山东医药2016年第56卷第41期 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) 摘要: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。 关键词: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 doi:10.3969/j.issn.1002—266X.2016.41.037 中图分类号:R741 文献标志码:A 文章编号:1002—266X(2016)41-0106-04 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 期痴呆最常见的原因。AD主要病理特征是神经细 胞外AB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 , 。AD患者大脑内致病蛋白AB聚集来源于 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Dro- I型跨膜淀粉样前体蛋白(APP)经p分泌酶和^y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一106b、miR一17-5p sha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Dic— er酶剪切加工,最后形成2l一24 nt成熟的单链 miRNAsl1j。和miR.20a家族在体外神经元细胞系能特异性结合 APP的3UTR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 。miR— NA.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 TR存在miR153 的识别位点,miR一153表达减少可致APP的表达增 多 J。诸多研究关注miRNA在AD发病机制中调 miRNAs通过RNA诱导的沉默复合物 (RISC)与靶基因mRNA的31JTR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 。miR- NAs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 J。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 节APP的表达,然而最近Wei等¨。。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miR— NA和APP相互之间的因果关系尚需进一步研究。 AD是最常见的渐进性神经退行性疾病和老年 B淀粉样前体蛋白裂解酶1(BACE1)是切割 APP产生A13的限速酶,BACE1的表达增加与AB 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 基金项目: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)。 通信作者:李克深(E—mail:likeshen1971@163.con) BACE1表达水平上调,增加A13聚集形成斑块从而 106 山东医药2016年第56卷第41期 促进AD疾病进程 l1]。miR一107在AD疾病早期表 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一155能明显减轻 一达量明显下降,同时BACE1 mRNA水平会升高¨ , 细胞实验证实了miR.107能靶向结合人类BACE1 mRNA 3I.ITR序列。另一个与AD密切相关的是 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 miRO,miRO在AD大脑皮层中表达上调和下调均 有报道 ’¨J。在AD模型小鼠,miRO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AB斑块在AD小鼠6个月时开 始形成,miR.9下降可能是由AB聚集直接引起。另 外在体外AB处理的小鼠原代培养神经元中,与未 对仅.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(MHCⅡ)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d.突触核蛋白诱导的炎症反应 。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一34b和miR-34e表达减少。此 外,在敲除miR.34b/34c分化的神经母细胞瘤细胞 经任何处理的小鼠原代神经元相比,包括miRO在 内的miRNA表达量会发生显著改变 。因此, miRO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 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- 34e能抑制 .突触核蛋白的表达,抑制miR一34b和 miR一34c的表达能增加仅.突触核蛋白水平和异常聚 集 。因此,PD患者大脑miR一34b和miR一34e水 平降低可能是通过改变细胞活性和增加仪-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 性蛋白,miRNATau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¨ 。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一132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 中表达量最高。miR-7表达水平在腹腔内注射神经 毒素1一甲基_4.苯基.1,2,3,6一四氢吡(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一153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一3的激活 。Kim等 报道 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一125b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Bc1.W下调,最终提高 Tau蛋白磷酸化水平,参与AD发病 。 2 miRNAs在PD发病机制中的作用 miR一107在PD患者大脑中表达水平下降,miR一107 通过结合CDK6参与细胞周期的调节,对其进入细 胞周期G 期有重要作用。由于重启细胞周期通常 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 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 一会导致减数后神经元细胞死亡,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一153和miR一107 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HI)发病机制中的作用 个突出病理表现,导致AD和PD神经元变性和坏 HD是一种以舞蹈症、精神异常和痴呆为特征 死。miR一155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¨ 。研究证实 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(H1Tr)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 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 。因 此,miR一155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 达和调节在YAC128和R6/2两种转基因HD模型 107 山东医药2016年第56卷第4l期 小鼠中发生改变,其中下调的miRNAs包括miR-22、 miR-29c miR一128 miR一132 miR一138 miR-218 miR- 疫应答和大脑发育有关。miR一155在大脑的增加是 ALS的不利因素,因为抑制SOD1G93A大鼠(ALS 222、miR一344和miR 74:lc,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 j。在HD患者额叶 皮层和纹状体下调的miRNAs包括miR.128、miR一 139—3p、miR-222、miR一382、miR-433和miR-483-3p, 模型鼠)脑中miR一155表达时,大鼠的存活率增 加 2 。Butovsky等 研究发现,miR一155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一155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一 155有可能成为治疗ALS的靶点。miR-206是骨骼 肌特异性minNA,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_29I3 。 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 。FGFBP1可 通过结合成纤维细胞生长因子在神经肌肉接头促进 上调的miRNA包括miR一100、miR-151-3p、miR一16、 miR.219-2.3p、miR-27b、miR-45 1和miR-92a 。 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H11’相互作用 j。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H1_r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/ 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。 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 综上所述,目前的研究成果清楚地指明了miR. 鼠中的表达量下降 J。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 NAs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 corepresorl(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,如促原活化蛋白激酶14/p38 理生理改变有关。筛选与疾病相关的miRNAs及其 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。 参考文献: [1]Basak I,Patil KS,Alves G,et a1.microRNAs as neuroregulatom, biomarkers and therapeutic agents in neur0degenerative diseases 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