生科院分細所蔡懷楨教授團隊揭開兩種微型核醣核酸對血管形成影響相反的奧秘榮登Nature Communications
微型核醣核酸(MicroRNAs, miRNAs)為一種小片段的非轉譯核醣核酸(non-coding RNA),長度約為19~22 nt,卻能抑制蛋白質的轉譯。人類基因有30~50%可表現蛋白質之mRNA受到這類miRNAs的調控。目前已有許多研究報導miRNA參與維持胚胎幹細胞多能性(pluripotency)、胚胎之型態發生(morphogenesis)、紅血球成熟過程(erythroid maturation)、癌細胞生成(tumorigenesis)、細胞凋亡(apoptosis),以及對環境壓力產生反應等作用。
miR-1與miR-206皆為肌肉專一型微型核醣核酸,從線蟲到人類都存在,在演化上具有高度的保守性。由於miR-1 (UGGAAUGUAAAGAAGUAUGUAU)與miR-206 (UGGAAUGUAAGGAAGUGUGUGG)具有相同的seed sequence (粗體序列:UGGAAUGU),若用生物資訊(bioinformatics)推測其目標基因(target genes)是無法區分的。因此,有學者把miR-1與miR-206因功能相同而把牠們視為一體,但「一體」論所得的結論與分開個別處理者又有些無法一致,至今仍然莫衷一是。為了解決這個問題,本實驗室選用斑馬魚作為研究材料,精心設計出了能有效專一地抑制miR-1或是專一地抑制miR-206的反義核酸序列(morpholinos)。結果發現當斑馬魚胚胎的miR-1被抑制或者miR-206被抑制時,在肌肉細肌絲排列上都會出現彎曲與混亂情形;但在血管新生(angiogenesis)方面卻出現截然不同的影響:抑制miR-1會造成節間血管生長停滯,而抑制miR-206卻會造成節間血管生長旺盛且血管內皮細胞核數目異常增加。這樣的結果顯示miR-1和miR-206對於血管新生是呈現完全相反的影響,而推翻了耶魯大學Prof. Giraldez 研究團隊去年(2012)在Development發表miR-1及miR-206為「一體」的論點。
本實驗室於2009年自行開發Labeled microRNA pull-down assay (LAMP)技術,直接利用細胞萃取物(whole cell extracts),外源性加入具有標示物標的之miRNA序列,再以可結合標示物之抗體進行pull-down實驗,進而得到可受miRNA結合之mRNA序列,再藉由microarray分析出miRNA之可能標的基因。我們使用LAMP assay system找到一個稱為絲氨酸-tRNA合成酵素(seryl-tRNA synthetase)的基因(sars),它會專門受到miR-1抑制而不受miR-206所抑制; 相反地,血管內皮生長因子的基因(vegfaa),它會專門受到miR-206抑制而不受miR-1所抑制。在斑馬魚活體胚胎中證實SARS蛋白的產生是受到miR-1專一的影響,並存在上游SARS會抑制下游VegfAa的調控關係。在抑制miR-1或過量表現sars mRNA都可以觀察到細胞核內SARS蛋白質表現量上升以及VegfAa表現量的下降,而造成血管生長停滯的表徵。反觀,miR-206則是抑制vegfaa基因的表現直接控制VegfAa的生成量。所以當專一抑制miR-206時,SARS蛋白質量不變但會造成VegfAa表現量增加,造成血管細胞核數目異常增加且血管生長異常的表徵。顯然miR-1與miR-206對血管生成上是扮演相反的作用,並非同一功能。最後我們又觀察到當胚胎發育到晚期時,miR-1會動態性地急速驟增而miR-206則變化不大,表示胚胎晚期的血管生成受到miR-1/SARS/VegfAa pathway的正向影響比miR-206/VegfAa pathway的負向影響漸漸增強。總結,我們最先發現了:
(1) miR-1及miR-206雖是肌肉專一型之微小RNA,卻都會調控VegfAa的分泌,導致影響血管的新生。(2) miR-1是透過抑制SARS的表現量,進而減少SARS對vegfaa基因表現的負調控,最後使得VegfAa蛋白增加,促進血管新生,所以對血管新生是間接的,但是正向的。而miR-206是直接抑制VegfAa的表現量,所以對血管新生是直接的,但是負向的。(3) 發現miR-1及miR-206默化牠們的目標基因,除seed sequence本身外,其鄰近的序列也扮演選擇特定目標基因的功能。(4) 闡明miR-1與miR-206這兩種極近似的微型核醣核酸對血管生成的調控上存在著”陽中帶陰”且”陰中又帶陽”的微妙關係而提出“陰陽”論代替“一體”論。
潛在應用:Vegf signaling 在各種腫瘤都是血管形成重要的信息,所以推測miR-1及miR-206不僅在胚胎發育時期會調控Vegf而影響血管的生成,也會在腫瘤發生時調控Vegf而影響血管的形成。因此,詳細瞭解miR-1及miR-206生物特性,將有助於我們治療疾病及癌症之用。
此論文Nature Publishing Group已於11/22/2013晚7:00全球同步發佈發表於Nature Communications (2013) DOI 10.1038/ncomms3829
作者:林正勇、李鴻杰、傅傳楊、丁郁芸、陳潔心、李明軒、黃薇臻、蔡懷楨臺大 生命科學院 分子與細胞所附註:1.本論文作者清一色都是由本校分細所一手訓練出來的博士生(現為博士後研究員)及碩士生;即臺大研究生們群策群力完成的成果。此篇論文能被Nature Communications肯定而刊登,誠屬難能可貴。因為耶魯大學醫學院遺傳學系及幹細胞中心Prof. Antonio Giraldez 研究團隊也在研究相同的議題,他們是我們臺大在學術上的第一競爭對手。此次我們能成功發表,有如在他們面前灌籃得分一樣,其實整個過程相當艱辛,充滿挑戰,有幸我們研究生們靠著無比的努力及毅力,充分分工合作,終於勝出。這個成果同時也證明了本校訓練出來的研究生在科學研究工作上很紮實,且具有國際競爭力,真該為這群優秀的學生們感到驕傲及喝采。
2.若要把我們這個論文的發現打個比譬,我可以說是:一般人會把外表看起來極類似的孿生兄弟視為一體(有如耶魯大學Prof. Giraldez的觀點),但是我們實驗室有能力發展一套系統,明察秋毫地在孿生兄弟上找出不同,且進一步證實明他們兩個個性完全相反的內在:有如一為陰,一為陽;一為文,一為武;一為含蓄,一為直率; 且兩人喜歡的對象又完全不同。
3.本論文最大的成就就是推翻了耶魯大學Prof. Giraldez group去年(2012)在Development發表miR-1及miR-206為“一體”的論點,而首次提出miR-1及miR-206在血管新生時其實是功能相反的“陰陽”論而非一體。
由左至右 臺大分子與細胞生物學研究所 蔡懷楨教授 李鴻杰博士 林正勇博士 傅傳揚博士聯絡人:李秉璋 0935235808