miRNA和MMP在椎间盘退变中作用的研究进展

郭涛文 ，蔺茂强 ，张晓勃 ，胡一村 ，张芮浩 ，周海宇

1 兰州大学第二医院骨科，兰州 730030；2 甘肃省骨关节疾病研究重点实验室；3 西安红会医院骨科

下腰痛（LBP）是脊柱外科的常见疾病，严重影响人们的正常工作和生活质量，甚至导致残疾，给社会公共卫生工作和经济发展带来了巨大负担。椎间盘退变（IVDD）被认为是导致LBP 的主要原因，其病因机制至今不明，是遗传、年龄、机械负荷和不良习惯（如吸烟、酗酒）等因素综合作用的结果［1］。近年来，随着分子和细胞水平检测技术的发展以及IVDD 病因学机制研究的不断深入，微小RNA（miRNA）作为转录后基因表达的关键调控因子，在生物体新陈代谢、细胞增殖和凋亡等生物学过程中发挥重要作用［2］。与健康髓核（NP）组织相比，miRNA 在退变NP 组织中异常表达，这对IVDD进程具有不可忽视的调控作用［3-4］。研究表明，miRNA 可参与细胞外基质（ECM）重塑、炎症作用、细胞凋亡和增殖等病理生理过程，从而影响IVDD的发生发展［4-7］。而基质金属蛋白酶（MMP）主要通过促进基质中蛋白成分的降解，打破合成和分解代谢之间的平衡状态，进而推动IVDD 进展。除单独发挥作用外，miRNA 还可调控MMP 的表达，以此参与 IVDD［8-9］。因此，本文对 miRNA 和 MMP 在 IVDD中的作用进行综述，旨在为IVDD 的临床诊断和靶向治疗提供指导。

1 miRNA在IVDD中的作用

miRNA是一类由内源基因编码的长度约为22个核苷酸的非编码单链RNA 分子，由茎环前体miRNA经Ⅲ型核糖核酸酶Dicer加工修饰后生成，参与生物转录后基因的表达，且对大部分细胞mRNA 的表达具有负性调节作用。基于这种生物学特性，miRNA在机体正常和病理状态下均可发挥至关重要的调控作用。这或许为抑制甚至逆转机体疾病状态提供了靶标，特别是在IVDD 中，一些异常表达的miRNA 通过下游途径调控炎症反应、细胞凋亡和过度增殖、ECM 成分降解等，调节椎间盘（IVD）组织的生物活性，参与 IVDD 的发生和进展［2-7，10-15］。但目前 miRNA异常表达对IVDD 的综合影响尚不明确，阐明其作用机制将有利于临床上病态IVD的治疗。

1.1 miRNA 与炎症反应 众所周知，炎症作用是导致IVDD的重要机制，并且退变IVD组织中肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素（IL）等促炎细胞因子的大量增多可能与miRNA的表达水平密切相关。研究发现，miR-2355-5p 在退变IVD 组织和脂多糖（LPS）诱导的NP 炎症环境中表达上调，其靶基因ERBB 受体反馈抑制剂1（ERRFI1）表达减少，并且ERRFI1抑制LPS诱导的炎症因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）产生和抑制NP细胞（NPC）异常增殖的有利作用被miR-2355-5p所阻断［5］。可见，过表达的miR-2355-5p 可促进NPC过度增殖和炎症作用，加速IVDD 的进程。另外，炎症因子的存在影响了 miRNA 的表达。LIN 等［13］发现，TNF-α 可抑制人 NPC 的活力，增加 IL-1β 表达同时还可减少miR-495-3p mRNA 的表达量，具有抑制NPC 增殖、促进细胞凋亡和诱导炎症等作用。但miR-495-3p 表达上调逆转了TNF-α 的这种负性效应，这可能与 miR-495-3p 靶向作用于 IL-5 受体 α 亚基有关。说明调整miRNA 表达可能是调控NP 组织中炎性因子分泌的可靠手段，有望成为治疗IVDD的策略。

1.2 miRNA 与细胞凋亡 凋亡是细胞的程序性死亡，时刻发生于机体的生理和病理过程中，而IVD细胞（包括NPC、纤维环细胞、软骨终板细胞）凋亡被认为是 IVDD 最重要的特征。SUN 等［10］研究发现，miR-199a-5p 在IVDD 组织中过表达，并通过靶向调节沉默信息调节因子2 相关酶1（SIRT1）的水平介导了p21 的高表达，促进了细胞凋亡相关蛋白如裂解半胱天冬酶-3 和B 细胞淋巴瘤2 相关X 蛋白的表达。结果表明，miR-199a-5p 可通过促进NPC 的凋亡来推动IVDD 过程。与之相反的是，miR-19b-3p和miR-499a-5p 等miRNA 分子在退变的IVD 组织中呈现低表达状态，当它们的表达量被上调时，可作用于其下游靶点或通路发挥抑制NPC 凋亡的作用［7，14］。可见，miRNA 可通过促进或抑制 IVD 细胞凋亡影响整个IVDD 过程，恢复其正常表达水平和针对靶点的调控方式或可有效抑制IVD常驻细胞的凋亡，减缓退变进程。

1.3 miRNA 与 ECM 稳态 正常情况下，IVD 中的ECM 成分经过合成代谢和分解代谢而不断更新，总体上维持稳态，但当分解作用强于合成作用时，平衡状态的打破将引发IVDD。研究发现，高水平的miR-30d 与NP 组织的退行性变密切相关，且抑制miR-30d 可靶向上调SRY 相关高迁移率组框9（SOX9）的表达，从而促进Ⅱ型胶原蛋白（Col Ⅱ）和蛋白聚糖的表达并减少了MMP-3 和MMP-13 的合成，对维持ECM 的稳态有积极作用［6］。由此可知，退变NP 组织中miR-30d 的高表达可抑制SOX9 的表达而阻止ECM组分的合成，同时促进了基质成分的水解，这无疑加重了IVDD。然而，有研究发现，miR-499a-5p在人退变NP组织中表达水平和作用机制与miR-30d几乎完全相反，即miR-499a-5p 在过表达时可促进Col Ⅱ和蛋白聚糖的合成并抑制MMP-3 和MMP-13的表达，在一定程度上扭转了合成和分解代谢之间的失衡［14］。鉴于 ECM 中蛋白成分的丢失是 IVDD 发生过程中最为重要的病理变化，通过调整miRNA 表达维持ECM 成分相对稳定对于临床治疗IVDD 具有一定的潜力。

综上所述，miRNA 在退行性IVD 组织的复杂环境中表达异常，其异常表达与IVDD 有关。因此，及时调整使其表达水平恢复正常对IVDD 有一定的延缓甚至逆转作用，这为临床研究IVDD 的基因靶点治疗提供了途径。

2 MMP在IVDD中的作用

MMP是一类依赖锌的蛋白水解酶，可降解ECM中的多类蛋白质。迄今为止，已鉴别出多种MMP，包括胶原酶、明胶酶、溶基质素、基质溶解素、膜型MMP（MT-MMP）和其他类型六种。作为组织重塑和修复的重要调节因子，MMP 能够以“一对多”或“多对一”的方式参与多种ECM 成分的降解，以此重建ECM 结构，进而维持细胞外微环境的相对稳定状态。研究表明，MMP 可通过调节免疫应答、ECM 成分重塑等过程，参与IVD退化、动脉粥样硬化和肿瘤等多种疾病的病理生理活动［16］。

如前文所述，IVDD的起始和发展过程涉及诸多因素，其病因机制尚未完全阐明，但不可否认的是，IVD 组织中ECM 稳态的破坏是IVDD 发生的重要标志。目前已知，在各种复杂病理因素的刺激下，IVD细胞中分解代谢基因的激活导致MMP的异常高表达，造成Col Ⅱ、蛋白聚糖等ECM重要组分的减少，加快了IVDD的发展速度。KWON等［17］发现，在缺氧和IL-1β的共刺激作用下，MMP-1和MMP-3在NPC 和纤维环细胞中的表达显著上调，并通过增加ECM降解促进了IVDD发展。另外，基质细胞衍生因子-1能够以剂量依赖性方式促进 MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-9、MMP-13 在人终板软骨细胞中的表达，加速了软骨终板组织ECM 的降解［18］。此外，下调胰岛素样生长因子1受体的表达可增加MMP-13表达量，继而引起Col Ⅱ和蛋白聚糖的水解，最终导致小鼠IVDD 加速［19］。可见，IVD 细胞中 MMP 过表达增强了对 ECM的分解代谢作用，从而造成IVDD 的恶化，这可能与IVD 细胞赖以生存的微环境被破坏密切相关。此外，还有大量的研究证实，MMP与IVDD具有相关性。如MMP-1 的免疫组织化学评分可作为颈、腰IVDD严重程度的独立预测指标［20］；MMP-3、MMP-9 被发现在LBP患者的退化软骨终板样本中过表达［21］。鉴于遗传因素在IVDD 中的关键作用，MMP 的基因多态性也可影响其在IVD 组织中的蛋白质表达水平，从而作用于 IVDD［22］。除此之外，IVD 细胞 MMP 的表达水平还受到miRNA 的调控，这将在下文中做详细阐述。总之，MMP-1、-2、-3、-9、-13 等作为ECM 重塑的直接效应分子，它们的过表达在IVDD 的进展过程中具有至关重要的作用。

3 miRNA/MMP轴在IVDD中的作用

3.1 miRNA/MMP 轴概述 miRNA 作为一种高度保守的组织特异性小分子RNA，其具有广泛的靶基因，几乎可影响所有基因的表达，可通过抑制mRNA翻译或促进其降解参与转录后基因表达的调控过程。部分miRNA 可与MMP mRNA 的3'-未翻译区域（3'-UTR）互补序列结合，以此调控MMP 的表达，构成miRNA/MMP 轴。在IVDD 发生时，轴内miRNA的低表达使得相应MMP 高表达，造成ECM 蛋白成分的丢失，加剧了IVDD［8-9，23-28］。

3.2 miR-155/MMP-16 轴 miR-155 是一种相对保守的多功能miRNA，其异常表达参与免疫应答反应、炎症反应和肿瘤发生等机体生理和病理过程［8］。MMP-16 作为MT-MMP 的一员，被发现在正常生理过程如胚胎发育和组织重塑中发挥一定作用，并可参与 IVDD 中 ECM 成分的降解［29］。随着生物信息技术的发展，miR-155 靶向调节MMP-16 的作用被发现。

ZHANG 等［8］研究发现，miR-155 在退变 NP 组织中的表达水平明显降低，而MMP-16的表达量与IVD组织退变的严重程度呈正相关。实验结果表明，miR-155 水平的上调在抑制MMP-16 表达的同时增加了小鼠NP 组织中蛋白聚糖和Col Ⅱ的表达；相反，抑制miR-155 的表达导致MMP-16 表达上调和NP 组织中蛋白聚糖的减少，从而加速IVDD。可知，在IVDD 过程中，miR-155 表达下调使得它靶向抑制MMP-16 表达的作用被减弱，导致了MMP-16 高表达，进而造成IVD 细胞生存的微环境发生改变，如ECM 成分、含量变化。通过内源性上调和外源性补充miR-155，以及抑制靶点MMP-16 的方式有望为逆转IVDD提供新的思路。

3.3 miR-127-5p/MMP-13 轴 miR-127-5p 与 多 种疾病的发生及进展过程有关，包括骨关节炎（OA）和恶性肿瘤等，其参与细胞的增殖、凋亡等过程，同时也在ECM 降解过程中发挥一定作用［30］。MMP-13作为一种基质降解酶，在IVDD 过程、OA 进展及肿瘤侵袭、转移过程中扮演重要角色［23］。特别是近年来，miRNA 和MMP 在IVDD 过程中的重要作用不断被学者证实，miR-127-5p/MMP-13轴可能在IVDD过程中发挥重要作用。

有研究表明，在退变IVD 组织中，miR-127-5p过表达引起NPC 中Col Ⅱ表达上调，MMP-13 表达降低；而抑制miR-127-5p 表达后，Col Ⅱ表达降低，MMP-13 表达则增加，即 MMP-13 和 miR-127-5p 的表达呈负相关［23］。可见，miR-127-5p/MMP-13 轴对IVDD 的发生发展具备调控能力。此外，Col Ⅱ丢失是IVDD 的早期标志，而低表达miR-127-5p 引发的MMP-13 高表达进而导致的Col Ⅱ减少可能是IVDD发生的重要机制，因此miR-127-5p 表达水平的恢复可能在人类NPC 中发挥保护作用，从而维持IVD 组织正常的生理活性。

3.4 miR-193a-3p/MMP-14 轴 miR-193a-3p 是 机体细胞完成生长、增殖、凋亡、迁移和侵袭等生物学活动的重要参与者。并且，miR-193a-3p还可通过控制局部细胞促炎因子的释放来介导炎症反应的发生，参与机体多种病理生理过程［31］。MMP-14 也属于MT-MMP 中的一种，参与肿瘤等疾病的发生和发展，并且在 IVDD 过程中可降解 ECM 成分，如Col、弹性蛋白、蛋白聚糖等，从而加速其进程［32］。与正常IVD 组织不同，退变IVD 组织中出现了miR-193a-3p的异常表达，并存在miR-193a-3p 与MMP-14 之间的轴向作用。

近期研究发现，miR-193a-3p 的过表达可增加NPC中Col Ⅱ的合成，且生物信息学靶点预测、Western blotting 和相关基因检测结果都显示MMP-14 为miR-193a-3p的靶标；与此同时，抑制miR-193a-3p的表达可导致MMP-14表达上调，从而降解Col Ⅱ等重要ECM组分，促进IVDD的发生［24］。

上述研究证实，miR-193a-3p/MMP-14 轴在IVDD 过程中发挥了作用，且维持miR-193a-3p 的表达或抑制其下调可阻止ECM 成分的丢失，从病因学机制上延缓或逆转IVD结构变性，为IVDD疾病的临床诊断及防治提供新的方向。

3.5 miR-874-3p/MMP-2、miR-874-3p/MMP-3 轴miR-874-3p在机体细胞凋亡和生长等生理过程中扮演重要角色，如通过抑制肿瘤细胞的增殖、迁移或促使其凋亡在骨肉瘤等恶性肿瘤中发挥一种负性调节作用［33］。而且，miR-874-3p 还可能在抑制 NPC 凋亡中起桥梁作用。MMP-2 是一种明胶酶，它可降解基底膜的主要成分而促进肿瘤转移及进展，同时在各种细胞的ECM 重塑中发挥不可忽视的作用，MMP-3也具有类似作用［34］。因此，miR-874-3p 抑制 NPC 凋亡和 MMP-2、MMP-3 所具备的 ECM 降解等作用，但它们是否共同参与IVDD 过程及其作用机制依然值得探索。

当IVD 组织发生退变时，miR-874-3p 表达量降低。SONG 等［9］研究发现，28 例 IVDD 患者的 NP 组织中miR-874-3p 表达均出现显著降低，且其表达下调可能在IVDD 过程中发挥重要作用。miR-874-3p在正常IVD 中可直接靶向下调MMP2、MMP3 在NP组织中的表达，避免了ECM 的降解，维持NP 结构的完整性，起到保护IVD 的作用。众所周知，IVD 组织在承载复杂机械应力和维持脊柱稳定性方面有至关重要的作用，且NP 组织变性及NPC 数量减少是IVDD 的重要内容。因此，这种表现为miR-874-3p表达减少和MMP-2、MMP-3 表达增加的轴向作用会推动IVDD 的进展，针对该轴的靶向疗法可为IVDD的治疗提供新的希望。

3.6 miR-202-3p/MMP-1轴 研究发现，miR-202-3p可靶向抑制MMP-1 的表达，并且其表达缺失可通过上调MMP-1 的表达和破坏内皮间连接增强乳腺癌细胞在脑内皮的迁移，表明miR-202-3p/MMP-1轴在乳腺癌转移过程中发挥重要作用［35］。尽管MMP-1因具备ECM 降解作用而与IVD 退变和突出的发病过程密切相关，但miR-202-3p 在IVDD 中的作用却鲜有研究。因此，miR-202-3p/MMP-1 轴是否在IVDD发生发展过程中具备类似的调控作用需要进一步探讨。

既往研究表明，NP组织退变越严重，miR-202-3p的表达量越低。SHI 等［25］发现，miR-202-3p 在退变NP组织中表达下调，且miR-202-3p的过表达抑制了IL-1β 诱导的 MMP-1 表达，阻止了 Col Ⅱ的降解；而miR-202-3p被抑制后，MMP-1的表达显著上调，并造成Col Ⅱ的丢失。值得注意的是，IL-1β 的刺激可显著下调miR-202-3p 的表达并诱导MMP-1 的表达，而miR-202-3p的过表达也可反过来抑制IL-1β对MMP-1的这种诱导作用，从而阻止IVDD 过程。这表明，miR-202-3p 表达上调可降低人NPC 中MMP-1 的表达量，维持ECM 稳态，在IVDD 发生过程中具有保护基质的作用，或可作为预防及治疗IVDD 的特殊靶点。

综上所述，miRNA 通过调控细胞凋亡、炎症反应和ECM 降解等途径以及MMP直接参与ECM 蛋白成分降解而在IVDD发生发展过程中发挥重要作用，miRNA和MMP之间存在特殊的轴向关系。因此，基于miRNA和MMP在IVDD过程中这种不可替代的作用，或可开发早期诊断方法以及针对miRNA、miRNA靶基因和miRNA/MMP 轴的靶向治疗方式。这为临床早期识别IVDD 提供了可能，并且在运用无创方法延缓甚至逆转IVDD方面展现出巨大的潜力。