微小RNA在神经退行性疾病发病机制中作用的研究进展

黄文辉，顾雪锋，李克深

(广东医科大学附属医院，广东省衰老相关心脑疾病重点实验室，广东湛江524000)



微小RNA在神经退行性疾病发病机制中作用的研究进展

黄文辉，顾雪锋，李克深

(广东医科大学附属医院，广东省衰老相关心脑疾病重点实验室，广东湛江524000)

微小RNAs(miRNAs)是一类长度21～24核苷酸、序列高度保守的非编码单链小RNA分子，他们通过与靶基因的3'非翻译区结合，抑制靶基因 mRNA的翻译或促进其降解，在转录后水平调控基因表达。神经退行性疾病主要特征是中枢神经系统典型的迟发型不断进展的神经元变性、坏死和丢失。miRNAs表达的改变在包括阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和肌萎缩性脊髓侧索硬化症在内的神经退行性疾病的多种生理和病理过程中发挥重要的调控作用。此外，越来越多的证据表明miRNAs与神经退行性疾病的特定致病蛋白有关。

神经退行性疾病；阿尔茨海默病；帕金森病；亨廷顿病；肌萎缩性脊髓侧索硬化症；微小RNA

神经退行性疾病是一类在遗传、环境和衰老因素作用下，包括氧化应激、线粒体功能衰竭、神经免疫炎症、细胞凋亡等多种机制综合作用的中枢神经系统神经元进行性丧失，最终导致运动和认知功能障碍，如阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)和肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)，目前无法治愈。miRNAs是一类内源性的非蛋白编码单链短序列RNA，主要在转录后水平调控细胞蛋白质表达，参与细胞发育、分化、增殖和凋亡过程。在细胞核内，原始转录产物miRNA(pri-miRNAs)经Drosha酶剪切，得到70～100 nt 的发夹前体miRNA(pre-miRNA)。转至细胞质后的pre-miRNA由Dicer酶剪切加工，最后形成21～24 nt成熟的单链miRNAs[1]。miRNAs通过RNA诱导的沉默复合物(RISC)与靶基因mRNA的3'UTR结合抑制靶基因mRNA的翻译或促进其降解发挥负性调节功能。miRNAs在中枢神经系统神经发育中发挥重要作用，通过转录后调控网络调节靶基因mRNA参与调节大脑的生长发育和神经发育相关疾病[2，3]。miRNAs在神经系统形态形成、突触可塑性和神经退行性病变中有重要作用[4，5]。现就miRNAs在神经退行性疾病发病机制中的作用研究进展综述如下。

1 miRNAs在AD发病机制中的作用

AD是最常见的渐进性神经退行性疾病和老年期痴呆最常见的原因。AD主要病理特征是神经细胞外Aβ聚集形成老年斑(SP)和神经细胞内Tau蛋白异常聚集形成神经纤维缠结(NFTs)，最终导致从大脑海马到整个皮层的神经元丢失。miRNAs表达谱的相关研究充分证明了AD大量miRNAs的表达异常[6，7]。AD患者大脑内致病蛋白Aβ聚集来源于I型跨膜淀粉样前体蛋白 (APP)经β分泌酶和γ分泌酶切割产生。APP表达增加与AD的发病机制有关。荧光素酶报告基因显示miR-106b、miR-17-5p和miR-20a家族在体外神经元细胞系能特异性结合APP的3'UTR序列调节APP水平和影响大脑的生长和神经元的分化参与AD的疾病过程[8]。miRNA-153表达水平在早期和晚期转基因AD模型小鼠显著下降，并且APP基因的3'UTR存在miR153的识别位点，miR-153表达减少可致APP的表达增多[9]。诸多研究关注miRNA在AD发病机制中调节APP的表达，然而最近Wei等[10]研究显示，APP能抑制miR-574-5p的表达进而调节中枢神经系统神经发育，首次证实了APP通过miRNA介导的转录后机制调控神经干细胞增殖与分化间的平衡。因此，特定异常表达的miRNAs可能影响APP基因或蛋白表达，且APP亦能影响miRNA表达，有关miRNA和APP相互之间的因果关系尚需进一步研究。

β淀粉样前体蛋白裂解酶1(BACE1)是切割APP产生Aβ的限速酶，BACE1的表达增加与Aβ的异常聚集有关。在AD患者大脑具有神经保护作用的miR-29a-1和miR-29b-1会显著下调，导致BACE1表达水平上调，增加Aβ聚集形成斑块从而促进AD疾病进程[11]。miR-107在AD疾病早期表达量明显下降，同时BACE1 mRNA水平会升高[12]，细胞实验证实了miR-107能靶向结合人类BACE1 mRNA 3'UTR序列。另一个与AD密切相关的是miR-9，miR-9在AD大脑皮层中表达上调和下调均有报道[12，13]。在AD模型小鼠，miR-9在6个月小鼠海马中表达量会明显下降，但在3个月的小鼠中无相同表现。因为Aβ斑块在AD小鼠6个月时开始形成，miR-9下降可能是由Aβ聚集直接引起。另外在体外Aβ处理的小鼠原代培养神经元中，与未经任何处理的小鼠原代神经元相比，包括miR-9在内的miRNA表达量会发生显著改变[14]。因此，miR-9异常表达可能是AD发病的原因或疾病导致的结果，两者间的关系还需更进一步研究。

异常磷酸化的Tau蛋白是AD的另一标志致病性蛋白，miRNA调控Tau蛋白磷酸化亦见诸部分研究。来自AD患者和正常人的大脑海马和前额叶皮层的miRNAs表达谱对比显示分别有35和41个miRNAs表达异常[15]。其中下调最显著的miR-132-3p 通过靶向结合转录因子FOXO1a调节Tau蛋白的mRNA，促进Tau蛋白的过度磷酸化,发挥负性调控作用。基因敲除miR-132/212的小鼠Tau蛋白表达增加，磷酸化聚集并导致自噬功能障碍;相反，miR-132模拟物能部分恢复AD小鼠的记忆功能障碍和调节Tau蛋白的正常代谢。因此miR-132和miR-212水平与不溶性Tau蛋白和人类认知功能障碍相关，且可作为改善AD病情潜在的治疗策略[16]。miR-125b表达水平在AD中升高，在初级神经元中，miR-125b的过表达导致磷酸化酶和因子水平上调，磷酸酶和抗凋亡因子Bcl-W下调，最终提高Tau蛋白磷酸化水平，参与AD发病[17]。

2 miRNAs在PD发病机制中的作用

PD又名震颤麻痹，是第二大常见的神经退行性疾病，最主要病理特征是神经细胞内α突触核蛋白异常聚集和大脑黑质致密区多巴胺能神经元大量变性丢失导致的运动功能障碍。临床主要症状是静止性震颤、肌强直、运动迟缓，次要症状包括焦虑、抑郁和痴呆。神经系统免疫炎症是神经退行性疾病的一个突出病理表现，导致AD和PD神经元变性和坏死。miR-155的功能研究多集中于免疫系统，促进组织炎症和巨噬细胞的炎症应答[18]。研究证实miR-155可靶向结合细胞因子信号抑制物1(SOCS1)mRNA，增加促炎性细胞因子分泌[19]。因此，miR-155被认为能促进免疫炎症应答，加快神经退行性变。PD模型小鼠与正常小鼠相比，基因芯片结果显示miR-155在小鼠大脑内表达量显著上调。在小鼠体内特异性基因敲除miR-155能明显减轻α-突触核蛋白引起的促炎症反应和神经退行性变。此外，来源于基因敲除miR-155小鼠的小胶质细胞对α-突触核蛋白纤维的免疫应答显著降低，主要组织相容性复合体Ⅱ(MHC Ⅱ)和促炎症诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的表达明显下调，相反，用人工合成的miR-155模拟物(mimic)处理小胶质细胞能恢复对α-突触核蛋白诱导的炎症反应[20]。最近研究证实PD患者受影响的大脑区域，如杏仁核，额叶皮层，黑质和小脑miR-34b和 miR-34c表达减少。此外，在敲除miR-34b/34c分化的神经母细胞瘤细胞会促进线粒体功能紊乱和氧化应激导致细胞死亡，这种机制是目前公认的，与PD生化异常有关。在人多巴胺能神经母细胞瘤细胞中miR-34b和miR-34c能抑制α-突触核蛋白的表达，抑制miR-34b和miR-34c的表达能增加α-突触核蛋白水平和异常聚集[21]。因此，PD患者大脑miR-34b和miR-34c水平降低可能是通过改变细胞活性和增加α-突触核蛋白的积聚从而加速PD的疾病进程。

多巴胺能神经元变性死亡是PD的根本病理变化。miR-7和miR-153在神经元中富集和在小鼠脑中表达量最高。miR-7表达水平在腹腔内注射神经毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡(MPTP)诱导的PD模型小鼠脑中水平明显下降。在MPTP诱导的PD模型皮层神经细胞，过表达miR-7和miR-153保护皮层神经细胞MPTP诱导的神经毒性，防止神经细胞死亡，恢复神经细胞活性和抗凋亡Bcl-2蛋白水平同时减缓Caspase-3的激活[22]。Kim等[2]报道miR-107在PD患者大脑中表达水平下降，miR-107通过结合CDK6参与细胞周期的调节，对其进入细胞周期G1期有重要作用。由于重启细胞周期通常会导致减数分裂后神经元细胞死亡，miR-107降低可能会增加CDK6的表达，然后促进细胞周期的重启，最终导致细胞死亡。miR-7、miR-153和miR-107表达改变可能是通过促进神经凋亡或死亡途径参与PD的病理变化。

3 miRNAs在HD发病机制中的作用

HD是一种以舞蹈症、精神异常和痴呆为特征的常染色体显性遗传进行性神经系统变性疾病。遗传性HD是亨廷顿蛋白(HTT)发生三核苷酸CAG重复序列拷贝数异常增多，导致重复编码一段长的多聚谷氨酰胺功能区，最终导致以大脑基底节和皮质神经元为主的退行性变。研究发现miRNAs的表达和调节在YAC128和R6/2两种转基因HD模型小鼠中发生改变，其中下调的miRNAs包括miR-22、miR-29c、miR-128、miR-132、miR-138、miR-218、miR-222、miR-344和miR-674*，并且miRNAs合成所必需的内切酶Dicer亦显著下降，这表明miRNAs的异常调节和合成可能与HD有关[4]。在HD患者额叶皮层和纹状体下调的miRNAs包括miR-128、miR-139-3p、miR-222、miR-382、miR-433和miR-483-3p，上调的miRNA包括miR-100、miR-151-3p、miR-16、miR-219-2-3p、miR-27b、miR-451和miR-92a[23]。

miR-9/miR-9*在HD疾病进程中大脑含量明显下降，miR-9/miR-9*通过调节抑制元素1沉默转录因子(REST)的表达与HTT相互作用[24]。在非神经元细胞中，REST抑制神经元基因的表达。在神经元，REST在细胞质中与HTT结合。重复编码致病的多聚谷氨酰胺阻碍了REST和HTT相互作用，导致REST转移至细胞核，抑制神经元基因的表达，并导致神经元死亡。HD患者大脑中miR-9 /miR-9 *表达减少会导致REST蛋白增加，促进其转运至细胞核，引起神经元的毒性，从而形成一个正反馈循环，最终导致HD的神经退行性变。另一个与HD发病有关的miRNA是miR-22，其在HD模型小鼠中的表达量下降[4]。根据生物信息学预测miR-22的靶点是组蛋白去乙酰化酶4(HDAC4)、REST corepresor1(Rcor1)和G蛋白信号调节器2(RGS2)，这三个基因在HD发病过程中与神经发育和神经元存活中发挥重要作用，因此miR-22具有潜在的神经元保护作用。过表达miR-22已证实可减弱半胱氨酸蛋白酶的活性，而且miR-22亦可直接抑制促凋亡蛋白的表达，如促分裂原活化蛋白激酶14/p38(MAPK14/p38)和肿瘤蛋白p53的诱导核蛋白1(TP53INP1)。可见miR-22通过介导神经元合成和神经元的存活途径来延缓神经退行性疾病的进程[25]。

4 miRNAs在ALS发病机制中的作用

ALS又称为卢伽雷氏症，是一种主要侵犯脑干和脊髓上、下运动神经元的不可逆致死性神经退行性疾病。临床特点为全身进行性肌无力、肌肉萎缩、肌束震颤。90%的ALS患者均是散发病例，无明确的病因，少部分是由超氧化物歧化酶1(SDO1)基因突变引起。为了确定miRNAs表达改变是ALS疾病进程的重要影响因素，Claudia等[26]对12个散发性高加索人ALS患者和12个正常人的尸体脑脊髓组织miRNAs表达进行了对比，在90个差异化表达的 miRNAs 中，仅有2个miR-155 和miR-142-5p表达量显著增加，功能分析这些miRNA与细胞凋亡、免疫应答和大脑发育有关。miR-155在大脑的增加是ALS的不利因素，因为抑制SOD1G93A大鼠(ALS模型鼠)脑中miR-155表达时，大鼠的存活率增加[27]。Butovsky等[28]研究发现，miR-155在SOD1鼠及散发性和家族性ALS患者中均会升高。在SOD1小鼠中，拮抗miR-155治疗能有效恢复小胶质细胞功能失调和改善病情，这些研究结果表明miR-155有可能成为治疗ALS的靶点。miR-206是骨骼肌特异性miRNA，能有效促进神经肌肉突触的发育和神经损伤后神经肌肉接头的再生并与多种疾病的发生有关，如杜氏肌营养不良(DMD) 和ALS[29，30]。miR-206基因敲除可加重SOD1小鼠的病情和缩短寿命，miR-206的保护作用是通过抑制骨骼肌组蛋白去乙酰化酶4(HADC4)的翻译诱导成纤维细胞生长因子结合蛋白(FGFBP1)的分泌[31]。FGFBP1可通过结合成纤维细胞生长因子在神经肌肉接头促进前突触神经分化。miR-206可通过促进损伤神经元的恢复和神经肌肉突触的代偿性增生延缓ALS的进展。

综上所述，目前的研究成果清楚地指明了miRNAs在神经退行性疾病中的重要作用。神经退行性疾病病因和发病机制复杂，临床早期诊断困难，且还没有能完全阻止疾病进展的特效药物。随着人类对miRNAs研究的深入，miRNAs与神经退行性疾病间的关系将进一步明确。miRNAs可调节神经系统发育、神经元增殖、分化和突触生成及神经系统炎症，miRNAs表达的增加或减少与神经退行性疾病的病理生理改变有关。筛选与疾病相关的miRNAs及其调控的靶基因和蛋白为神经退行性疾病的研究提供了一种新方法，miRNAs有可能成为疾病早期生物学诊断和预后的标志，过表达或抑制异常表达的miRNA有望成为神经退行性疾病临床治疗干预的新途径。

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国家自然科学基金资助项目(81271213);广东省自然科学基金项目(2016A030313680)。

李克深(E-mail:likeshen1971@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2016.41.037

R741

A

1002-266X(2016)41-0106-04

2016-07-02)