微环境进化模型研究miRNA在HPV感染宫颈致炎致癌过程中的作用

HPV infection on cervix will be recessive and cleared mostly, and may cause chronic inflammation in a few cases, ultimately lead to cervical cancer in more sparse cases. During this course, the underlying molecular mechanisms especially happened in the host cells have been little revealed. In this project, we focus on studying miRNAs' involvement to systematically discover the molecular rules during the malignancy-trended process. Nowadays, most researchers studying the function of miRNA mainly focused on its significant expression change bewteen normal and disease. However, based on sequence prediction, a target mRNA's 3'-UTR region contains dozens of binding sites for various miRNAs. Therefore, a target mRNA is probably regulated by different miRNAs due to different cellular status. Even if the expression of miRNA has not been changed between normal and disease, its regulation on a special target mRNA may be significantly changed. Currently, no research has studied miRNA's differential regulation. In this project, we propose the Mini-environment evolution model to describe the molecular regulation evolution during inflammation formation and carcinogenesis; based on this, we establised the SIG++ algorithm, to identify miRNA's significant differential regulation during disease progression. We apply the SIG++ algorithm to analyse the cervix sample data, and construct the miRNA differential regulation network during the process of HPV infection on normal cervix → chronic inflammation → cervical cancer, in order to provide safe and efficient target for clinical therapy.

HPV感染宫颈在大多数情况下会被消除，少数会发展成慢性炎症，极少数继续恶化最终成宫颈癌。这个进程中的分子机制、尤其是宿主内部的关键变化过程，目前缺乏系统的研究。本研究中我们从miRNA角度来系统揭示这个逐步恶变过程中的分子规律。当前研究miRNA功能主要是依据miRNA差异表达。然而根据序列预测，一个靶基因mRNA 3'-UTR含有多个不同miRNA的结合位点，则在不同细胞状态可能受不同miRNA调控。因此在正常与疾病之间，即使miRNA表达无显著变化，但对某靶基因的调控也可能发生变化，从而影响细胞功能。目前缺乏对miRNA差异调控的研究。我们在本项目中明确提出慢性炎症及肿瘤发生的微环境进化模型，建立并完善SIG++算法，以鉴定在疾病发展过程中miRNA的显著差异调控；并将算法应用到宫颈数据中，构建HPV感染正常宫颈→慢性炎症→宫颈癌过程中miRNA的差异调控网络，为临床治疗提供有效靶点。

宫颈癌在妇女中发病率和死亡率都较高，研究其癌前进程具有重要意义。我们系统地研究了正常宫颈在感染HPV后逐渐恶化，经历宫颈上皮内瘤变(CIN)的不同阶段(CIN I, II, III期)，最终发展到浸润型宫颈癌这一过程中的分子机制。MicroRNA(miRNA)作为动物细胞内普遍存在的小分子，主要通过抑制mRNA翻译或促进mRNA降解以调控很多细胞过程。MiRNA存在近百个候选靶mRNA，依赖于不同的辅助因子来作用于不同的target。由于疾病不同阶段时细胞状态不同，则在疾病发展的不同阶段，同一miRNA可能调控不同的靶基因(即使miRNA表达无明显变化)，从而影响细胞性质。我们把这叫做‘miRNA的差异调控’。在本研究中，我们提出了基于微环境进化模型的SIG++算法，以鉴定在宫颈疾病发展的不同时期之间miRNA对靶基因调控的显著变化，以从miRNA调控功能变化的角度来揭示在正常宫颈到CIN I，以及CIN I到CIN III的过程中的分子机理. .我们对24个宫颈样本(包括7个正常宫颈样本，9个CIN I样本，8个CIN III样本)同时进行了miRNA及mRNA表达谱检测。然后用SIG++算法，鉴定在病程相邻两病级之间miRNA-mRNA调控的显著变化。通过与传统的permutation方法的结果比较，发现SIG++算法能找到更多的具有较大可信度的差异调控pair (即‘Efficient pair’)，且在关键的通路中更为富集。然后通过两种途径构建miRNA差异调控介导宫颈病情发展的分子机制网络。第一个途径是基于已有的Human GO process，我们由此定义了“有效靶点”和“关键效应过程”，得出了受miRNA差异调控影响的细胞通路，以此构建了在正常→CIN I期以及CIN I期→CIN III期的过程中miRNA差异调控网络。第二个途径是基于广泛的文献查阅，着重分析了与恶性表型相关的靶基因，最终确定了99个Efficient pair，系统地构建了在normal、CIN I、CINIII时特异的miRNA调控网络。这两种网络都展示了CIN发展过程中miRNA对靶基因调控的变化、引起的靶基因表达改变以及造成的效应通路变化，重点揭示了CIN发展进程中HPV在CIN III期开始整合、细胞逐渐发生永生化以及病毒和受感染细胞成功逃避免疫清除的可能分子机制。