microRNA-132调控突触可塑性的作用研究

叶玉勤 苏鑫洪 贺晓生

(第四军医大学西京医院神经外科，陕西 西安 710032)

·综述·

microRNA-132调控突触可塑性的作用研究

叶玉勤 苏鑫洪 贺晓生*

(第四军医大学西京医院神经外科，陕西 西安 710032)

微小核糖核酸; 突触; 可塑性

突触是神经元之间或神经元与效应器细胞之间相互接触和传递信息的部位，是产生神经功能和维持神经活动的基础。突触可塑性是指神经系统在外界因素的作用下，多种机制介导的突触结构或功能适应性变化。突触可塑性作为神经可塑性的一种特殊形式，主要包括突触发育的可塑性、突触形态的可塑性和突触传递的可塑性。其表现形式主要为长时程增强(long-term potentiation, LTP)和长时程抑制(long-term depression, LTD)[1,2]。近年来的研究表明，突触可塑性不仅与意识、行为和认知功能等关系密切，还广泛参与癫痫、阿尔茨海默症和颅脑外伤等多种神经系统疾病的病理生理反应[1]。神经系统对突触可塑性的调控过程十分复杂，涉及到多种分子机制和信号通路。

微RNA(microRNA, miR)是由20～24个核苷酸组成的内源性非编码单链小分子RNA，可通过与目标mRNA的3'非翻译区域(untranslated region, UTR)结合，抑制mRNA翻译或诱导mRNA降解，从而在转录后水平调控靶基因的表达[3]。迄今为止，已发现数百种miR特异性存在于神经系统，并且随着神经组织和细胞发育阶段的不同而不断变化[1～3]。其中，miR-132是发现较早和目前研究较多的miR之一。miR-132作为调控突触可塑性的重要因子，通过多种靶基因调节突触的形态变化和递质传递等可塑性过程，与学习、记忆等高级认知功能关系密切[4,5]。此外，在神经退行性疾病、精神性疾病和神经肿瘤等发生发展的过程中，miR-132介导的突触可塑性调控网络也发挥重要作用[3～5]。因此，本文将对miR-132调节突触可塑性的相关研究进展作一综述。

一、miR-132的生物学特征

miR-132同大多数miR一样，以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中，主要位于基因间隔区。miR-132定位于人第17号染色体、大鼠第10号染色体和小鼠第11号染色体，具有高度的进化保守性，在多个物种中都存在相同的序列与结构[2]。在RNA聚合酶Ⅱ的作用下，miR-132基因在细胞核内被转录为初始miR(primary microRNA, pri-miR)。pri-miR经RNA酶Ⅲ与Dorsha组成的核酸酶复合体剪切， 形成大约由70个核苷酸组成的发夹样结构前体miR(precursor microRNA, pre-miR)[6]。pre-miR在相关核因子依赖性转运蛋白Exportin5的作用下，从细胞核转运至细胞质。然后，pre-miR的双链部分被Dicer酶二次剪切，形成由miR-132成熟链和互补链组成的双链miR。随后，互补链被降解，成熟的单链miR-132与Dicer和接头蛋白(argonaute家族蛋白)结合，组装成RNA诱导的沉默复合物(RNA-induced silencing complex，RISC)[7]。在哺乳动物体内，成熟miR-132约有22个核苷酸组成，具有两种同源结构，分别为has-miR-132-3p和has-miR-132-5p。当miR-132与目标mRNA的3'UTR不完全互补配对时，抑制mRNA的翻译过程；当与3'UTR完全互补配对时，则诱导mRNA降解[7,8]。

二、miR-132对突触可塑性的调控机制

2002 年，Lagos-Quintana等首次证实了miR-132神经组织中呈高丰度表达，为miR-132在神经系统的作用研究奠定了基础。随后的研究发现，miR-132不仅可通过调节树突棘与轴突生长锥的生长发育等来影响突触发育和结构可塑性，还能通过影响递质传递效能、可塑性相关蛋白合成等来调节突触功能可塑性[3,9]。近年来，随着生物信息学技术的进步与靶基因筛选工具的完善，miR-132调控突触可塑性的过程中所涉及的分子和相关机制逐渐得以揭示。

1.miR-132与环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)应答元件结合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)：CREB作为一种重要的转录因子，与miR-132的表达水平密切相关。在体外培养的皮层神经元中，神经营养因子可以通过CREB来诱导miR-132呈高表达状态，促进神经突的生长发育和新突触的建立；反之，抑制miR-132的表达，导致树突生长能力显著减弱和突触密度降低[10]。体内研究发现，在嗅球、海马和纹状体等脑内再生能力旺盛的区域，由神经干细胞分化的新生神经元向神经网络整合的过程中，被CREB上调的miR-132显著促进突触连接的形成和递质传递[2,3]。Guo等[11]通过对颞叶癫痫动物模型和顽固性性癫痫患者的脑组织检测发现，磷酸化的CREB与miR-132表达明显升高，造成异常的神经元兴奋性放电和兴奋性递质传递，这可能与致痫灶海马硬化和苔藓纤维发芽等病理改变的关系密切。沉默miR-132可以减轻癫痫发作频率和癫痫引起的神经元死亡[12]。由于癫痫与树突棘的形态发生及数量、苔藓纤维出芽状态及突触重塑密切相关，故基于miR-132的研究可能为癫痫的诊治带来新希望。此外，在CREB的调控下，不同表达梯度的miR-132能够差异化影响突触可塑性，并动态调节学习和空间记忆等高级认知功能[4,5]，但具体机制有待进一步阐明。

2.miR-132与脑源性神经营养因子( brain-derived neurotrophic factor, BDNF )：BDNF作为神经营养因子家族的主要成员，广泛分布于中枢神经系统内，可通过磷脂酰肌醇激酶、CREB和丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase/ extracellular signal regulated protein kinase, MAPK/ERK)等多种信号途径促进神经元生长发育，诱导建立功能性突触连接和调控神经递质传递。并能改善突触病理状态、减轻神经退行性变和促进神经修复。近年来，随着研究的不断深入，BDNF与miR-132之间的关系及其对突触可塑性的影响作用正受到广泛的关注。

成熟的神经元内，BDNF可通过MAPK/ERK1/2途径上调miR-132的表达，继而诱导兴奋性递质谷氨酸受体的表达上升和其他突触可塑性相关蛋白合成。进一步研究发现，糖皮质激素预处理的神经元内BDNF、ERK和miR-132的表达明显下调，同时，神经元的活力和突触的传递效能也显著下降[13]。提示miR-132在BDNF依赖的突触功能可塑性中具有重要调控作用。Suzuki等[14]发现BDNF还可通过诱导CREB达到上调miR-132的效果，并且与大脑的长期和短期记忆功能关系密切。此外，在视网膜神经节细胞轴突生长和建立突触连接的过程中，通过BDNF的刺激作用，上调的miR-132可显著提高轴突的延伸能力和侧枝发芽，以建立新的突触连接[15]。

3.miR-132与三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate, GTP)酶活化蛋白(p250 GTPase activating protein, p250GAP)：p250GAP是Rho家族的GTP酶活化蛋白成员之一，作为miR-132的下游靶基因，它可与多种突触蛋白相作用，水解下游底物上的GTP，从而启动底物相关的信号通路，引起突触结构骨架的解聚，减小树突棘的密度及体积。miR-132通过抑制p250GAP促进突触发生和维持突触结构的稳定性，在神经环路的形成中具有关键的作用[10,15]。另有研究表明，miR-132/ p250GAP途径可通过激活下游的与Ras相关的C3肉毒杆菌毒素基体1/P21激酶(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1/P21 activated kinase 1, Rac1/PAK1)信号通路，增加海马区谷氨酸受体阳性棘突的数量和提高微小兴奋性突触后电流频率，从而调节神经元活动依赖的突触形态和功能重塑[16]。体外培养的海马细胞受到电离辐射后，miR-132 和Rac1的表达明显下调，可显著影响神经突结构的稳定性。同时，这一损伤机制在辐射性脑损伤的动物模型中也得到证实，受到电离辐射的小鼠学习和记忆功能显著降低[17]。在聚氯联二苯的神经毒性作用中，被激活的肉桂碱受体联合CREB可使miR-132迅速而持久的上调，进而通过抑制p250GAP的翻译，导致不恰当的突触发生、异常的神经环路形成、紊乱的突触连接网络建立和神经功能失衡[18]。此外，有趣的是，瘦素可通过miR-132/p250GAP途径调节海马区突触形成和活性，减轻抑郁和焦虑，并改善认知功能[19]。

4.miR-132与甲基CpG结合蛋白2(methyl CpG-binding protein 2，MeCP2)：MeCP2是一类广泛表达于神经元的转录抑制因子，作为miR-132负性调控的靶基因，其缺乏与Rett综合征的持续性神经退行性变关系密切，过度表达则导致认知缺陷和精神障碍[20,21]。对Rett综合征的小鼠进行基因组学分析，发现MeCP2的缺失可显著抑制miR-132和miR-212表达，同时伴有BDNF表达下降[20]。提示MeCP2 与miR-132之间可能还存在负反馈调控作用，进一步的研究将有助于揭示Rett综合征的发病机制和提供新的治疗靶点。MeCP2是甲基化结合蛋白家族中的主要成员，通过与甲基化DNA的特异性结合，在神经元成熟、突触发生和可塑性调节过程中发挥重要作用[21]。此外，新近的研究发现，miR-132介导的 MeCP2调控作用与脊髓痛觉形成关系密切，通过梯度上调MeCP2的表达水平，发现当表达量不超过野生型2.5倍时，有利于减轻急性痛传导和慢性痛形成，但过高和过低则无此效应。提示MeCP2在体内至少受到miR-132的精准调控，使其维持在一个稳定的正常区间范围内，对调节突触功能可塑性具有重要作用[22]。

5.miR-132与其他可塑性相关因子：阻遏元件沉默转录因子(repressor element 1 silencing transcription factor, REST)是一种在神经组织广泛表达的限制性沉默因子，可在转录水平抑制多种突触功能相关基因的表达[23]。Hwang等报道在缺血性脑损伤模型中，REST与miR-132 启动子区域的阻遏元件结合后，可抑制损伤神经元内miR-132的表达，不利于神经元存活和突触功能重塑；而过表达miR-132则能够降低脑缺血后神经元的死亡率，促进神经再生，建立新的突触连接和改善认知功能[24]。目前认为，脆性X智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein, FMRP)的功能缺失是脆性X综合征的主要致病原因，FMRP可通过调节突触mRNA转运和局部蛋白合成而影响突触可塑性。FMRP作为果蝇体内RISC的成分之一，与Argonaute蛋白和Dicer酶存在相互联系，参与并介导了miR-132对目标mRNA的负性调控作用，并且这种作用在脆性X综合征的突触结构和功能重塑过程中得到证实[25]。此外，miR-132与miR-212起源于相同的非编码基因内含子，两者具有相似的序列和mRNA结合区域，因此，miR-132/212簇可对相同的靶基因发挥调节作用[26]。敲除miR-132/212后，小鼠海马区神经元树突的生长和芽伸能力降低，新生神经元的数量显著减少，神经元整合入神经网络的能力明显减弱，同时，齿状回的长时程突触激活和记忆功能也受到影响[26,27]。另有研究发现，光剥夺可下调视皮层的miR-132表达，阻碍树突的成熟、视柱的发育和突触重塑，提示miR-132在视皮层发育和可塑性调控过程中具有重要作用[28]。在背根神经节轴突发育进程中，miR-132可通过调控Ras-GTP酶激活蛋白1的表达，促进轴突生长锥的靶向延伸和调节突触结构可塑性[29]。

三、展望

综上所述，大量研究从多个角度证实了miR-132在突触发育、结构和功能可塑性中的重要作用。然而，多数研究仅局限于miR-132通过某个单一的靶基因或信号通路发挥调节功能，对于各种作用机制之间的相互联系和所形成的调控网络在突触可塑性中的调控模式，缺乏全方位探讨。因此，进一步的深入研究，将有助于提高我们对miR-132调节突触可塑性的认识水平，并促进基于miR-132调控的神经系统疾病治疗策略的探索与开发。

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1671-2897(2016)15-468-03

国家自然科学基金资助项目(81471264)

叶玉勤，博士研究生，E-mail: chinayeyuqin@163.com

*通讯作者：贺晓生，教授、主任医师，博士生导师，E-mail: hexiaos@fmmu.edu.cn

Q 189

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2015-12-22；

2016-01-18)