MicroRNA在皮膚創(chuàng)傷愈合中的作用

吳 燕， 王友亮， 陳克平

(1. 江蘇大學(xué) 生命科學(xué)研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院 生物工程研究所發(fā)育和疾病遺傳學(xué)研究室, 北京 100071)

miRNAs是一類長(zhǎng)度為19～24個(gè)核苷酸的非編碼小分子RNA，在進(jìn)化上具有高度保守性。miRNA通常以單拷貝、多拷貝或基因簇等形式存在于基因組中，首先由RNA聚合酶Ⅱ從miRNA 編碼基因轉(zhuǎn)錄出初級(jí)轉(zhuǎn)錄本(pri-miRNA)，pri-miRNA在Drosha酶的作用下剪切為具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)約70個(gè)核苷酸的miRNA前體(pre-miRNA)，它在細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Exportin-5的作用下運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)中，接著通過Dicer酶剪切成約22個(gè)核苷酸的成熟單鏈RNA。成熟的miRNA能夠與靶標(biāo)mRNA分子的3′末端非翻譯區(qū)特異性結(jié)合，形成 RNA沉默復(fù)合體(RISC)，RISC對(duì)靶標(biāo)基因mRNA產(chǎn)生抑制性信號(hào)，使蛋白表達(dá)受到抑制，或直接導(dǎo)致mRNA的降解，參與轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控[1]。miRNA在皮膚領(lǐng)域的早期研究中，主要集中于皮膚病的治療及皮膚癌發(fā)生，隨后的研究表明它在皮膚創(chuàng)傷愈合過程中的作用也十分顯著，miRNA逐漸成為皮膚研究領(lǐng)域中的一個(gè)新熱點(diǎn)。

1 miRNA在皮膚發(fā)育中的作用

干細(xì)胞是一類具有自我更新和分化能力的未成熟細(xì)胞，可以分化為其它類型細(xì)胞、組織及器官。皮膚中存在可以分化為表皮、皮脂腺和毛囊等各種皮膚組織的干細(xì)胞，miRNA能夠影響皮膚干細(xì)胞自我更新和皮膚形態(tài)發(fā)生及分化，特別是miR-125b和miR-203在維持干細(xì)胞增殖和前體細(xì)胞分化過程中有重要作用[2]。Dicer酶是決定miRNA成熟的關(guān)鍵酶，皮膚胚胎前體細(xì)胞如果缺失Dicer酶，將會(huì)影響前體細(xì)胞的分化，最終導(dǎo)致毛囊發(fā)育的顯著差異[3]。在相同的條件下分別敲除皮膚中的Dicer和DGCR8(miRNA成熟過程中的重要輔助因子)，兩種小鼠表型沒有太大差異，都會(huì)使其毛囊外翻、細(xì)胞凋亡增多、皮膚粗糙及新生小鼠致死現(xiàn)象等，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)Dicer缺失小鼠毛囊隆起部位的毛囊干細(xì)胞發(fā)生異常并最終退化，暗示miRNA在維持毛囊干細(xì)胞發(fā)育有著重要作用，而在表皮中缺失Dicer似乎并沒有影響其干細(xì)胞或前體細(xì)胞[4]。不同于其他miRNA，miR-205b在早期發(fā)育中促使皮膚干細(xì)胞快速增殖，在成體皮膚干細(xì)胞中敲除miR-205，干細(xì)胞將會(huì)提前退出細(xì)胞循環(huán)周期，加速新生干細(xì)胞進(jìn)入靜息狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致毛囊發(fā)育異常，進(jìn)一步研究證實(shí)miR-205是靶向PI(3)K信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控分子，可抑制Akt的活化，進(jìn)而抑制干細(xì)胞的增殖[5]。未來關(guān)于miRNA和其他靶基因在這一過程的調(diào)節(jié)機(jī)制的研究會(huì)加強(qiáng)我們理解皮膚干細(xì)胞形態(tài)發(fā)生。

2 miRNA在皮膚創(chuàng)傷愈合中的作用

皮膚創(chuàng)傷愈合是一個(gè)動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的過程，它主要包括3個(gè)階段：最早出現(xiàn)的是炎癥反應(yīng)階段，主要表現(xiàn)為凝血和炎癥反應(yīng)；隨后為細(xì)胞的增殖階段，主要包括再上皮化、血管新生和肉芽組織形成，其中角質(zhì)細(xì)胞的增殖和遷移是皮膚愈合最重要的階段；最后階段為組織的重塑，主要是膠原的沉積、重塑及膠原纖維的產(chǎn)生[6]。在創(chuàng)傷愈合的不同階段都有特定的miRNA發(fā)揮重要的作用。

2.1miRNA在炎癥反應(yīng)階段的作用

目前miRNA在炎癥反應(yīng)階段的作用知之甚少。當(dāng)皮膚受到創(chuàng)傷時(shí)，創(chuàng)口處于嚴(yán)重缺血和缺氧狀態(tài)，使中性粒細(xì)胞進(jìn)入損傷區(qū)，其主要功能是分泌大量趨化因子，誘導(dǎo)血液中的單核細(xì)胞進(jìn)入局部創(chuàng)傷組織成為巨噬細(xì)胞，除此之外，中性粒細(xì)胞分泌大量的酶類，一定程度上能起到殺傷某些微生物的作用，實(shí)施主要功能后，中性粒細(xì)胞將通過凋亡程序消失。miRNA-105能夠靶向調(diào)節(jié)TLR-2，在人角質(zhì)細(xì)胞中，過表達(dá)miR-105可以降低TLR-2的表達(dá)水平，能夠減輕創(chuàng)傷的炎癥反應(yīng)[7]。白介素-22(IL-22)與皮膚創(chuàng)傷的炎癥過程密切相關(guān)，它是一種促炎癥細(xì)胞因子，在人永生化角質(zhì)細(xì)胞系和重組人表皮細(xì)胞中用IL-22誘導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)miR-184的表達(dá)量分別提高了15倍和8倍，進(jìn)一步研究證實(shí)IL-22通過JAK-STAT3通路促進(jìn)miR-184的表達(dá)，抑制靶分子AG02(RISC重要組成部分)的表達(dá)[8]。可見miRNA在炎癥階段有重要調(diào)控作用。

2.2 miRNA在細(xì)胞增殖階段的作用

在創(chuàng)傷愈合中，增殖階段是表皮再生的重要階段。目前已有大量研究發(fā)現(xiàn)miRNA可以影響角質(zhì)細(xì)胞的增殖和遷移。大多數(shù)慢性創(chuàng)傷都處于缺血缺氧狀態(tài)，并且在缺氧狀態(tài)下創(chuàng)傷很難愈合，然而miR-210在低氧狀態(tài)下較為敏感，它能夠顯著地調(diào)節(jié)低氧轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α來增強(qiáng)低氧的敏感性，同時(shí)靶向轉(zhuǎn)錄因子E2F3，E2F4，對(duì)角質(zhì)細(xì)胞的增殖階段發(fā)揮重要作用[9]。近期Sampath等[10]尋找到控制傷口愈合及幫助皮膚細(xì)胞遷移的分子“開關(guān)”，健康者和糖尿病患者皮膚組織內(nèi)都生產(chǎn)一種調(diào)控基因表達(dá)的miRNA-198，當(dāng)健康者的皮膚出現(xiàn)傷口時(shí)，皮膚細(xì)胞就會(huì)停止制造這種miRNA，它的數(shù)量急劇下降后開啟多個(gè)控制傷口愈合的機(jī)制，其中一個(gè)愈合機(jī)制是，傷者的體內(nèi)開始生產(chǎn)一種幫助皮膚細(xì)胞遷移的蛋白質(zhì)FSTL1，這種蛋白質(zhì)幫助角化細(xì)胞移向傷口，然后填補(bǔ)傷口，進(jìn)而防止傷口被外部物質(zhì)感染。MiR-27b在角質(zhì)細(xì)胞遷移卻起著相反的作用，在燒傷的皮膚中miR-27b相對(duì)于正常皮膚有著顯著地降低，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)它能夠抑制SDF-1α蛋白表達(dá)，從而顯著抑制受傷皮膚間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移[11]。miRNA-203在形成皮膚的保護(hù)層中也起到了關(guān)鍵的作用，它在皮膚創(chuàng)口前緣表達(dá)量降低，其靶分子RAN和RAPH表達(dá)升高，而這兩個(gè)分子能夠促進(jìn)創(chuàng)傷表皮角質(zhì)細(xì)胞的遷移和增殖，在皮膚受到損傷時(shí)，miR-203對(duì)維持皮膚穩(wěn)態(tài)平衡發(fā)揮著特殊的作用[12]。miRNA-203可以阻斷p63蛋白的轉(zhuǎn)譯，導(dǎo)致上皮內(nèi)層的干細(xì)胞離開并遷移到皮膚表面，迅速轉(zhuǎn)換為末端分化的細(xì)胞，由于p63分子的活性降低，抑制干細(xì)胞的增殖，結(jié)果導(dǎo)致小鼠形成非常薄的皮膚，然而p63在癌細(xì)胞中有過量表達(dá)，這一結(jié)果對(duì)理解癌癥提供了很好的線索[13]。

miRNA除了在角質(zhì)細(xì)胞增殖和遷移中起作用，對(duì)血管形成和成熟也發(fā)揮著重要功能。其中miR-199a-5p通過抑制Ets-1-MMP1通路導(dǎo)致皮膚血管生成受阻，從而抑制皮膚創(chuàng)傷愈合[14]。另外也發(fā)現(xiàn)miR-200b在創(chuàng)傷血管形成階段表達(dá)量下降，在內(nèi)皮細(xì)胞過表達(dá)它的靶分子珠蛋白轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合蛋白2(GATA2)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體2(VEGFR2)能夠挽救miR-200b對(duì)血管的影響，下調(diào)miR-200b可以激活GATA2和VEGFR2表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)創(chuàng)口血管形成。但是它在糖尿病人反應(yīng)中卻不一樣，如果在病人中把內(nèi)皮細(xì)胞用腫瘤壞死因子α處理，促炎性細(xì)胞因子大量存在從而誘導(dǎo)miR-200b表達(dá)，抑制了GATA2和VEGFR2的作用，使血管生成受到了抑制從而抑制創(chuàng)傷愈合，因此miRNA在臨床治療中還需要針對(duì)不一樣的人群[15]。

2.3 miRNA在組織重塑階段的作用

表1 miRNAs創(chuàng)傷愈合中各個(gè)時(shí)期的功能

創(chuàng)傷愈合過程中，miRNA在重塑過程中發(fā)揮了輔助功能，主要是影響膠原蛋白的沉積以及膠原纖維的產(chǎn)生。研究比較多的是miR-29家族，miR-29a在TGF-β、PDGF-B和 IL-4調(diào)控下，能夠直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄后膠原蛋白的表達(dá)，從而促進(jìn)組織重塑[16]。但是miR-29b卻有著相反的作用，miR-29b能夠調(diào)控膠原Ⅰ的合成，過表達(dá)miR-29b能夠顯著地減少膠原Ⅰα1和Ⅰα2，敲低內(nèi)源性miR-29b可以誘導(dǎo)膠原Ⅰα1和Ⅰα2的上調(diào)，miR-29b是膠原Ⅰ型亞基的轉(zhuǎn)錄后抑制因子，有望成為抑制瘢痕形成的藥物[17]。miR-200家族在組織重塑過程中也發(fā)揮了重要作用，利用紫草素局部治療創(chuàng)傷能夠影響上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)換(EMT)和抑制相關(guān)的miRNA表達(dá)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在EMT調(diào)控中，miRNA-200家族靶向Sip1和Tcf8使得EMT增加，促使創(chuàng)傷修復(fù)，紫草素有望成為一種治療創(chuàng)傷愈合的新藥物[18]。miR-200家族在現(xiàn)有的研究中比較廣泛，就目前所知miR-200b和miR-200c參與多種信號(hào)通路，例如MAPK、p53、TGF-β和膠原蛋白的合成，在創(chuàng)傷愈合過程，它能夠通過MAPK信號(hào)通路調(diào)節(jié)膠原蛋白和基質(zhì)金屬蛋白酶的合成，同時(shí)它還在瘢痕瘤中表達(dá)下降，主要是參與其過程的膠原蛋白沉積[19]，因此miR-200可能在皮膚纖維形成時(shí)也發(fā)揮作用，這還有待進(jìn)一步的探索。

目前研究與皮膚創(chuàng)傷相關(guān)的miRNAs已經(jīng)有很多，表1列舉了一些在創(chuàng)傷愈合的各個(gè)時(shí)期發(fā)揮作用的重要miRNAs[1, 7-27]。

3 展望

迄今為止，我們發(fā)現(xiàn)人類基因組中大多是由非編碼基因組成，但是，這些非編碼區(qū)域的功能卻了解的很少，miRNA是內(nèi)源性的非編碼RNA，不同器官不同組織都有其特異的miRNA表達(dá)譜，盡管大量研究證明了它在皮膚發(fā)育，皮膚的發(fā)病機(jī)理以及創(chuàng)傷愈合調(diào)控機(jī)制中發(fā)揮重要的作用，但是皮膚發(fā)育中精確的miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍沒建立，如何利用miRNA調(diào)節(jié)皮膚發(fā)育，治療慢性創(chuàng)傷以及瘢痕形成修復(fù)，仍是一個(gè)亟需解決的問題[1]。miRNA這類新的調(diào)控因子給人類科學(xué)和社會(huì)進(jìn)步帶來了新的希望，然而在未來的研究仍然存在巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)閙iRNA在表達(dá)上具有很強(qiáng)的空間特異性，并與靶基因組成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。因此，明確miRNA的分子機(jī)制和發(fā)現(xiàn)新miRNA所具有的潛在功能對(duì)皮膚創(chuàng)傷愈合、修復(fù)皮膚瘢痕以及皮膚病的研究有跟大的幫助，相信在不遠(yuǎn)的將來，miRNA的研究必將給人類和整個(gè)社會(huì)帶來革命性的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]Banerjee J, Chan Y C, Sen C K. MicroRNAs in skin and wound healing[J]. Physiol Genomics, 2011, 43(10): 543-556.

[2]Cangkrama M, Ting S B, Darido C. Stem cells behind the barrier[J]. Int J Mol Sci, 2013, 14(7): 13670-13686.

[3]Yi R, O′Carroll D, Pasolli H A, et al. Morphogenesis in skin is governed by discrete sets of differentially expressed microRNAs[J]. Nat Genet, 2006, 38(3): 356-362.

[4]Yi R, Pasolli H A, Landthaler M, et al. DGCR8-dependent microRNA biogenesis is essential for skin development[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2009, 106(2): 498-502.

[5]Wang D, Zhang Z, O′Loughlin E, et al. MicroRNA-205 controls neonatal expansion of skin stem cells by modulating the PI(3)K pathway[J]. Nat Cell Biol, 2013, 15(10)：1153-1163.

[6]Broughton G, Janis J E, Attinger C E. The basic science of wound healing[J]. Plast Reconstr Surg, 2006, 117(7 Suppl): 12-34.

[7]Benakanakere M R, Li Q, Eskan M A, et al. Modulation of TLR2 protein expression by miR-105 in human oral keratinocytes[J]. J Biol Chem, 2009, 284(34): 23107-23115.

[8]Roberts J C, Warren R B, Griffiths C E, et al. Expression of microRNA-184 in keratinocytes represses argonaute 2[J]. J Cell Physiol, 2013, 228(12): 2314-2323.

[9]Fasanaro P, D′Alessandra Y, Di Stefano V, et al. MicroRNA-210 modulates endothelial cell response to hypoxia and inhibits the receptor tyrosine kinase ligand Ephrin-A3[J]. J Biol Chem, 2008, 283(23): 15878-15883.

[10]Sundaram G M, Common J E, Gopal F E, et al. ‘See-saw’ expression of microRNA-198 and FSTL1 from a single transcript in wound healing[J]. Nature, 2013, 495(7439): 103-106.

[11]Lu M H, Hu C J, Chen L, et al. miR-27b represses migration of mouse MSCs to burned margins and prolongs wound repair through silencing SDF-1a[J]. PLoS One, 2013, 8(7): e68972.

[12]Viticchie G, Lena A M, Cianfarani F, et al. MicroRNA-203 contributes to skin re-epithelialization [J]. Cell Death Dis, 2012, 3: e435.

[13]Yi R, Poy M N, Stoffel M, et al. A skin microRNA promotes differentiation by repressing ‘stemness’[J]. Nature, 2008, 452(7184): 225-229.

[14]Chan Y C, Roy S, Huang Y, et al. The microRNA miR-199a-5p down-regulation switches on wound angiogenesis by derepressing the v-ets erythroblastosis virus E26 oncogene homolog 1-matrix metalloproteinase-1 pathway[J]. J Biol Chem, 2012, 287(49): 41032-41043.

[15]Chan Y C, Roy S, Khanna S, et al. Downregulation of endothelial microRNA-200b supports cutaneous wound angiogenesis by desilencing GATA binding protein 2 and vascular endothelial growth factor receptor 2[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2012, 32(6): 1372-1382.

[16]Maurer B, Stanczyk J, Jungel A, et al. MicroRNA-29, a key regulator of collagen expression in systemic sclerosis[J]. Arthritis Rheum, 2010, 62(6): 1733-1743.

[17]Cheng J, Wang Y, Wang D, et al. Identification of collagen 1 as a post-transcriptional target of miR-29b in skin fibroblasts: therapeutic implication for scar reduction[J]. Am J Med Sci, 2013, 346(2): 98-103.

[18]Yin S Y, Peng A P, Huang L T, et al. The phytochemical shikonin stimulates epithelial-mesenchymal transition (EMT) in skin wound healing[J]. Evid Based Complement Alternat Med, 2013, doi.org/10.1155/2013/262796.

[19]Lamouille S, Subramanyam D, Blelloch R, et al. Regulation of epithelial-mesenchymal and mesenchymal-epithelial transitions by microRNAs[J]. Curr Opin Cell Biol, 2013, 25(2): 200-207.

[20]Xu J, Wu W, Zhang L, et al. The role of microRNA-146a in the pathogenesis of the diabetic wound-healing impairment: correction with mesenchymal stem cell treatment[J]. Diabetes, 2012, 61(11):2906-2912.

[21]Xu N, Meisgen F, Butler L M, et al. MicroRNA-31 is overexpressed in psoriasis and modulates inflammatory cytokine and chemokine production in keratinocytes via targeting serine/threonine kinase 40[J]. J Immunol, 2013, 190(2):678-688.

[22]Raja S K, Garcia M S, Isseroff R R. Wound re-epithelialization: modulating keratinocyte migration in wound healing[J]. Front Biosci, 2007, 12:2849-2868.

[23]Yu J, Peng H, Ruan Q, et al. MicroRNA-205 promotes keratinocyte migration via the lipid phosphatase SHIP2[J]. FASEB J, 2010, 24(10):3950-3959.

[24]Wang W, Mouneimne G, Sidani M, et al. The activity status of cofilin is directly related to invasion, intravasation, and metastasis of mammary tumors[J]. J Cell Biol, 2006, 173(3):395-404.

[25]Jin Y, Tymen S D, Chen D, et al. MicroRNA-99 family targets AKT/mTOR signaling pathway in dermal wound healing[J]. PLoS One, 2013, 8(5):e64434.

[26]Yang X, Wang J, Guo S L, et al. miR-21 promotes keratinocyte migration and re-epithelialization during wound healing[J]. Int J Biol Sci, 2011, 7(5):685-690.

[27]Bertero T, Gastaldi C, Bourget-Ponzio I, et al. miR-483-3p controls proliferation in wounded epithelial cells[J]. FASEB J, 2011, 25(9):3092-3105.