 LGR4。 出现的综合征类似于 PD-L1 抑制剂治疗引起的免疫反应，靶向 LGR4 可能增加了 TNFα、IL11、CXCL5 和 CCL2 的表达。 总结 miRNA 模拟物与 siRNA 均为人工合成的 ~22nt 的双链 RNA，通过相同的细胞 RNA 干扰机制发挥作用。目前 siRNA 药物发展较为成熟，已有多个 FDA 批准或进入后期临床试验的疗法，而 miRNA 模拟物的研发则相对滞后。 siRNA 设计用于高效沉默单一靶基因，但其可能通过“种子配对”机制产生类似 miRNA 的脱靶效应，虽可通过序列优化与化学修饰缓解，仍是一个重要问题。此外，siRNA 缺乏器官选择性，会在分布的所有组织中抑制靶基因，可能引起靶向副作用。目前成功的 siRNA 疗法主要集中于局部递送（如眼部）或肝脏靶向，这得益于 GalNAc-ASGPR 这类高效的肝脏特异性递送系统，但类似系统在其他器官中尚未实现，限制了 siRNA 的广泛应用。 相比之下，miRNA 模拟物模仿内源性 miRNA，具有多靶点调控特性，对单个基因的抑制虽较温和，但通过对多个靶点的协同调控可产生显著的表型效应。其活性受复杂调控网络影响，如同型 miRNA、RNA 结合蛋白、3′-UTR 缩短及竞争性内源性 RNA 等，使其表现出疾病与健康状态或不同细胞类型中的功能差异，这为在疾病组织中增强疗效、在健康组织中维持稳态提供了可能，有助于减少副作用。 在疗效评估方面，siRNA 通常以靶基因的表达水平作为关键药效标志物；而 miRNA 模拟物因其多靶点特性，需依赖一组包括直接靶点与下游功能基因在内的组合标志物进行系统评价，这对标志物的可及性提出了更高要求。 总之，miRNA 模拟物作为一类具有独特优势的 RNA 治疗方法，虽在调控机制理解和标志物开发上面临挑战，但其疾病选择性、多靶点协同与上下文依赖性的特点，为治疗复杂疾病及克服系统递送局限提供了新的治疗机遇。进一步阐明其调控机制将推动该领域向临床应用迈进。 参考资料 Wang P, Zhou Y, Richards AM. Effective tools for RNA-derived therapeutics: siRNA interference or miRNA mimicry. Theranostics. 2021 Aug 11;11(18):8771-8796. doi: 10.7150/thno.62642. PMID: 34522211. 如有侵权请联系删除。有误的地方敬请批评指正，欢迎交流讨论🤝

microRNA是一类长约22个核苷酸的非编码小RNA分子。它虽然不编码蛋白质，却在基因表达的精细调控中扮演着至关重要的角色，被誉为细胞的“精密调控器”或“基因表达的微管理器”。一、miRNA是什么？—— 核心机制简介 要理解miRNA，可以把它想象成一把万能钥匙，而信使RNA上与之互补的序列则是锁。 生成与加工：miRNA基因首先被转录成初级转录本，随后经过Drosha和Dicer等酶的两次切割，最终形成成熟的miRNA双链。 作用机制：成熟的miRNA与AGO蛋白等组装成RNA诱导的沉默复合体。这个RISC复合物会利用miRNA作为“向导”，去寻找与之部分互补的靶mRNA。 如果完全互补：RISC会直接切割并降解靶mRNA。 如果部分互补（在动物中更常见）：RISC会抑制靶mRNA的翻译，并加速其降解。 核心特征：一个miRNA可以调控数百个不同的靶mRNA；而一个mRNA也可能受到多个miRNA的协同调控。这种“一对多”和“多对一”的模式构成了复杂的调控网络，使得微小的miRNA能对细胞状态产生巨大的影响。二、为什么miRNA是持续的科研热点？（研究方向与热点领域） miRNA研究横跨基础生物学和临床医学，热点层出不穷，主要集中在以下几个方面： 研究领域 核心内容与热点 miRNA与疾病作为“致癌基因”或“抑癌基因” 例如，miR-21在多种癌症中高表达，促进细胞增殖和转移；而miR-34家族则作为p53通路的下游，诱导细胞凋亡，其低表达与肿瘤发生相关。miRNA作为疾病生物标志物“液体活检”的核心 miRNA在血液、唾液、尿液等体液中非常稳定。检测特定miRNA谱（如血液中miR-21的高表达或miR-122的低表达）可用于疾病的无创早期诊断、预后判断和疗效监测。miRNA作为治疗靶点“恢复”或“抑制” •miRNA拮抗剂：用于抑制过高的致癌miRNA。例如，通过化学修饰的antagomir来沉默miR-21，已在临床前研究中显示出抗肿瘤效果。• miRNA模拟物：用于补充过低的抑癌miRNA。例如，将合成的miR-34模拟物输送到肿瘤中，恢复其功能。 miRNA与信号通路细胞命运的“调控节点” 研究miRNA如何作为关键组件，精细调控发育、分化、代谢、免疫应答等核心信号通路（如TGF-β, Wnt, NF-κB等）。技术创新与应用前沿技术驱动 • 外泌体miRNA：研究外泌体包裹的miRNA如何进行细胞间通信，重塑微环境。• AI与大数据：利用人工智能和机器学习，从海量数据中预测新的miRNA-靶标关系，并构建调控网络。三、miRNA研究的重要意义 miRNA研究的意义深远，几乎渗透到生命科学和医学的各个角落： 基础科学意义：揭示生命调控的新维度 它揭示了除转录因子之外，还存在一个由非编码RNA主导的、更为精细和快速的转录后调控层，极大地丰富了我们对中心法则和基因调控网络复杂性的认知。 临床医学意义：提供全新的诊疗策略 作为诊断工具：提供了一种无创、便捷、高灵敏度的潜在诊断方法，尤其适用于癌症、心血管疾病等早期筛查和分型。 作为治疗靶点：开启了“靶向RNA”而非“靶向蛋白质”的新药研发思路。通过调节体内miRNA的水平，有望从根本上纠正疾病的基因表达异常。 作为预后指标：特定的miRNA表达谱与患者的治疗反应和生存期密切相关，有助于实现更精准的个体化治疗。 转化应用前景：推动精准医疗发展 由于miRNA的表达具有组织特异性和疾病特异性，它完美契合了精准医疗的理念。通过分析患者的miRNA谱，可以为患者“量身定制”最适合的诊断方案和治疗策略。四、挑战与未来方向 尽管前景广阔，miRNA研究走向临床应用仍面临挑战： 递送效率与靶向性：如何将miRNA模拟物或拮抗剂高效、特异性地递送到目标组织和细胞，同时避免被降解和脱靶效应，是最大的技术瓶颈。病毒载体、脂质纳米粒、外泌体等都是热门递送策略。 脱靶效应：由于miRNA作用的部分互补性，可能意外抑制非靶标基因，带来毒性。 复杂的调控网络：miRNA的“一对多”特性是一把双刃剑，在治疗时可能同时影响大量下游基因，其整体效应和长期安全性需要更全面的评估。 标准化问题：miRNA的检测、数据分析和解读需要统一的标准化流程，以确保结果的可靠性和可比性。 未来方向将聚焦于： 开发更安全、高效的递送系统。 深入理解miRNA在细胞间通信（尤其通过外泌体）中的作用。 开展更多临床试验，验证miRNA疗法的安全性与有效性。 整合多组学数据，系统解析miRNA在复杂疾病网络中的核心地位。总结 miRNA领域是连接基础生物学与临床医学的璀璨桥梁。它不仅帮助我们从更深层次理解生命的复杂性与疾病的本质，更催生了革命性的诊断技术和治疗理念。随着递送技术等瓶颈的突破，miRNA有望成为继小分子药物和抗体药物之后，又一类重要的治疗手段，在精准医疗时代扮演关键角色。