微小RNA與缺血性腦損傷

張 煜，郭 軍

南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，南京 210029

微小RNA與缺血性腦損傷

張 煜，郭 軍

南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，南京 210029

微小RNA(miRNA)是一類高度保守的單鏈RNA，在機(jī)體發(fā)育代謝過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在大量的miRNA，不僅與神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、分化和生理功能密切相關(guān)，在腦缺血后神經(jīng)病變和功能失調(diào)中也發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。特定miRNA能通過(guò)自身水平變化影響缺血后其靶基因的表達(dá)，參與神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)機(jī)制以及凋亡再生機(jī)制的調(diào)控。充分了解腦內(nèi)特異性miRNA的功能和調(diào)控機(jī)制，有助于從基因水平上為缺血性腦損傷的預(yù)防、診斷和治療提供新的策略。

腦缺血;微小RNA;功能

微小RNA(microRNA，miRNA)是一種由21～23個(gè)核苷酸組成的內(nèi)源性非編碼RNA，廣泛存在于病毒和高等生物中且進(jìn)化高度保守［1］。miRNA基因在RNA聚合酶Ⅱ (polⅡ)、核糖核酸酶ⅢDrosha和Pasha酶等作用下轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒靘iRNA，并與RNA介導(dǎo)的沉默復(fù)合體 (RNA-induced silencing complex，RISC)結(jié)合。動(dòng)物miRNA堿基通過(guò)與靶信使RNA(mRNA)不完全結(jié)合的方式在轉(zhuǎn)錄后負(fù)向調(diào)節(jié)靶miRNA表達(dá)，最終導(dǎo)致mRNA穩(wěn)定性降低或翻譯抑制，從而參與細(xì)胞的發(fā)生、增殖、分化、生長(zhǎng)、代謝和凋亡等生物學(xué)過(guò)程的調(diào)控［2-3］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)存在大量的miRNA，這些miRNA不僅與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、分化和功能密切相關(guān)［4］，在腦缺血后神經(jīng)病變和功能失調(diào)中也發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。揭示miRNA與缺血性腦損傷的關(guān)系，能為腦缺血疾病預(yù)防和治療提供新的思路或途徑。

腦內(nèi)miRNA簡(jiǎn)介

通過(guò)對(duì)人和鼠的成體器官的miRNA表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)，約50%的miRNA表達(dá)有組織特異性。研究顯示miR-124在大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表達(dá)水平比其他器官高100倍，然而肌肉特異性miR-1在大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表達(dá)水平比在心肌和骨骼肌中低100～1000倍。此外，在腦內(nèi)還發(fā)現(xiàn)高表達(dá)的miR-134和miR-138［5］。研究還揭示，腦組織特異性 miRNA在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)差異性分布，如 miR-92b、miR-146b、miR-551b、miR-330*、miR-384和let-7g在大鼠海馬區(qū)的表達(dá)明顯高于皮質(zhì)區(qū)［6］;對(duì)大鼠杏仁核、小腦、海馬、下丘腦和黑質(zhì)的miRNA分析顯示，有48種miRNA在其中1個(gè)或者2個(gè)區(qū)域內(nèi)的含量超過(guò)其他區(qū)域3倍，這暗示腦特異性miRNA在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)有區(qū)域特異性功能［7］。此外，Smirnova等［8］研究發(fā)現(xiàn)，miR-124和miR-128主要表達(dá)于神經(jīng)元，而miR-23僅局限于星形膠質(zhì)細(xì)胞。miR-26和miR-29在星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)高于神經(jīng)元。

特定miRNA在腦缺血后神經(jīng)細(xì)胞中的表達(dá)變化與調(diào)控

缺血刺激下腦組織特異性miRNA的表達(dá)特點(diǎn)腦缺血是目前導(dǎo)致殘疾和死亡最常見的原因之一［9］，miRNA被證實(shí)參與此過(guò)程。局灶性腦缺血可誘導(dǎo)大鼠腦組織特異性miRNA廣泛而持續(xù)的變化。短暫性大腦中動(dòng)脈閉塞 (middle cerebral artery occlusion，MCAO)模型中發(fā)現(xiàn)，短暫腦缺血后表達(dá)發(fā)生改變的miRNA占觀察總數(shù)的20%，其中24種表達(dá)增強(qiáng)，23種表達(dá)減弱［10］。

此外，神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)miRNA在腦缺血后表達(dá)存在時(shí)空特異性。與氧含量正常的神經(jīng)細(xì)胞相比，神經(jīng)元內(nèi)miR-29b在幼鼠氧和葡萄糖剝奪 (oxygen and glucose deprivation，OGD)實(shí)驗(yàn)6 h后上調(diào)2倍，24 h后上調(diào)至4倍;miR-21在OGD 24 h后上調(diào)2倍;而星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)miR-29b和miR-21只在OGD 12 h之后上調(diào)。另外，miR-30b、miR-107和 miR-137僅在星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)改變［11］。上述現(xiàn)象可能與它們?cè)谀X中參與的生理過(guò)程不同以及缺血激活星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元內(nèi)的生化途徑不同有關(guān)，具體機(jī)制尚不清楚。

miRNA參與缺血預(yù)處理神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù) 研究發(fā)現(xiàn)，腦缺血預(yù)處理3 h后miR-200家族選擇性上調(diào)。miR-200家族的miR-200b、miR-200c和miR-429能針對(duì)脯氨酰羥化酶2(hypoxia inducible factor-prolyl hydroxylase，PHD2)發(fā)揮神經(jīng)耐受作用。PHD2作為氧感受器，通過(guò)氧依賴性途徑催化缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor，HIF)特定脯氨酸殘基發(fā)生羥化反應(yīng)，從而介導(dǎo)HIF降解。HIF被發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下對(duì)維持組織、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定十分必要。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)體外轉(zhuǎn)染miR-200家族部分miRNA也能增強(qiáng)缺血性神經(jīng)耐受。上述研究揭示，miR-200家族成員的早期活化通過(guò)PHD2基因沉默和隨后HIF-1α的穩(wěn)定來(lái)增強(qiáng)缺血性神經(jīng)耐受［12］。

超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase，SOD)是一種能消除生物體在新陳代謝過(guò)程中產(chǎn)生的自由基等有害物的活性物質(zhì)。人體中SOD包括3類:SOD-1、SOD-2和SOD-3。體內(nèi)缺血模型研究發(fā)現(xiàn)，miR-145可調(diào)控位于線粒體內(nèi)的SOD-2蛋白的表達(dá)。大鼠MCAO模型中發(fā)現(xiàn)抑制miR-145活性可顯著上調(diào)SOD-2表達(dá)水平，從而增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的耐受［10］。

miRNA-21被認(rèn)為是機(jī)體強(qiáng)抗凋亡因子，通過(guò)對(duì)大鼠預(yù)缺血處理2d后的RT-PCR分析發(fā)現(xiàn)，在腦缺血邊界區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞中，miR-21表達(dá)水平比同源對(duì)側(cè)神經(jīng)細(xì)胞高3倍。體外研究也證實(shí)，miRNA-21在皮質(zhì)神經(jīng)元中的過(guò)度表達(dá)能顯著抑制OGD誘導(dǎo)的神經(jīng)元凋亡。相反，由反義引物抑制作用所致的內(nèi)源miR-21衰減卻加劇了OGD后的細(xì)胞凋亡。miR-21的過(guò)度表達(dá)還能有效降低 Fas配體 (Fas ligand，F(xiàn)ASLG)水平，F(xiàn)ASLG是腫瘤壞死因子α家族的一員和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的重要配體。上述研究結(jié)果表明，過(guò)度表達(dá)的miR-21能通過(guò)下調(diào)FASLG抑制凋亡發(fā)生，增強(qiáng)缺血性神經(jīng)耐受，很可能被識(shí)別為一個(gè)重要的治療缺血性腦損傷的分子藥物靶點(diǎn)［13］。

miRNA調(diào)節(jié)缺血性神經(jīng)損傷和促凋亡的相關(guān)機(jī)制 腦缺血引起神經(jīng)細(xì)胞死亡有兩種形式:凋亡和壞死。前者涉及一系列基因的激活和表達(dá)調(diào)控，大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，miRNA在此過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在小鼠MCAO和小鼠神經(jīng)細(xì)胞瘤N2A細(xì)胞OGD模型中，miR-497被誘導(dǎo)表達(dá)，而阻滯miR-497作用后，OGD誘導(dǎo)的N2A細(xì)胞凋亡得到顯著抑制。相反，有活性的miR-497能促進(jìn)OGD誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷和死亡。另有實(shí)驗(yàn)證明，bcl-2/-w的3'-UTR是miR-497直接靶點(diǎn)，miR-497能下調(diào)bcl-2增加線粒體膜的通透性。進(jìn)一步研究揭示，敲掉miR-497能顯著加強(qiáng)缺血區(qū)bcl-2/-w蛋白水平并減少缺血性腦梗死，改善神經(jīng)系統(tǒng)功能［14］。以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，miR-497能通過(guò)負(fù)性調(diào)節(jié)抗凋亡蛋白bcl-2/-w促進(jìn)腦缺血后神經(jīng)元凋亡。

此外，在體外H2O2誘導(dǎo)PC12細(xì)胞凋亡模型中發(fā)現(xiàn)，與正常細(xì)胞相比，PC12凋亡細(xì)胞中檢測(cè)到miR-160、 miR-61、 miR-122a、 miR-422a、 miR-494和miR-513共6個(gè)明顯下調(diào)的miRNA分子，其中miR-422a和miR-122a調(diào)節(jié)的靶基因分別是bcl-w和N-myc［15］。N-myc 和 c-myc、mht-myc 是核蛋白原癌基因的Myc基因的組成部分，其中N-myc主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中。N-myc極少表達(dá)于正常神經(jīng)細(xì)胞，其過(guò)度表達(dá)可誘發(fā)細(xì)胞凋亡。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，miR-422a與bcl-w蛋白表達(dá)負(fù)相關(guān)，同時(shí)，bcl-w被證實(shí)有miR-422a的作用位點(diǎn)，因此推測(cè)miR-122a和miR-422a可能分別通過(guò)調(diào)節(jié)N-myc和bcl-w蛋白表達(dá)參與了腦缺血神經(jīng)細(xì)胞的凋亡調(diào)節(jié)［16］。let-7在海馬的發(fā)育、分化和功能方面發(fā)揮重要作用，let-7最早是在秀麗隱桿線蟲 (C.elegans)中發(fā)現(xiàn)的miRNA之一，具有高度保守性、時(shí)序性、組織細(xì)胞特異性，同時(shí)被證實(shí)是一種腫瘤抑制因子。腦缺血再灌注后24 h，let-7家族中的 let-7a/7b/7c/7d/7e/7f/miR-98表達(dá)均顯著下調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)與細(xì)胞死亡有關(guān)的因子表達(dá)，參與細(xì)胞凋亡調(diào)控，具體的機(jī)制還有待研究［17］。

miRNA參與缺血后神經(jīng)再生調(diào)節(jié) miRNA也參與了腦缺血后組織損傷修復(fù)——神經(jīng)再生的調(diào)控。腦缺血后，補(bǔ)體C1q含量上調(diào)。補(bǔ)體C1q不僅能增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞的活力，促進(jìn)突起生長(zhǎng)和防止β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡，還通過(guò)下調(diào)特定miRNAs參與神經(jīng)因子的表達(dá)調(diào)控。補(bǔ)體C1q可下調(diào)被預(yù)測(cè)能以神經(jīng)生長(zhǎng)因子 (nerve growth factor，NGF)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子-3(neurotrophin-3，NT-3)的mRNA為靶基因的let-7，使缺血后腦內(nèi)NGF和NT-3表達(dá)增加，促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的再生［18］。

miR-124和miR-134被證實(shí)均能調(diào)節(jié)局部樹突棘的發(fā)育，其中前者通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)結(jié)合蛋白，在神經(jīng)系統(tǒng)中隨著大腦成熟而表達(dá)增加［19］。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠MACO后24 h兩者均顯著上調(diào)［20］，提示miR-124和miR-134可能參與調(diào)控缺血后神經(jīng)細(xì)胞再生。深入研究發(fā)現(xiàn)，miR-290和在miR-124a與視錐蛋白樣基因1(visinin-like 1，VSNL1)的抑制有關(guān)系，兩者均通過(guò)抑制靶基因VSNL1調(diào)控神經(jīng)再生［21］。

miR-137是原癌基因周期素依賴性激酶6(cyclin dependent kinase 6，CDK6)的直接抑制者，在星形細(xì)胞瘤中比在普通腦組織中表達(dá)減少，推測(cè)miR-137在星形細(xì)胞瘤的細(xì)胞增殖中發(fā)揮一定作用。同時(shí)miR-137只在暴露于OGD條件下的星形膠質(zhì)細(xì)胞中增加［22］，提示腦缺血后miR-137可能通過(guò)抑制CDK6誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖。另外，miR-26、miR-107和miR-210在缺氧環(huán)境下能降低凋亡前信號(hào)肽，被證實(shí)也與細(xì)胞增殖有關(guān)［23］。

miRNA與腦缺血損傷的診斷

缺血后miRNA特異性表達(dá)的時(shí)間效應(yīng)，被認(rèn)為是臨床診斷腦損傷和預(yù)后的有效生物指標(biāo)。例如，缺血性中風(fēng)患者血液miR-210比健康對(duì)照組顯著降低，尤其是在缺血性中風(fēng)發(fā)作7 d和14 d時(shí)，另外，miR-210水平在預(yù)后較好的患者中顯著提高，因此，推測(cè)miR-210可能成為臨床診斷腦缺血及預(yù)后的一種新型生物標(biāo)志物［24］。由于在體液中miRNA高度穩(wěn)定存在，相對(duì)于傳統(tǒng)影像學(xué)檢測(cè)，體液檢測(cè)miRNA具有靈敏度高、樣本收集程序簡(jiǎn)便、一個(gè)樣本可同時(shí)檢測(cè)多項(xiàng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，因而當(dāng)前醫(yī)學(xué)已嘗試將miRNA用于缺血性腦損傷的診斷和預(yù)后的評(píng)判。

綜上，腦內(nèi)miRNA表達(dá)譜對(duì)臨床治療缺血性腦疾病具有極高的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，隨著對(duì)miRNA在腦內(nèi)基因表達(dá)調(diào)控功能的不斷認(rèn)識(shí)，腦內(nèi)miRNA表達(dá)研究受到廣泛關(guān)注。目前，有關(guān)特異性miRNA在腦組織的生理功能以及腦損傷miRNA在不同腦區(qū)特異性調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)還有待深入。充分了解腦內(nèi)miRNA表達(dá)譜，尋找特定miRNA作為臨床腦缺血診斷和預(yù)后的鑒定指標(biāo)，明確與miRNA相關(guān)的治療靶點(diǎn)以及治療藥物，已成為當(dāng)前退行性神經(jīng)病變研究的重要方向和新內(nèi)容。

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MicroRNA and Cerebral Ischemia

ZHANG Yu，GUO Jun

Laboratory Center for Basic Medical Sciences，Nanjing Medical University，Nanjing 210029，China

GUO Jun Tel:025-86862729，E-mail:Guoj69@yahoo.com.cn

MicroRNAs(miRNAs)are a class of highly conserved single-stranded RNA molecules that modulate gene translation.By targeting the mRNA of protein-coding genes，miRNAs play a critical role in neuronal differentiation，cell proliferation，apoptosis and metabolism.There are a lot of miRNAs in central nervous system，which are not only closely linked to development，differentiation and function of nerve cells，also play an important role in nerve lesions and dysfunction after cerebral ischemia.Specific miRNA through their own changes affect their target gene expression levels after focal cerebral ischemia，involving in the protection against apoptosis in neurons and regeneration after cerebral ischemia.A full understanding of the specific microRNA function and its underlying mechanism in the brain can provide a new strategy for the prevention，diagnosis，and treatment of ischemic cerebral injury at gene level.

cerebral ischemia;microRNA;functions

Acta Acad Med Sin，2012，34(4):418-421基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金 (81170714)和江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目Supported by the National Natural Sciences Foundation of China(81170714)and Jiangsu Province“Six Talents Peaks”Project

郭 軍 電話:025-86862729，電子郵件:Guoj69@yahoo.com.cn

Q52

A

1000-503X(2012)04-0418-04

10.3881/j.issn.1000-503X.2012.04.021

2011-10-11)

·論 著·