人类生活的环境中存在多种辐射源，如太阳、宇宙射线等天然辐射源和医疗设备、核能生产中的人造辐射源[1]。随着核能和核能技术的广泛应用，人类可能暴露于核电站事故等高剂量电离辐射、放射治疗、职业暴露等长期低剂量辐射之中。研究表明，细胞暴露于电离辐射下会引起各种生理反应，包括DNA损伤修复、细胞周期阻滞、细胞凋亡和癌变。微小RNA(microRNA，简写miRNA）作为基因表达的调节因子能够影响多种信号通路，可能改变参与辐射反应的几个细胞过程，引起细胞发生一系列的变化[2]。因此本文从miRNA的生物合成、肿瘤相关信号通路的调控、DNA损伤反应3个方面阐述miRNA对辐射敏感性的影响，并阐明了miRNA在辐射防护和放疗中的生物标记作用，为肿瘤治疗和辐射防护提供思路。

1、miRNA对辐射敏感性的影响

放射治疗是癌症治疗的一种重要形式，约有2/3的癌症治疗使用这一方法[3]。放射治疗利用电离辐射诱导细胞失活并死亡。不同肿瘤及其周围正常组织具有不同的敏感性，提高肿瘤细胞的放射敏感性可以改善放射治疗的疗效，减轻毒性反应。目前越来越多的证据支持miRNA在调节辐射反应的信号转导通路中具有重要作用，因此miRNA调节细胞辐射敏感性已经成为影响放射治疗的潜在途径。

1.1miRNA的生物合成对辐射敏感性的影响

miRNA的生物合成过程中最主要的调节因子是核糖核酸酶Drosha、DICER和AGO2。Kraemer等[5]下调正常内皮细胞中的AGO2或DICER蛋白，抑制miRNA的表达，发现细胞的辐射敏感性增加。虽然AGO2或DICER蛋白的下调与多种miRNA的缺失有关，但Kim等[6]研究发现干扰素调节因子7(IRF7）通过降低AGO2的表达，特异性地抑制AGO2与抑癌相关miRNA的作用（如let-7、miR-15、miR-30、miR-34、miR-193和miR-708），诱导胶质瘤细胞的放疗抵抗。Liu等[7]敲除小鼠成纤维细胞中的DICER，降低let-7的生物发生、导致G1/S期过渡延长，增强细胞的辐射敏感性。但是Surova等[8]发现，虽然在耐辐射肺癌细胞系中，Drosha和DICER表达水平较高，但下调DICER或Drosha对细胞的辐射敏感性没有影响，调节miRNA的生物发生机制没有提高肺肿瘤的辐射敏感性。提示不同的细胞类型对放射治疗的敏感性显著不同，并且在正常细胞和肿瘤细胞中影响辐射敏感性的机制可能不同。

1.2miRNA调控肿瘤相关信号通路对辐射敏感性的影响

目前已经有研究证实有3条主要的促生存信号通路与放射治疗相关，包括PI3K/AKT通路、MAPK通路和NF-κB通路[9,10]。这些信号通路可以通过影响细胞凋亡和DNA损伤修复过程，对肿瘤的辐射敏感性产生巨大影响。

PTEN是一种抑癌基因，在调控肿瘤细胞生长、代谢等过程中发挥重要作用。PTEN负向调控PI3K活性，磷酸化AKT，激活下游多种凋亡相关蛋白，抑制细胞凋亡[10]。Zhou等[11]使用逆转录病毒转导法和反义寡核苷酸转染法分别促进和抑制肿瘤细胞中miR-21的表达，发现过表达miR-21靶向降低PTEN蛋白表达水平，增加AKT的磷酸化，降低白血病细胞辐射敏感性；相反，敲低miR-21水平，能够增加细胞敏感性。这项研究提示在缺乏PTEN的肿瘤细胞中恢复PTEN的表达可以增加肿瘤细胞的辐射敏感性。目前已证明有多种miRNA（如miR-221/222、miR-144、miR-519、miR-106b、miR-29b、miR-20a、miR-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[12,13,14,15,16,17,18]。PI3K/AKT通路的另一个重要成员AKT也可以通过miRNA直接调控。Wu等[19]通过荧光素酶检测证实，miR-150可以与AKT的3'UTR端结合，抑制AKT通路，增加淋巴瘤细胞的放射敏感性。

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、hsamiR-138-2-3p分别通过调控DUSP10、XIAP等重要调控因子激活JNK1/p38/MAPK信号通路，增强了癌细胞的辐射敏感性[21,22,23]。

NF-κB是细胞增殖和存活的重要信号通路。越来越多NF-κB信号通路中的蛋白如TLR1、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-κB信号通路，改善鼻咽癌放射耐药性[24,25]。Lan等[26]通过荧光素酶报告基因测定证实miR-15a/16与TLR1的3'UTR特异性结合，下调NF-κB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NFKB1蛋白，促进细胞凋亡和辐射敏感性，提高放疗效率。miRNA调控肿瘤相关信号通路对辐射敏感性的影响见图1。

1.3miRNA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DNA[29]，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。

1.3.1DNA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DNA-PKcs。ATM是影响辐射敏感性的重要位点。miR-223[31]、miR-338-5p和miR-26a[32]直接靶向ATM的3'UTR，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-421含量可以恢复ATM的表达，并降低辐射敏感性[34,35]。miR-101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[36]。ATRIP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损伤修复。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。

同源重组修复激活通过ATM/Chk2/p53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复[40]。CtIP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HeLa细胞中，过表达miR-335导致CtlP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CtIP下调。miR-182与BRCA1在3'UTR有3个结合位点，过表达的miR-182下调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(LIG4）是NHEJ通路中关键的DNA修复基因。电离辐射诱导miR-1246高表达，抑制了LIG4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LIG4的癌细胞。

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p53AIP1、Bcl-2、Apaf1[40,44]。Bcl-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Apaf1mRNA的3'UTR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miRNA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。

2、miRNA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]。

2.1miRNA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γ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-151-3p、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1～12Gy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。Yadav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1～3Gy、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复杂事件中的辐射的组成，影响这一方法的准确性。

2.2miRNA标记放疗效果

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11个miRNAs结合临床因素为每个患者生成了1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巴细胞内的miRNA水平，发现miR-410、miR-221的高表达是1～2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]。Li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-3p/let-7b-5p、miR-130a-3p/miR-19b-3p、miR-130a-3p/miR-374a-5p与肿瘤分期的表达比值较高。放疗后miR-130a-3p/let-7b-5p、miR-130a-3p/miR-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，目前已经证明多种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，监控癌症复发及转移情况，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。

文章来源：栗贺,刘亚,刘伟,龙伟.微小RNA的辐射敏感性和生物标记作用的研究进展[J].现代药物与临床,2021,36(09):1976-1982