非编码RNA在股骨头坏死发生、发展和治疗中的作用研究进展

陈 财 ，曾 平

(1.广西中医药大学研究生院,广西 南宁 530299;2.广西中医药大学第一附属医院骨病创伤骨科,广西 南宁 530023)

股骨头坏死(osteonecrosis of the femoral head,ONFH)是一种由多因素导致股骨头血管受损从而引起股骨头结构改变,最终导致股骨头塌陷的疾病,其主要是由骨结构的血液供应受损而导致[1-2]。据估计,我国约有812万15岁以上的ONFH患者[3]。ONFH的发病率高,治愈率低,其对患者的生活质量构成严重威胁,并造成沉重的经济负担[4]。ONFH的病因和发病机制尚不完全清楚,缺乏有效的治疗靶点。按照国际骨循环研究学会标准,将ONFH分为Ⅰ期、Ⅱ期、ⅢA期、ⅢB期和IV期[5],其疾病早期大多较隐匿,发展到后期出现股骨头塌陷、髋关节破坏等病理表现,往往需要进行全髋关节置换术,而全髋关节置换术后的不良反应以及手术操作难度大,且假体使用年限有限、需要再次返修等问题给患者和社会都带来了沉重的负担。因此,探索ONFH潜在的发病机制,寻找其早期诊断标志物和治疗靶点,是目前亟待解决的问题。非编码 RNA (non-coding RNA,ncRNA) 是一种从基因组转录而来的非蛋白质编码RNA分子,其能够对人体细胞中的多种生物学功能发挥调节作用[6]。ncRNA的种类有很多,尽管其在位置、结构、长度和功能上存在差异,但都能在正常基因表达和疾病进展中发挥作用,使其成为相关疾病机制和治疗研究的新靶点[7]。目前研究最多的 ncRNA主要是长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)、微RNA(microRNA,miRNA)和环状 RNA(circular RNA,circRNA)[8]。既往研究表明,lncRNA可以促进骨发育,miRNA有助于维持骨稳态的动态平衡,而circRNA 可以影响骨髓间充质干细胞的增殖及其向成骨细胞的分化[9-11],这些均被认为与ONFH的发生、发展密切相关。近年来,ncRNA已经成为医学领域的研究热点,随着高通量测序等技术的发展,越来越多的ncRNA被发现与ONFH的发病相关,其有可能成为ONFH特异性治疗的潜在靶点,但其具体机制尚未完全明确。基于此,本文就ncRNA在ONFH 发展和治疗中的作用进行综述,以期为ONFH的治疗提供可能的靶点。

1 ncRNA在ONFH发生、发展中的作用

ONFH是一个复杂的病理演变过程,其是由于股骨头局部血液供应中断引起,以骨细胞和骨髓的死亡为特征,主要临床症状为下肢无力、内收肌和髋关节疼痛、活动度下降等。在ONFH的发展过程中涉及多个ncRNA的异常表达,部分ncRNAs的表达升高或表达受到抑制能够促进ONFH的发生。

1.1 抑制ONFH发生、发展的ncRNA

1.1.1 肺腺癌转移相关转录本1(metastasis associated lung adenocarcinoma transcript 1,MALAT1)

MALAT1是位于染色体11q13 区域的 8 779 bp 转录本, 其首先在肺腺癌中被发现,既往研究证实其参与诱发了多种人类疾病[12]。研究发现,血清MALAT1可作为诊断ONFH的重要指标,ONFH患者血清和ONFH局部坏死组织中的 MALAT1 表达与其影像学进展和临床严重程度呈负相关,ONFH患者血清和坏死股骨头局部组织中的MALAT1基因表达水平明显低于健康人群[13]。HUANG等[14]研究表明,在激素性ONFH中,MALAT1可以通过分泌miR-214上调激活转录因子 4(activating transcription factor 4,ATF4)促进成骨分化。此外, MARHOLD等[15]在细胞实验中发现,小鼠前列腺的T抗原驱动模型肿瘤细胞能通过与 MALAT1基因融合而增强对雄激素的抑制,从而促进前成骨细胞的增殖和分化。

1.1.2 H19

H19是最早发现的lncRNA之一,由H19基因编码,H19 基因位于染色体 11p15.5 区域,由 RNA 转录聚合酶 Ⅱ 剪接和多聚腺苷酸化[16]。HAN等[17]研究发现 ,H19 可以分别与 miR-519b-3p 和 miR-296-5p 结合调节乙基丙二酰辅酶A脱羧酶基因和进行性强直基因的表达水平,其可以作为竞争内源性RNA(competitive endogenous RNA,ceRNA)在ONFH中发挥重要的作用。WU等[18]研究表明,H19参与了骨再生过程,其可以通过激活 Wnt信号来促进成骨分化,也可以通过黏着斑激酶诱导成骨, lncRNA H19在矿化的成骨细胞中上调,并通过 miR-185-5p/胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)信号通路促进成骨细胞基质矿化。H19还可通过转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)信号转导途径改变成骨分化相关基因Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2,RUNX2)、骨钙素(osteocalcin,OCN)等基因表达水平,从而调节骨形成过程[19]。

1.1.3 生长抑制特异性基因(growth arrest-specific transcript 5,GAS5)

GAS5是一种常见的lncRNA,GAS5的表达与多种癌症发病密切相关[20]。刘沛[21]研究表明,淫羊藿苷能够上调GAS5,抑制miRNA-222的表达,从而促进血管内皮生长因子的表达和糖皮质激素诱导的骨微血管内皮细胞的分化,进而有利于骨坏死的修复,发挥治疗激素性ONFH的作用。还有研究发现,GAS5的表达水平与甲状旁腺激素水平存在直接相关性[22];而甲状旁腺激素作为调节钙、磷代谢水平的生物活性物质,能够调节骨的合成和分解代谢,对成骨细胞的分化、成熟、凋亡发挥重要作用[23]。

1.1.4 小脑变性相关蛋白1反义转录物(cerebellar degeneration-associated protein 1 antisense transcripts,CDR1as)

研究发现,CDR1as是一种特殊的ncRNA,其在骨组织修复中起到调控作用[24]。JIANG等[25]研究发现,在血浆和局部组织中circRNA CDR1as的表达均与非创伤性ONFH患者的疾病严重程度相关。WANG等[26]在体外实验中发现,CDR1as能与miR-28-3p/肿瘤坏死因子受体相关蛋白3(tumor necrosis factor receptor related protein 3,TRAF3)组成ceRNA调控网络抑制肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)等炎症因子的表达,从而抑制破骨细胞分化。还有研究发现,CDR1as能作为ceRNA 与miR-7竞争性结合,从而减少其对胰岛素样生长因子-1受体(insulin-like growth factor-1 receptor,IGF-1R)的抑制作用,上调IGF-1R的表达[27];而研究发现,IGF-1 能够与骨骼IGF-1R结合,引起胰岛素受体底物1磷酸化,激活磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)依赖的蛋白激酶B (protein kinase B,Akt),促进成骨细胞增殖和存活[28]。

1.1.5 circRNA浆细胞瘤变体易位1(circRNA plasmacytoma variant translocation 1,circPVT1)

circPVT1长度为410 nt,是浆细胞瘤转化迁移基因1非编码区易位转录产物[29]。HAO等[30]研究发现,circPVT1能够通过调节 miR-21-5p 介导的 Sma和Mad相关蛋白7(sma and mad-related protein 7,Smad7)/TGF-β 信号通路减轻 ONFH。

1.2 促进ONFH发生、发展的ncRNAs

1.2.1 心肌梗死相关转录物(myocardial infarction-associated transcripts,MIAT)

据报道,MIAT能够参与并调节多种疾病的病理生理过程,如心肌梗死、糖尿病视网膜病变、偏执型精神分裂症、微血管功能障碍、核小体的形成等[31]。FANG等[32]研究发现,在人激素性ONFH的坏死股骨组织中,骨坏死区域MIAT基因的相对表达水平明显高于邻近正常区域,活血通络胶囊可通过改变组蛋白H3上的第4位赖氨酸三甲基化和组蛋白3第27位赖氨酸三甲基化(trimethylationof lysine 27 on histone 3,H3K27me3)来显著抑制MIAT表达,促进成骨生成。JIN等[31]的研究表明,MIAT 是人类脂肪干细胞成骨分化的重要调节因子,在人类脂肪干细胞中通过敲低MIAT基因表达量可以逆转TNF-α对成骨细胞的抑制作用。

1.2.2 miR-141

miR-141属于miR-200家族,主要参与成骨细胞分化过程调控[33]。TIAN等[34]在激素性ONFH大鼠模型中发现,miR-141能通过靶向TGF-β2,调控骨保护素(osteoprotegerin,OPG)、OPG配体、B 细胞淋巴瘤蛋白 2(B-cell lymphoma protein 2,Bcl-2)、Bcl-2相关X蛋白、RUNX2、骨形态发生蛋白2和核因子-κB受体活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB,RANK)的表达,增加成骨细胞的活性并抑制破骨细胞的活性,从而改善ONFH的发生发展。

1.2.3 miR-214

研究表明,与正常健康组的股骨头组织相比,人激素性ONFH的股骨头局部坏死组织中的MALAT1表达下调,miR-214表达上调,MALAT1可以通过海绵化竞争性结合miR-214,从而上调ATF4的基因表达,促进骨髓基质细胞成骨分化,从而抑制ONFH的发生[14]。此外,CAO等[35]在牙周韧带干细胞的体外实验中发现,与正常对照组相比,miR-214抑制剂组牙周韧带干细胞中的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、OCN和骨唾液酸蛋白等成骨细胞标志物的mRNA 表达水平显著上调,证明miR-214能够抑制成骨细胞分化。SONG等[36]在牛乳腺上皮细胞中研究发现,miR-214可以间接抑制炎症细胞因子IL-1β的表达,而IL-1β能够上调核因子κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand,RANKL)的基因表达水平和下调OPG的基因表达水平来促进破骨细胞的生成[37]。

1.2.4 miR-206

Wnt信号通路能够参与骨质稳态的调节,其可以抑制骨髓基质细胞向软骨细胞和脂肪细胞的分化,同时也能在促进成骨细胞分化中发挥重要作用,从而在ONFH中发挥重要作用。YAN等[38]研究发现,miR-206能够通过Wnt信号通路促进ONFH的发生。CHEN等[39]研究发现,成骨细胞标志物RUNX2和骨桥蛋白的mRNA水平在过表达miR-206的骨髓间充质干细胞中显著下调,证明miR-206能够抑制骨髓间充质干细胞成骨分化。DUAN等[40]研究表明,在经脂多糖刺激后的人星形胶质细胞中,miR-206可以通过增强NF-κB信号通路而增加炎症细胞因子IL-1β的表达,而IL-1β的表达增加能够促进破骨细胞分化。IGF-1是诊断ONFH的生物标志物之一。YU等[41]研究表明,miR-206 可以通过激活大鼠PI3K/Akt-雷帕霉素靶蛋白信号通路来靶向抑制IGF-1的基因表达水平,从而影响ONFH的进展。

1.2.5 circUSP45

KUANG等[42]在激素性ONFH大鼠中发现,circUSP45可以靶向磷酸酯酶和张力蛋白同源物/AKT通路调控骨髓间充质干细胞的成骨和增殖,而抑制circUSP45可以增加骨量。

2 ncRNA在ONFH治疗中的作用

ONFH的治疗依然是骨科的难题之一,血液高凝状态、脂质代谢紊乱、血管损害、骨内压的升高、氧自由基代谢紊乱等是目前公认导致ONFH发病的理论机制,但其发病机制尚未完全清楚,故临床上尚无法实现针对病因的治疗。ncRNA是目前医学领域研究的热点,随着对ONFH探讨的不断深入,目前研究发现,大量的ncRNA参与其中,并且涉及多种靶基因和信号通路,如果能由此阐明疾病的发病机制,将对今后ONFH的防治有重要意义。

2.1 转录反义RNA(HOX transcript antisense RNA,HOTAIR)

研究发现,HOTAIR是一种从 HOXC 基因座转录的长度为 2.2 kb 的 lncRNA,其在癌症、心血管疾病和类风湿关节炎等疾病中发挥重要的作用[43]。YUAN等[44]在ONFH小鼠实验中证实,新橙皮苷可以降低HOTAIR启动子中H3K4me3(激活组蛋白修饰)的占有率,减少HOTAIR对小鼠骨髓中骨髓间充质干细胞的抑制作用,从而发挥治疗骨坏死的作用。WEI等[45]研究证实,在人ONFH骨髓组织中,HOTAIR对成骨细胞的增殖和分化发挥着重要的调节作用。研究发现,在多囊卵巢综合征大鼠模型中,HOTAIR能够作为ceRNA竞争性结合miR-130a,上调IGF-1基因的表达水平[46],而IGF-1 是一种具有重要生物学功能的生长因子,能够作为ONFH 的诊断标志物,其通过自分泌和旁分泌信号作用于骨细胞,促进成骨细胞的增殖,调节骨的吸收,并参与骨重塑[47]。因此,HOTAIR可能为ONFH治疗提供新的靶点。

2.2 miR-335

淫羊藿药用历史悠久,最开始记载于《神农本草经》,其性味辛、甘、温,归肾、肝经,具有壮阳补肾、强筋骨、除湿祛风的功效,现代医学研究表明,淫羊藿治疗ONFH效果明显,其能够通过调节多种信号通路发挥治疗ONFH的作用,而淫羊藿苷作为其主要药效成分,对于ONFH的有效治疗作用已通过实验研究得到充分证实[48]。YUE等[49]研究发现,miR-335 可能是淫羊藿苷的潜在靶标,淫羊藿苷可能通过miRNA-335防止激素性ONFH的发生。此外,WANG等[50]在miR-335-5p转染的小鼠骨髓间充质干细胞中检测到成骨标志物ALP、胶原蛋白I、OCN和骨唾液蛋白的表达量增加,证实miR-335-5p能够促进骨髓间充质干细胞成骨分化。

2.3 miR-146a

NAN等[51]研究发现,白藜芦醇可以上调激素性ONFH大鼠的 miR-146a表达量,从而来稳定成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收之间的骨稳态。此外,还有研究发现,miR-146a可以通过控制RANKL与OPG的平衡来促进破骨细胞生成的增加[52]。

3 结论

ONFH是一种多因素致残性疾病,涉及多种遗传和环境因素,已成为危害人类健康的比较严重的公共问题。目前的研究表明,ncRNA表达水平的改变能够影响调控ONFH发病的多种作用机制,如骨髓间充质干细胞的成骨增殖,骨髓基质细胞成骨分化,成骨细胞与破骨细胞分化,Wnt、Smad7/TGF-β等信号通路,这些机制通过ncRNA介导和作用,影响ONFH的发展。一些ncRNA可以作为ONFH早期诊断的生物标志物,有利于ONFH的早期诊断与预防。此外,ncRNA还与多种骨代谢相关调控因子相关,这为ONFH的诊断和治疗带来了新的思路,但目前缺少直接与ONFH相关的研究,还需要进一步研究来揭示其详细的作用机制。