microRNA与认知功能障碍相关的研究进展

韩楠 孙莹杰

1大连医科大学（辽宁大连116044）；2中国人民解放军北部战区总医院（沈阳 110000）

认知是人脑的一项高级机能，其常常可因不同的疾病和年龄等因素而出现不同程度的认知障碍。年龄作为认知功能障碍的一个独立因素，面对人口老龄化严重的现状，认知功能障碍相关疾病困扰着社会和众多的家庭，增加了家庭的负担，也增加了医疗保健的成本。解决这一问题将是医学上的重大突破。然而，截止目前，关于认知功能障碍发生的机制众说纷纭，尚无定论。本课题组主要围绕术后认知功能障碍进行研究，结果发现手术创伤等刺激通过激活α7nAChR，进而使下游Akt-GSK3β通路、CREB通路、JAK2/STAT3通路等的激活或是抑制，导致了术后认知功能障碍的发生［1-2］。microRNAs（miRNAs）是现今发现的一类非常有价值的非编码RNA，在大脑中广泛存在，其对于基因的表达具有重要的调控作用。随着研究的深入，miRNAs在认知、记忆等方面发挥的作用也在逐步被挖掘。有研究发现［3］，miRNAs与α7nAChR之间也存在着千丝万缕的联系，可能这将是术后认知功能障碍研究的新的方向。因此，本文将根据目前最新的研究成果对miRNAs与认知功能障碍的关系做一综述，意在为后续的研究奠定基础，也希望能为预防认知功能障碍的发生提供帮助。

1miRNAs的概述

1.1 miRNAs的生物合成特点miRNAs，也称微小基因，是近年新发现的一类非编码小分子RNA，miRNA通常由RNA聚合酶Ⅱ转录为原始miRNA（pri-miRNA）。pri-miRNA经过RNA内切酶Drosha的剪切，形成长约70个核苷酸的不对称发夹结构，即前体miRNA（pre-miRNA）［4-5］。premiRNA又通过Ran-GTP依赖性核浆转运子Exportin5（Exp5）从核内转到胞质，通过Dicer酶将细胞质中的premiRNA切成长度约为21～23个核苷酸的成熟链。成熟miRNA通过与RNA沉默诱导复合物（RISC）结合后，再同靶基因mRNA的3′非翻译区（3′UTR）碱基互补结合从而发挥沉默基因表达的作用［6］。

miRNAs广泛存在于不同的有机体内，迄今为止，人类已经发现的miRNAs已有千余种，机体90%以上的基因表达可被miRNAs调控，这也就意味着miRNAs在多种生命进程中扮演着重要的角色。有研究报道，人脑中miRNAs的含量和种类同其他灵长类动物相比是最为丰富的，尤其是在和认知相关的前额皮质中最为显著［7］。

1.2 miRNAs的作用机制目前公认的是，miRNAs通过与靶mRNA的3'UTR区域之间的互补来发挥其重要作用，其具体机制为miRNAs介导mRNA降解并抑制靶基因的翻译。在miRNAs和靶mRNA之间完全或几乎完全互补的情况下，靶mRNA通过与miRNAs相关的沉默复合物（RISC）结合而降解，这种miRNAs介导的基因沉默机制通常存在于植物中。哺乳动物中的大多数miRNAs可能不与靶mRNAs完全配对［8］。因此，靶基因受到转录抑制的调节，常是多个miRNA结合对同一靶基因发挥协同作用的结果。miRNA通过两种机制降低相应靶基因中蛋白质的表达，但对mRNAs没有影响。除了对mRNA翻译的靶向调节之外，miRNAs还为其自身表达提供反馈调节。研究证明［9］miRNAs由细胞分泌并通过血液循环转运到受体细胞中，以减少相应靶基因的翻译，从而调节受体细胞的功能。

2 miRNAs与突触可塑性

突触是存在于神经元之间相互接触的一个特殊部位，也是在功能上彼此之间发生着重要联系的关键部分。突触可塑性的改变对于神经系统的发育、成熟和学习记忆等方面起到至关重要的作用。

SUTTON等［10］的研究已证实长时程记忆（LTM）的形成取决于突触部位有新的蛋白质表达合成。此外，还有研究证明与miRNAs生物合成相关的蛋白质，如Dicer酶，RISC复合蛋白和脆性X智力迟钝蛋白（FMRP）在突触棘和突触后膜（PSD）中大量表达［11］。RISC复合蛋白，在果蝇中主要存在于突触中，并对长期记忆起到负性调节剂的作用，而这一作用可能与其相关的miRNA介导的钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（CaMK II）的下调有关［12］。CaMKII是一种常见的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，具有多种生物学功能。CaMKII主要存在于PSD，并通过突触的长时程增强（LTP）参与学习和记忆功能的形成。敲除RISC复合蛋白可使CaMKII的局部表达增加并使长时程记忆功能也增加。应用CaMKII抑制剂KN-62也发现树突棘的减少，这表明树突棘的生长需要CaMKII［13］。从上述研究中可以看出，miRNAs可以通过调节CaMKII的表达来调节突触可塑性，进一步对学习和记忆功能发挥作用。

cAMP应答元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）在突触可塑性调节中所起到的重要作用已逐渐为人们所认同。近年来有研究［14］发现miR-132的启动子区域含有CREB的结合位点，突触活动可通过CREB激活miR-132的转录。而CREB也主要是通过调节miR-132的转录来发挥其功能。另外RAJASETHUPATHY等［15］研究发现在海生生物Aplysia的感觉神经元中有大量miR-124表达。过表达miR-124可以阻断由5-羟色胺产生的长时程易化（long-term facilitation，LTF）；相反抑制miR-124则可以诱导LTF。其机制可能是miR-124抑制了CREB1的表达。另有研究［16］发现富集于神经元的miRNA是miR-134，它通过调节蛋白激酶（lim-domain containing protein kinase 1，Limk1）对树突棘的生长和发育起负性调节作用，并能够降低海马中CREB和BDNF的表达，影响突触可塑性和记忆的形成。现已发现miR-134受沉默调节蛋白 1（Sirtuin 1，SIRT1）的调控［17］。从上述研究中可见miRNAs和CREB之间存在着十分密切的的关系，对于调节突触可塑性方面可能发挥着重要作用。

虽然目前的研究尚未明确某一特定的miRNAs在突触可塑性形成及突触行使正常功能中发挥关键作用，但考虑到miRNAs是复杂基因表达调控网中的关键节点，因此miRNAs在突触形成和突触可塑性发生过程中必将起到关键作用，并且可以肯定的是，miRNAs参与了突触活动的调节。

3 miRNAs与认知功能障碍相关疾病

miRNAs不仅能够影响突触可塑性相关蛋白的表达，对于调节疾病相关蛋白的表达同样起到重要的作用。蛋白表达的改变可引起毒性蛋白聚集，导致神经功能紊乱而引起认知功能改变，如阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）。miRNAs参与神经退行性疾病的发生、发展目前公认的是主要通过以下3种方式：（1）通过调节mRNA编码表达引起毒性蛋白聚集；（2）通过改变影响退行性疾病蛋白质表达的上游蛋白；（3）改变与神经细胞存活有关的蛋白表达［18］。

AD是一种多见于老年人的神经退行性疾病，以进行性认知功能障碍和记忆损害为特征，主要病理特征为：（1）突触和神经元的丢失；（2）tau蛋白过度磷酸化所致的细胞内神经纤维缠结；（3）以β淀粉样蛋白（Aβ）为主要成分的细胞外老年斑沉积。WU等［19］通过研究发现，通过调控miR-200c的表达可以减少Aβ的磷酸化和聚集从而改善AD患者的发展进程。MIN等［20］认为，AD患者脑部沉默信息调节因子1（SIRT1）减少，而这种酶减少与微管相关蛋白p-tau聚积密切相关。LEE等［21］对鼠龄7个月，且有五大家族性AD（5XFAD）的转基因大鼠研究发现，通过病毒介导miR-188-5p的表达，其认知功能和突触传递得到明显改善。实验发现miR-188-5p在AD患者和5XFAD小鼠脑组织中表达下调，考虑miR-188-5p表达失调是诱导突触功能障碍和认知相关疾病的病理生理基础。大量研究结果表明，miRNAs对于调控AD等神经退行性疾病的发生、发展可能起到关键作用。

严重的抑郁症也会在不同程度上影响记忆和认知功能。KONOPKA等［22］研究发现编码蛋白的mRNA的3′UTR区的单核苷酸多态性与抑郁症也有一定的相关性，如5-羟色胺受体mRNA的3′UTR区存在单核苷酸多态性，则导致miR-96与其结合亲和力有所下降，使得受体的表达量增加，从而出现攻击行为。此类研究表明miRNAs对于抑郁症的的发生发展也存在影响。

4miRNAs与术后认知功能障碍（POCD）

POCD是指手术后发生的情绪、记忆、运动功能或者行为学方面的改变，有时需要通过神经心理学量表评估才能发现，属于认知功能障碍疾病中的一种。临床上可以表现为记忆丧失、精神运动型阻滞、痴呆、谵妄、精细运动协调困难和高级认知功能受损［23-24］。

POCD发生的危险因素主要有以下几个方面：（1）患者因素，包括年龄大、系统合并症多、术前已确认存在认知功能方面问题等；（2）手术因素，如手术时间长、手术类型大、手术合并的并发症较多、多次手术史等；（3）麻醉因素，如麻醉剂效应时间长、内环境紊乱、存在各种原因所致的器官缺血等。老龄是POCD发生的独立危险因素，但POCD具体的发病机制至今尚不完全清楚。目前认为，POCD的发病机制主要有以下几种学说［25］：（1）炎症学说；（2）β-淀粉样蛋白（Aβ）形成学说；（3）胆碱能神经学说；（4）神经递质、受体失衡学说；（5）自由基损伤学说；（6）血脑屏障损伤学说。

迄今，关于miRNAs与术后认知的研究有很多，也取得了很多重大的发现。YU等［26］对老龄大鼠进行脾切除术后成功建立了一种POCD模型。检测发现，与术前相比，术后外周血血清中miR-572表达水平明显降低。此外，无认知功能障碍大鼠的miR-572表达无明显变化，结果与临床检测一致，说明miR-572可能参与调控POCD大鼠的认知功能改变。WU等［27］通过收集110例拟行腹腔镜结肠癌根治术患者的术前1 d和术后7 d血清，术后7 d POCD发生率为26.4%，对比血清样本，发现POCD患者血清中TNF-α，CRP、miRNA-155均高于非POCD者，并提示：血清中miRNA-155的表达可能是结肠癌根治术患者术后POCD的独立影响因子。张永一等［28］通过实验发现，行腹部手术后的C57BL/6小鼠发生POCD后；实时荧光定量PCR检测海马组织发现miR-134表达量高于对照组，p-CREB/CREB表达较对照组降低，可见手术创伤使海马中miR-134表达增加，且CREB活性受到抑制，导致突触可塑性下降，从而引发术后认知功能障碍。WEI等［29］对术后认知功能障碍的老龄大鼠相关RNA网络系统研究发现，lncRNAs和miRNAs的表达存在差异，提示lncRNA和miRNA参与了POCD的发病和进程。结合上述诸多研究结果，miRNAs与术后认知功能障碍的关系正在逐步地被发现。

5 miRNAs与胆碱能抗炎通路的关系

Nature杂志于21世纪初首次提到以迷走神经及其主要递质乙酞胆碱（Ach）构成的神经-免疫调节通路，即胆碱能抗炎通路（cholinergic anti-infammatory pathway CAP）［30］。α7nAChR是介导CAP所必需的受体，在调控炎性因子产生的过程中起着关键性的作用。TERRANDO等［31］研究发现，激活巨噬细胞的α7 nAChR可通过抑制NF-κB活性阻止单核细胞向海马迁移从而减少POCD的发生。大量证据证实：α7-nAChRs与CAP在细胞内的信号转导通路是研究POCD致病机制及干预措施的关键。

在Cell Research最近的一篇文章中，SUN等［32］研究发现尼古丁可通过激活α7nAChR诱导microRNA-124（miR-124）上调进而抑制STAT3酪氨酸磷酸化和蛋白质的表达。研究显示miR-124 agomir可以抑制STAT3蛋白水平以及减少LPS诱导的IL6和TNF的产生。而炎症是POCD的主要促发因素。结合大量相关文献，我们更加有理由相信miRNAs与POCD之间存在着紧密的联系。

6 小结与展望

miRNAs在突触的合成，学习记忆、认知方面等方面的作用可见一斑。随着技术的发展和研究的深入，相信会有更多的miRNAs被证明参与调节认知功能，而其与POCD发生机制的相关性也将更加明确。如此，对于认知功能障碍相关疾病的诊疗将会大有裨益。但是，从生化的角度来说，因组织含量少，特异性要求高等特点使得miRNAs的检测并不十分容易。目前，对于miRNAs检测的方法主要是Northern blot、PCR和芯片检测［33］。如果在基因检测方面没有障碍，为miRNAs的发现保驾护航，则miRNAs必将大有希望成为认知功能方面研究的新热点和医学诊断治疗中的重要靶点。