骨质疏松症与微小RNA及其信号通路的研究进展

朱 迪 陈 冉 张 洋 孙 岩

(1 昆明医科大学药学院，云南省昆明市 650500，电子邮箱：443601344@qq.com；2 中国科学院昆明动物研究所，云南省昆明市 650032；3 云南省第一人民医院，昆明市 650032；4 昆明医科大学第二附属医院检验科，云南省昆明市 650000)

【提要】 骨质疏松症(OP)是一种常见的骨代谢病，发病率高，其发病机制在于成骨/破骨活动的失衡。在生物体内，微小RNA(miRNA)参与多种生理活动，包括增殖、分化、凋亡等。研究表明，miRNA已成为诊断OP的生物学标志物以及治疗的基因靶点。本文就OP与miRNA及其信号通路的研究进展进行综述。

骨质疏松症(osteoporosis,OP)是一种全身骨代谢疾病，骨微环境中成骨与破骨活动的失衡导致了低骨量和骨脆性增高，其最严重的后果是骨质疏松性骨折(osteoporotic fracture,OPF)[1]。据统计，全世界约有2亿人患有骨质疏松[2]。双能X线骨密度仪检测得到的骨密度值是诊断骨质疏松的金标准，而血清骨代谢标志物如骨碱性磷酸酶、抗酒石酸酸性磷酸酶等也常作为辅助诊断指标[3-4]。微小RNA(microRNA，miRNA)是在转录后参与细胞增殖、分化、凋亡等的小型非编码RNA，存在于多种生物体内，具有19～22个核苷酸，参与增殖、分化、凋亡等生物过程。相关研究表明miRNA参与骨微环境中的骨吸收/生成、骨髓间充质干细胞增殖和分化的调节[5-7]。深入研究骨质疏松与miRNA及其通路的关系，有助于解释骨质疏松的发病机制，为骨质疏松的诊断、治疗提供新思路。本研究就骨质疏松与miRNA及其信号通路的研究进展进行综述。

1 miRNA与OP有关的信号通路

1.1 miRNA与Runt相关转录因子2 Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)是骨细胞的特异转录因子。在众多的miRNA中，miRNA-342-3p可通过RUNX2介导成骨分化，可直接作用于三碘甲状腺原氨酸，形成信号通路的关联并与碱性磷酸酶启动子结合，调控其激活和表达；miRNA-342-3p还可以激活促成骨分化相关基因的启动子区域，激活RUNX2的表达，促进骨形成，减少骨吸收[8-9]。miRNA-23b-3p可通过靶向抑制RUNX2的表达从而抑制小鼠模型的成骨活性[10]；同时，在低骨密度患者的血清中，miRNA-23b-3p水平较高[11]，说明钙盐沉积减少与miRNA-23b-3p有关，miRNA-23b-3p是调控钙盐沉积的关键因子。miRNA-874-3p通过抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因的表达、增强RUNX2的表达来刺激成骨细胞分化、矿化以及骨形成[12]。过表达的miRNA-338-3p可抑制RUNX2的表达，从而抑制成骨细胞分化[13]。研究显示，miRNA-153可通过上调RUNX2的表达进而增强成骨细胞活性[14]。对于人骨髓间充质干细胞，miRNA-9和miRNA-10也可以通过促进RUNX2的表达及细胞外信号调节激酶信号通路来促进成骨分化[15]。miRNA-451通过抑制TyR-3/TRp-5单氧酶激活蛋白的表达，间接上调RUNX2的表达，从而促进成骨细胞的形成和矿化[16]。上述结果表明，转录后的miRNA通过调控RUNX2的表达，从而影响成骨细胞/破骨细胞的增殖、分化，进而调控骨微环境的成骨/破骨平衡。

1.2 miRNA与骨形态形成蛋白家族 骨形态形成蛋白家族也是骨微形态的关键调节蛋白。miRNA-1403p在成骨细胞来源的外泌体中高度表达，其通过抑制骨形态形成蛋白2的表达，从而抑制成骨细胞的形成[17]。miRNA-450b是一种正调控因子，上调miRNA-450b的表达可抑制内源性骨形态形成蛋白3的表达，这一过程在体内体外均可以促进骨形成[18]。在糖皮质激素诱导的小鼠骨质疏松模型中，miRNA-106b可靶向抑制骨形态形成蛋白2的表达，进而减少成骨细胞分化和骨形成[19]。以上研究结果提示，miRNA-450b激动剂或者miRNA-1403p、miRNA-106b抑制剂是治疗骨质疏松的潜在药物。

1.3 miRNA与过氧化物酶体增殖物激活受体 过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)主要表达于脂肪组织和免疫系统，与脂肪细胞分化、机体免疫以及胰岛素抵抗相关。上调PPAR的表达可以促进成脂细胞分化，机体通过蓄积脂肪，利用骨骼-机械应力系统来维持骨微环境稳态，从而避免骨折。miRNA-27a可抑制破骨细胞微管结构的生成，降低其稳定性，导致骨吸收减少[20-21]；其抑制骨吸收的功能与miRNA-27a相似，均通过上调PPAR的表达，间接性增强骨形成蛋白、抑制素跨膜蛋白、富含半胱氨酸型运动神经元蛋白1来促进骨生成[22]。与PPAR通路相关的miRNA潜在靶点，其功能均集中在抑制破骨细胞活性和增加脂肪细胞分化两方面。而抑制破骨细胞活性只是治疗OP的一个方面，更为重要的是促进成骨细胞的生成，此类与PPAR通路相关的miRNA有望作为OP治疗的辅助靶点。

1.4 miRNA与Wnt信号通路 Wnt信号通路参与多种生理、生化过程，与骨质疏松相关的是经典Wnt/β-catenin信号通路，增强Wnt/β-catenin信号通路相关蛋白的表达，可以促进成骨分化、抑制破骨分化以及脂肪形成。miRNA-27a可以通过激活Wnt信号通路促进成骨细胞分化[23]；miRNA-410可通过下调Wnt信号通路3a蛋白的表达来促进软骨形成[5]。Dickkopf相关蛋白1是Wnt信号通路的强大拮抗剂，被认为是骨质疏松的生物标志物。miRNA-433-3p通过靶向抑制Wnt信号通路中的Dickkopf相关蛋白1来促进成骨细胞分化[24]。miRNA-139-5p作为miRNA-139-3p的前体，可以促进Dickkopf相关蛋白1的表达，从而抑制骨髓间充质干细胞的骨生成[25]。动物实验中，沉默miRNA-148a-3p可以提高骨密度，其机制在于Wnt信号通路蛋白1是内源性的脂肪生成抑制剂，沉默miRNA-148a-3p可以下调Wnt信号通路蛋白1的表达，促进脂肪细胞分化，间接提高骨密度[26]。miRNA-210-5p、miRNA-135a-5p、miRNA-211、miRNA-23a-3p、miRNA-204-5p等作为Wnt信号通路的拮抗剂，其表达紊乱也会导致骨质疏松[27]。

此外，miRNA-23a/b通过抑制跨膜蛋白64的表达，介导骨髓间充质干细胞分化，降低miRNA-23a/b表达会导致骨髓间充质干细胞随着年龄增长而增加跨膜蛋白64的表达，进而抑制Wnt信号通路，导致骨质疏松的发生[28]。miRNA-22-3p可抑制Wnt信号通路，负调节骨生成作用和破骨作用，从而抑制钙结节的形成[29]。miRNA-34a-5p可与Wnt信号通路组分Frizzled-3相互作用，调控Wnt信号通路蛋白1的表达和翻译，从而促进成骨作用[30]。

miRNA-31-5p与Wnt信号通路组分Frizzled-3相互作用，可以抑制后者的成骨活性[31]。miRNA-376c的过表达可以抑制Wnt信号通路蛋白2的表达，从而抑制成骨细胞活性；其还可以通过抑制Wnt信号通路靶向转换生长因子来抑制骨肉瘤的增殖和侵袭[32]。在人骨髓间充质干细胞增殖和成骨细胞分化过程中，miRNA-141-3p通过直接抑制细胞周期G1，发挥负调控Wnt信号通路的作用[33]。miRNA-29通过抑制成骨细胞分化的启动子，包括连环素蛋白相互作用蛋白1、Dickkopf相关蛋白1、Frizzled相关蛋白2和跨膜蛋白2的表达，从而抑制Wnt信号通路[34-36]。miRNA-142-3p也可以通过直接靶向抑制腺瘤性息肉病杆菌，导致Wnt信号通路中的连环素蛋白相互作用蛋白蓄积，从而增强Wnt信号通路蛋白的表达[37-38]。miRNA-199a-5p通过促进Frizzled相关蛋白4和Wnt信号通路蛋白2表达来调控成骨细胞增殖[39]。miRNA-539加强轴蛋白1的表达，通过增强Wnt信号通路促进骨质疏松大鼠成骨细胞的增殖、分化以及破骨细胞的凋亡[40]。

1.5 miRNA与核因子κB受体活化因子配体 核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor κB ligand，RANKL)是关键的破骨细胞分化因子，破骨细胞是人体唯一具有骨吸收能力的细胞类型。miRNA-148a对破骨细胞分化具有正调控作用，并通过促进v-maf 肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物B的表达，抑制活化的T细胞核因子、T细胞激活因子1、原癌基因c-Fos和小眼畸形相关转录因子等的表达，来调控RANKL诱导的破骨细胞形成[41-42]。miRNA-125a可以通过抑制肿瘤坏死因子受体因子(tumor necrosis factor receptor-associated factor，TRAF)和T细胞激活因子1的信使核糖核酸水平，阻止CD14外周血单核细胞分化为破骨细胞；而TRAF6下游靶点T细胞激活因子1又可以结合miRNA-125a的启动子来调控miRNA-125a的表达；因此，miRNA-125a通过TRAF6和T细胞激活因子1形成一个负反馈环来调节破骨细胞分化[43]。miRNA-214在破骨细胞分化中起关键作用，可以通过靶向促进磷酸酶-张力蛋白表达，调控RANKL活化的正磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶/T细胞激活因子1信号通路而作用于破骨细胞分化[44]。激活的转录抑制因子2在破骨细胞活性的RNAKL信号通路中形成一个正反馈环，从而促进破骨细胞的生成，而miRNA-34a可能以转录抑制因子2为靶点[45]。elF2αK2基因作为RANKL信号通路中诱导破骨细胞分化的重要靶点，可被miRNA-182抑制其表达，这种抑制作用可抑制下游的β干扰素作用，从而减少破骨细胞活动[46-47]。miRNA-17/20a可以靶向阻断RANKL信号通路，抑制破骨细胞分化；miRNA-126-5p过表达可以减少骨溶解作用；miRNA-26a抑制剂的过表达可促进破骨细胞的形成和功能[48-50]。miRNA-144-3p在脊椎动物中表达相对保守，它通过RANKL靶点来调控破骨细胞[51]。上调miRNA-21可有效抑制核因子κB受体活化因子配体，导致破骨细胞抑制因子程序性死亡蛋白表达，引起破骨细胞活性下降[52]。RANKL信号通路在骨疾病研究中常常作为研究重点，其在成骨细胞中表达，可激活破骨细胞，调控机体骨钙素水平，也被称为骨保护素配体。miRNA通过RNAKL信号通路保护骨质疏松的研究是具有前瞻性的，一方面可解决临床上骨质疏松药物的匮乏，另外一方面也可以作为骨代谢相关疾病的解决方案。miRNA可以作为RANKL过表达的抑制靶点，用于治疗风湿性骨关节炎、动脉粥样硬化的斑块沉着等。

1.6 miRNA与转化生长因子β/Smads信号通路 转化生长因子β(transforming growth factor β，TGF-β)是另外一类具有广泛基因调控作用的信号通路，参与细胞生长、分化、凋亡和动态平衡等过程，骨形态形成蛋白也属于TGF-β超家族成员。Smads家族蛋白是将TGF-β信号从细胞表面受体传导至细胞核，激活或者抑制TGF-β信号通路调控的靶基因。miRNA-214-5p可激活TGF-β/Smad蛋白2信号通路，促进骨髓间充质干细胞成骨、成脂分化[53]；miRNA-21可以与Smad蛋白7结合来抑制骨形成[54]。

2 miRNA与OP的其他关联

一些冷门的靶蛋白和信号通路也在miRNA与OP中起着重要的作用。miRNA-219a-5p通过下调成骨分化过程中视黄酸相关受体β 的mRNA水平导致成骨分化[55-57]。单核细胞作为破骨细胞的前体，上调miRNA-708-5p在单核细胞中的靶基因丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2、细胞周期蛋白D1、核糖聚合酶1等的表达，将导致骨质疏松的发生[58]。miRNA-485-5p作为一种钙盐沉着的抑制剂，会减少成骨因子碱性磷酸酶的分泌，减少钙化结节形成，其作用靶点位于成骨相关转录因子抗体，上调miRNA-485-5p的表达可促进成骨分化[59]。miRNA-181a的作用通路为凋亡相关因子配体信号通路，通过CD4+T淋巴细胞诱导骨髓间充质干细胞凋亡，负调控成骨作用，可导致骨质疏松[60]。miRNA-31a-5p以外泌体为载体，分别通过特异AT序列结合蛋白2和转录因子E2F2调控骨髓间充质干细胞分化和成骨细胞衰老，并通过Rho家族蛋白通路积极增强破骨细胞分化；应用miRNA-31a-5p的拮抗剂可以减少与年龄相关的骨质流失[61]。

3 结 语

miRNA可以作为诊断和治疗骨质疏松的靶点，具有广阔的应用前景。血清miRNA生物标志物作为检验本底，敏感性强，特异度高[62-64]。但miRNA作为诊断指标无法做到标准化，原因是在不同人种和区域之间，miRNA在不同独立实验中表现出差异性，因此对各地区不同人种的骨质疏松，miRNA的诊断指标应独立检验[65-66]。这是miRNA作为骨质疏松通用诊断标志物亟待解决的问题。

在骨代谢疾病的治疗中，我们希望利用miRNA来调节骨形成/吸收的平衡，基于细胞学水平的治疗方法有利于防止骨量丢失和潜在的骨折风险[67]。