Hanahan und Weinberg65 haben vorgeschlagen, dass die Kennzeichen von menschlichem Krebs sechs biologische Fähigkeiten umfassen, die während der Tumorentwicklung erworben wurden, einschließlich der Aufrechterhaltung proliferativer Signalübertragung, der Umgehung von Wachstumssuppressoren, der Resistenz gegen den Zelltod, der Ermöglichung replikativer Unsterblichkeit, der Aktivierung von Invasion und Metastasierung sowie der Induktion von Angiogenese. Angesichts dieser abnormalen miRNA-Expression in Tumoren wird angenommen, dass die dysregulierten miRNAs eines oder mehrere der Krebsmerkmale für die Tumorinitiierung und -progression beeinflussen könnten. Abhängig von ihren Zielgenen könnte miRNA unter bestimmten Umständen entweder als Onkogen oder als Tumorsuppressor fungieren.

Wachstumsunterdrücker umgehen und proliferative Signale aufrechterhalten

Die Zellproliferation ist das wichtigste Kennzeichen von Krebs und seine Abnormalität ist die Hauptursache für die Tumorentstehung. Im Detail wird das Fortschreiten des Zellzyklus durch intrazelluläre Programme und extrazelluläre Signalmoleküle gesteuert, um das Gleichgewicht zwischen der Förderung der Zellproliferation und deren Unterdrückung zu erreichen. Zellen werden krebsartig, wenn das Zellwachstum oder die Zellteilung außer Kontrolle geraten. Im Laufe der Studienjahre wird deutlich, dass sich einige miRNAs funktionell in mehrere kritische Zellproliferationswege integrieren, und die Dysregulation dieser miRNAs ist dafür verantwortlich, Wachstumssuppressoren auszuweichen und die proliferative Signalübertragung in Krebszellen aufrechtzuerhalten.

Die E2F-Proteine, eine Familie von Transkriptionsfaktoren, sind wichtige Regulatoren der Zellproliferation in Abhängigkeit vom Zellzyklus. Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass miRNAs an der Regulation der E2F-Expression beteiligt sind. Das E2F-Mitglied E2F1 induziert die Zielgentranskription während des G1-S-Übergangs,66 und ist als Tumorsuppressor definiert, da die E2F1-defizienten Mäuse eine Vielzahl von Krebsarten entwickelten. O’Donnell et al.28 zeigte, dass miR-17-92 die E2F1-Translation hemmt, nachdem es durch c-Myc aktiviert wurde. In Anbetracht der Tatsache, dass c-Myc auch direkt die E2F1-Expression induziert, kann miR–17-920 als Bremse für diese mögliche positive Rückkopplungsschleife wirken, um sicherzustellen, dass die E2F1-Proteinspiegel als Reaktion auf die c-myc-Aktivierung nicht steil ansteigen.67 Es wurde auch festgestellt, dass der miR-17–92-Cluster die E2F2– und E2F3-Translation reguliert, 68 und die E2F-Transkriptionsfaktoren können wiederum die Expression des miR-17-92-Clusters induzieren.69 Daher bietet das Rückkopplungssystem zwischen miR-17–92-Cluster und E2F einen Mechanismus, um den regelmäßigen Zellzyklusverlauf unter normalen Bedingungen aufrechtzuerhalten. Eine Überexpression von miR-17–92, die bei mehreren Tumoren üblich ist, stört jedoch die Rückkopplungsschleife, um die Zellproliferation zu fördern.70

Die Zellzyklusprogression hängt von verschiedenen Cyclinen, Cyclin-abhängigen Kinasen (Cdks) und deren Inhibitoren ab, die weitgehend durch miRNAs reguliert werden. In: Hatfield et al.71 lieferte den ersten Beweis dafür, dass Drosophila-Keimbahnstammzellen mit Dicer-1-Knockout im G1 / S-Übergang blockiert sind, was darauf hindeutet, dass miRNAs erforderlich sind, damit Keimbahnstammzellen den normalen G1 / S-Checkpoint passieren können. Darüber hinaus zeigten Dicer-defiziente Keimbahnstammzellen eine erhöhte Expression von Dacapo, einem Mitglied der p21 / p27-Familie von Cdk-Inhibitoren, was darauf hindeutet, dass dieses Protein durch miRNAs negativ reguliert wird, um das Fortschreiten des Zellzyklus zu fördern. Tatsächlich wurde festgestellt, dass miR-221/222 direkt auf den Cdk-Inhibitor p27Kip1 in Glioblastomzellen abzielt72, was in anderen Krebszelllinien und Primärtumorproben weiter bestätigt wurde.73-75 Die ektopische Expression von miR-221/222 beschleunigte die Zellproliferation, während ihre Unterdrückung den G1-Zellzyklus-Arrest in Krebszellen induzierte. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die miR-221/222-Expression in einer Vielzahl von menschlichen Tumoren hochreguliert ist, was zeigt, dass die miR-221/222-Regulation von p27Kip1 ein echter onkogener Weg ist. Ähnlich wie p27Kip1, p21CIP1 und p16INK4a werden auch durch miRNAs wie miR-663, miR-302 und miR-24.76 reguliert, 77 miR-663 wurde bei Nasopharynxkarzinomen hochreguliert und wirkt als Onkogen, um den zellulären G1 / S-Übergang in vitro und in vivo zu fördern, indem es direkt auf p21CIP1 abzielt. Daher verdeutlicht die miR-663 / p21CIP1-Achse den molekularen Mechanismus der nasopharyngealen Karzinomzellproliferation.78 Zusätzlich zur Beeinflussung der Expression von Cdk-Inhibitoren sind miRNAs auch Regulatoren für die Expression von Cdk und Cyclin. Zum Beispiel führt miRNA-545 zu Zellzyklus-Arrest in Lungenkrebszellen durch Unterdrückung der Expression von Cyclin D1 und CDK4.79

miRNAs nehmen an der Zellproliferation teil, nicht nur durch Targeting von Zellzyklus-Komponenten, sondern auch durch umfassende Regulierung mehrerer Signalwege. Beispielsweise wurde festgestellt, dass miR-486, das bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs signifikant herunterreguliert ist, die Zellproliferation und -migration über den Insulinwachstumsrezeptor (IGF) und die PI3K-Signalwege beeinflusst, indem es auf IGF1, IGF1R und p85a abzielt.80

Widerstand gegen den Zelltod

Die Umgehung der Apoptose ist ein weiteres signifikantes Kennzeichen der Tumorprogression, von der angenommen wird, dass sie durch miRNAs reguliert wird.81,82 Tumorzellen entwickeln eine Vielzahl von Strategien, um die Apoptose zu begrenzen oder zu umgehen. Unter ihnen ist der Verlust der p53-Tumorsuppressorfunktion am häufigsten. Die alternativen Möglichkeiten, der Apoptose auszuweichen, umfassen die Hochregulierung von antiapoptotischen Regulatoren, die Unterdrückung proapoptotischer Faktoren und die Hemmung des durch extrinsische Liganden induzierten Todesweges. Die an der Anti-Apoptose beteiligten Komponenten werden durch miRNAs weitgehend gehemmt oder aktiviert.

Es wurde festgestellt, dass eine Reihe von p53-regulierten miRNAs an p53-Funktionen beteiligt sind, und einige dieser miRNAs können das p53-Niveau und die Aktivität auf Rückkopplungs Weise modulieren. Zum Beispiel Pichiorri et al.83 identifizierte, dass beim multiplen Myelom drei miRNAs (miR-192, miR-194 und miR-215) durch p53 transkriptionell aktiviert werden, um die Mdm2-Expression durch direkte Bindung an ihre mRNA zu unterdrücken, wodurch p53 vor Abbau geschützt wird. Diese miRNAs sind positive Regulatoren von p53 und ihre Herunterregulation spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des multiplen Myeloms. Es gibt eine weitere negative Rückkopplungsregelung, die zwischen miR-122 und p53 auftritt. MiR-122 fördert die p53-Aktivität über das Targeting von Cyclin G184 und zytoplasmatischem Polyadenylierungselement-bindendem Protein, 85, das die Zellempfindlichkeit gegenüber dem Medikament Doxorubicin erhöht und eine Grundlage für die Entwicklung einer kombinierten Chemo- und miRNA-basierten Therapie für hepatozelluläres Karzinom schafft.Die Dysregulation anderer p53-regulierter miRNAs verleiht auch Krebszellen, die gegen Apoptose resistent sind. Zum Beispiel ist miR-17-92-Cluster ein neuartiges Ziel für die p53-vermittelte Transkriptionsrepression unter Hypoxie. Seine Herunterregulation sensibilisiert Zellen für Hypoxie-induzierte Apoptose, während seine Überexpression die Apoptose hemmt. Daher können Tumorzellen mit erhöhter miR-17-92-Expression einer Hypoxie-induzierten Apoptose entkommen.86 Alle obigen Ergebnisse zeigten, dass p53 und seine regulierten miRNAs ein Netzwerk bilden, um das Zellschicksal unter normalen Bedingungen aufwendig zu bestimmen. Krebszellen mit dysreguliertem p53 oder seinen Ziel-miRNAs könnten jedoch in der Lage sein, dem Zelltod zu widerstehen.

Anti-apoptotische Regulatoren (Bcl-2 und Bcl-xL) und proapoptotische Faktoren (Bax, Bim und Puma) sind potenzielle Ziele einiger miRNAs, die eine wichtige Rolle beim Zelltod spielen. Wie oben diskutiert, sind miR-15a und miR-16-1 bei chronischer lymphatischer Leukämie signifikant herunterreguliert und ihre Expression korreliert umgekehrt mit der Bcl-2-Expression. Eine weitere Studie zeigte, dass diese beiden miRNAs die Bcl-2-Expression unterdrücken und Apoptose induzieren. Bcl-2 wurde auch durch andere miRNAs reguliert, wie miR-204,87 miR-148a88 und miR-365.89 Denoyelle et al.90 fanden heraus, dass miR-491-5p die Apoptose in Eierstockkrebszellen effizient induziert, indem es die Bcl-xL-Expression direkt hemmt und die Bim-Akkumulation induziert. MiR-221/222 hemmen die Zellapoptose, indem sie auf das proapoptotische Gen PUMA in menschlichen Gliomzellen abzielen. Und der Knockdown von miR-221/222 induziert PUMA-Expression und Zellapoptose, was darauf hindeutet, dass miR-221/222 potenzielle therapeutische Ziele für die Glioblastom-Intervention sein könnte.91

miRNAs sind auch daran beteiligt, dem Zelltod zu widerstehen, indem sie Komponenten des extrinsischen apoptotischen Weges wie den Fas-Liganden / Fas-Rezeptor regulieren. MiR-21, das häufig in einer Vielzahl von Krebsarten hochreguliert wird, übt eine anti-apoptotische Funktion in k-Ras-abhängigen Lungentumoren aus, indem es die Expression von Apaf-1, einer wichtigen Komponente des intrinsischen mitochondrialen apoptotischen Signalwegs, hemmt und die Proteinspiegel von Fas senkt Ligand, ein wichtiger Initiator des extrinsischen apoptotischen Signalwegs.92 Die Funktion von miR-21 wurde ferner durch die Beobachtung bestätigt, dass die ektopische Expression von miR-21 Krebszellen vor Gemcitabin-induzierter Apoptose schützte.93 Shaffiey et al.94 identifizierten, dass miR-590 die Fas-Ligandenexpression in AML unterdrückt, um das Zellüberleben zu fördern. Neben der Modulation der Ligandenexpression widerstehen dysregulierte miRNAs auch dem Zelltod, indem sie die Expression von Todesrezeptoren regulieren. Zum Beispiel Razumilava et al.95 fanden heraus, dass miR-25, das in malignen Cholangiokarzinomzellen überexprimiert wird, Zellen vor TNF-bedingter Apoptose-induzierender Liganden-induzierter Apoptose schützen kann, indem es auf den Todesrezeptor-4 (DR4) abzielt.

Aktivierung von Invasion und Metastasierung

Metastasierung ist ein komplexes, mehrstufiges und dynamisches biologisches Ereignis. Der epithelial-mesenchymale Übergang (EMT) gilt als ein früher und wichtiger Schritt in der metastatischen Kaskade, gekennzeichnet durch Verlust der Zelladhäsion durch Unterdrückung von E-Cadherin und Aktivierung von Genen, die mit Motilität und Invasion assoziiert sind. Es wird angenommen, dass EMT durch eine Vielzahl von Signalwegen wie den transformierenden Wachstumsfaktor (TGF) -β reguliert wird, die alle auf die wichtigsten Transkriptionsfaktoren wie ZEB, SNAIL und TWIST konvergieren.96

Wachsende Beweise zeigen, dass miRNAs eine wichtige Rolle bei EMT und Krebsmetastasen spielen. Es wurde festgestellt, dass TGF-β-regulierte miRNAs an der TGF-β-Signalisierung beteiligt sind, um EMT zu induzieren und die Metastasierung bei fortgeschrittener Malignität zu erleichtern. MiR-155 ist eine der an diesem Regulationsprozess beteiligten miRNAs. Es wird bei mehreren malignen Erkrankungen überexprimiert und transkriptionell durch TGF-β / SMAD4-Signalisierung aktiviert. Mechanistische Studien zeigten, dass miR-155 EMT fördert, indem es auf RhoA GTPase abzielt, einen wichtigen Regulator der zellulären Polarität und der Bildung und Stabilität enger Verbindungen. Der Knockdown von miR-155 unterdrückt TGF-β-induzierte EMT und Tight Junction Auflösung sowie Zellmigration und Invasion.97 Im Gegensatz zu miR-155 werden miR-200 und miR-203 durch TGF-β gehemmt. Es wurde gezeigt, dass die miR-200-Familie die EMT beeinflusst, indem sie die Expression der Transkriptionsrepressoren ZEB1 und ZEB2 von E-Cadherin hemmt.98 Das MIR-200-Primärtranskript wird wiederum auch von ZEB1 und ZEB2 unterdrückt,99 Es bildet sich eine doppelt negative Rückkopplungsschleife zwischen ZEB1 / ZEB2 und der miR-200-Familie. Diese Schleife wurde vorgeschlagen, um ein zentrales Dilemma in unserem Verständnis der metastatischen Kaskade zu erklären: Die miR-200-Expression ist in invasiven Brustkrebszellen mit erhöhtem Metastasierungspotential, die einen mesenchymalen Phänotyp vermitteln, signifikant herunterreguliert. Daher erhöht die erzwungene Überexpression von miR-200c in den Mesenchymzellen die Expression von E-Cadherin und fördert einen epithelialen Phänotyp durch Induktion von MET.100,101 Darüber hinaus sind die p53-regulierten miRNAs miR-200 und miR-192 kritische Mediatoren der p53-regulierten EMT, unterstützt durch die Beobachtung, dass diese miRNAs durch p53 transaktiviert werden und das EMT-Programm über die Unterdrückung der ZEB1 / 2-Expression modulieren.102,103

TWIST und SNAIL sind die beiden anderen wichtigen Transkriptionsfaktoren zur Förderung der epithelialen Motilität, Invasivität und Metastasierung durch Regulierung der Expression bestimmter miRNAs. Beispielsweise wird miR-10b in metastasierten Brustkrebszellen stark exprimiert und reguliert die Zellmigration und -invasion positiv, was durch direkte Bindung von TWIST an den mutmaßlichen Promotor des miR-10b-Gens induziert wird. Darüber hinaus induziert die ektopische Expression von miR-10b in nicht metastasierten humanen Brustkrebszelllinien SUM149 und SUM159 eine aggressive Invasion und Mikrometastasebildung in Mausmodellen mit schwerer kombinierter Immunschwäche, was eine experimentelle Validierung liefert, dass eine Überexpression einzelner miRNAs zur Metastasierung beitragen kann Bildung in vivo.104 Darüber hinaus sind miRNAs, die die Expression dieser EMT-Faktoren regulieren, auch für die Kontrolle der Metastasierung von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel ist miR-203 aufgrund der Hypermethylierung seines Promotors in stark metastasierten Brustkrebszellen signifikant herunterreguliert. Die Wiederherstellung von miR-203 in Brustkrebszellen hemmt die Invasion von Tumorzellen in vitro und die Kolonisierung von Lungenmetastasen in vivo durch Unterdrückung von SNAI2, was darauf hindeutet, dass die regulatorische Schleife von SNAI2 und miR-203 eine wichtige Rolle bei EMT und Tumormetastasen spielt.105,106

Weitere wichtige miRNAs, die an der Regulierung der Metastasierung beteiligt sind, sind miR-9 und miR-212. Die MiR-9-Expression wird durch c-Myc und n-Myc aktiviert, die beide direkt an den miR-9-3-Locus binden. Das Expressionsniveau von miR-9 korreliert eng mit der MYCN-Amplifikation, dem Tumorgrad und dem Metastasenstatus bei Neuroblastomtumoren. Bei primären Brusttumoren von Patienten mit Metastasen ist die miR-9-Expression viel höher als bei metastasenfreien Patienten, was bedeutet, dass miR-9 ein potenzieller Regulator des Metastasierungsprozesses ist. In: Ma et al. identifiziert, dass miR-9 die Expression von E-Cadherin in Brustkrebszellen durch direkte Bindung an seine 3′-Untranslate-Region reduziert. Die Folge der Herunterregulation von E-Cadherin durch miR-9 ist die Aktivierung der β-Catenin-Signalisierung, um die Expression nachgeschalteter onkogener Gene auszulösen, was zu einer erhöhten Zellmotilität und Invasivität führt. Die Funktion von miR-9 wird weiter durch die Tatsache bestätigt, dass die Hemmung von miR-9 unter Verwendung eines miRNA-Schwamms die Metastasenbildung im Tiermodell unterdrückt, was bedeutet, dass das MIR-9-Silencing einen neuen therapeutischen Ansatz bei fortgeschrittenem Brustkrebs darstellen kann, um die Metastasenbildung zu verhindern.107.108 MiR-212 ist in menschlichen CRC-Geweben aufgrund der Promotorhypermethylierung und des Verlusts der Heterozygotie signifikant herunterreguliert. Die Überexpression von miR-212 hemmt die CRC-Zellmigration und -invasion in vitro und die Lungenmetastasierung in vivo, indem sie auf die Expression von MnSOD abzielt, die für die Herunterregulation von Epithelmarkern und die Hochregulation von mesenchymalen Markern in CRC-Zellen erforderlich ist. Daher könnte miR-212 ein prognostischer Marker für CRC-Patienten sein, um ihr Überleben vorherzusagen, und sowohl miR-212 als auch MnSOD könnten auch therapeutische Ziele für Krebs sein.109

Angiogenese induzieren

Die Angiogenese ist ein hochkoordinierter Prozess zur Entwicklung neuer Blutgefäße aus bereits bestehenden, um den Bedarf an Nahrung und Sauerstoff bei Tumorwachstum und Metastasierung zu decken.110 Da Tumorgewebe eine signifikant niedrigere Sauerstoffkonzentration aufweisen als das umgebende normale Gewebe, spielt Hypoxie eine entscheidende Rolle in der Tumormikroumgebung, indem sie die Entwicklung und Erhaltung von Krebszellen ermöglicht. Der Hypoxie-induzierbare Faktor (HIF) ist ein wichtiger Transkriptionsfaktor als Reaktion auf Hypoxie, der die Expression einer Reihe von Genen, einschließlich miRNAs, beeinflusst. Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) ist ein zentraler angiogener Faktor, der Endothelzellen dazu bringt, neue Gefäße aufzubauen, wenn sie an ihre Rezeptoren binden.111 Daher haben miRNAs, die auf HIF- oder VEGF-Signalwege abzielen, wahrscheinlich einen signifikanten Einfluss auf die Angiogenese. Es ist nun gut dokumentiert, dass der Prozess der Angiogenese durch miRNAs aufwendig reguliert wird, von denen einige im Folgenden ausführlich beschrieben werden.

MiR-210 ist die konsistenteste und signifikant induzierte miRNA während der Hypoxie.112 Zwei unabhängige Studien zeigten, dass die miR-210-Überexpression in normoxischen humanen Nabelvenen-Endothelzellen die Bildung kapillarähnlicher Strukturen und die VEGF-abhängige Zellmigration stimuliert. Im Gegensatz dazu antagonisiert die miR-210-Blockade diese Prozesse.113,114 Darüber hinaus fördert miR-210 die Angiogenese nicht nur, indem es auf den Rezeptor-Tyrosinkinase-Liganden Ephrin-A3 abzielt, der ein antiangiogener Faktor ist113, sondern auch, indem es die Expression von VEGF und VEGF-Rezeptor-2 (VEGFR2) verstärkt.115

MiR-424 wird durch Hypoxie in Endothelzellen induziert, um die Angiogenese in vitro und in vivo zu fördern, indem es auf Cullin 2, ein Gerüstprotein für die Ubiquitinligase, abzielt. Dieser Prozess stabilisiert HIF1a und ermöglicht es ihm, die VEGF-Expression transkriptionell zu aktivieren.116 Eine weitere miRNA, die Angiogenese induziert, ist miR-21. Es zielt auf PTEN ab, um die nachgeschalteten Akt / ERK-Signalwege zu aktivieren, was zu einer hohen Expression von HIF1a und VEGF führt.117 Im Gegensatz dazu regulieren miR-20b und miR-519c die Angiogenese negativ, indem sie auf VEGF und / oder HIF1a abzielen.118.119 Neben der Regulierung von HIF1a konnte miR-107 die Expression von HIF1ß hemmen, so dass die Herunterregulierung von miR-107 die Tumorangiogenese unter hypoxischen Bedingungen fördert.120

Neuere Forschungen haben gezeigt, dass exosomale miRNA aus Krebszellen helfen könnte, die Tumormikroumgebung zu modulieren. Einer der Beweise wurde von Umezu et al. Sie beobachteten, dass miR-135b, das in Exosomen von hypoxieresistenten multiplen Myelomzellen überexprimiert wird, das Faktor-hemmende HIF1 (FIH-1) in Endothelzellen unterdrückt und so die Endothelröhrenbildung über den HIF–FIH-Signalweg fördert. Daher kann exosomales miR-135b ein Ziel für die Kontrolle der Angiogenese des multiplen Myeloms sein.121