microRNA-132調(diào)控突觸可塑性的作用研究

葉玉勤 蘇鑫洪 賀曉生

(第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

·綜述·

microRNA-132調(diào)控突觸可塑性的作用研究

葉玉勤 蘇鑫洪 賀曉生*

(第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

微小核糖核酸; 突觸; 可塑性

突觸是神經(jīng)元之間或神經(jīng)元與效應(yīng)器細胞之間相互接觸和傳遞信息的部位，是產(chǎn)生神經(jīng)功能和維持神經(jīng)活動的基礎(chǔ)。突觸可塑性是指神經(jīng)系統(tǒng)在外界因素的作用下，多種機制介導(dǎo)的突觸結(jié)構(gòu)或功能適應(yīng)性變化。突觸可塑性作為神經(jīng)可塑性的一種特殊形式，主要包括突觸發(fā)育的可塑性、突觸形態(tài)的可塑性和突觸傳遞的可塑性。其表現(xiàn)形式主要為長時程增強(long-term potentiation, LTP)和長時程抑制(long-term depression, LTD)[1,2]。近年來的研究表明，突觸可塑性不僅與意識、行為和認知功能等關(guān)系密切，還廣泛參與癲癇、阿爾茨海默癥和顱腦外傷等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理反應(yīng)[1]。神經(jīng)系統(tǒng)對突觸可塑性的調(diào)控過程十分復(fù)雜，涉及到多種分子機制和信號通路。

微RNA(microRNA, miR)是由20～24個核苷酸組成的內(nèi)源性非編碼單鏈小分子RNA，可通過與目標(biāo)mRNA的3'非翻譯區(qū)域(untranslated region, UTR)結(jié)合，抑制mRNA翻譯或誘導(dǎo)mRNA降解，從而在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控靶基因的表達[3]。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種miR特異性存在于神經(jīng)系統(tǒng)，并且隨著神經(jīng)組織和細胞發(fā)育階段的不同而不斷變化[1～3]。其中，miR-132是發(fā)現(xiàn)較早和目前研究較多的miR之一。miR-132作為調(diào)控突觸可塑性的重要因子，通過多種靶基因調(diào)節(jié)突觸的形態(tài)變化和遞質(zhì)傳遞等可塑性過程，與學(xué)習(xí)、記憶等高級認知功能關(guān)系密切[4,5]。此外，在神經(jīng)退行性疾病、精神性疾病和神經(jīng)腫瘤等發(fā)生發(fā)展的過程中，miR-132介導(dǎo)的突觸可塑性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮重要作用[3～5]。因此，本文將對miR-132調(diào)節(jié)突觸可塑性的相關(guān)研究進展作一綜述。

一、miR-132的生物學(xué)特征

miR-132同大多數(shù)miR一樣，以單拷貝、多拷貝或基因簇等多種形式存在于基因組中，主要位于基因間隔區(qū)。miR-132定位于人第17號染色體、大鼠第10號染色體和小鼠第11號染色體，具有高度的進化保守性，在多個物種中都存在相同的序列與結(jié)構(gòu)[2]。在RNA聚合酶Ⅱ的作用下，miR-132基因在細胞核內(nèi)被轉(zhuǎn)錄為初始miR(primary microRNA, pri-miR)。pri-miR經(jīng)RNA酶Ⅲ與Dorsha組成的核酸酶復(fù)合體剪切， 形成大約由70個核苷酸組成的發(fā)夾樣結(jié)構(gòu)前體miR(precursor microRNA, pre-miR)[6]。pre-miR在相關(guān)核因子依賴性轉(zhuǎn)運蛋白Exportin5的作用下，從細胞核轉(zhuǎn)運至細胞質(zhì)。然后，pre-miR的雙鏈部分被Dicer酶二次剪切，形成由miR-132成熟鏈和互補鏈組成的雙鏈miR。隨后，互補鏈被降解，成熟的單鏈miR-132與Dicer和接頭蛋白(argonaute家族蛋白)結(jié)合，組裝成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA-induced silencing complex，RISC)[7]。在哺乳動物體內(nèi)，成熟miR-132約有22個核苷酸組成，具有兩種同源結(jié)構(gòu)，分別為has-miR-132-3p和has-miR-132-5p。當(dāng)miR-132與目標(biāo)mRNA的3'UTR不完全互補配對時，抑制mRNA的翻譯過程；當(dāng)與3'UTR完全互補配對時，則誘導(dǎo)mRNA降解[7,8]。

二、miR-132對突觸可塑性的調(diào)控機制

2002 年，Lagos-Quintana等首次證實了miR-132神經(jīng)組織中呈高豐度表達，為miR-132在神經(jīng)系統(tǒng)的作用研究奠定了基礎(chǔ)。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，miR-132不僅可通過調(diào)節(jié)樹突棘與軸突生長錐的生長發(fā)育等來影響突觸發(fā)育和結(jié)構(gòu)可塑性，還能通過影響遞質(zhì)傳遞效能、可塑性相關(guān)蛋白合成等來調(diào)節(jié)突觸功能可塑性[3,9]。近年來，隨著生物信息學(xué)技術(shù)的進步與靶基因篩選工具的完善，miR-132調(diào)控突觸可塑性的過程中所涉及的分子和相關(guān)機制逐漸得以揭示。

1.miR-132與環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)：CREB作為一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，與miR-132的表達水平密切相關(guān)。在體外培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元中，神經(jīng)營養(yǎng)因子可以通過CREB來誘導(dǎo)miR-132呈高表達狀態(tài)，促進神經(jīng)突的生長發(fā)育和新突觸的建立；反之，抑制miR-132的表達，導(dǎo)致樹突生長能力顯著減弱和突觸密度降低[10]。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，在嗅球、海馬和紋狀體等腦內(nèi)再生能力旺盛的區(qū)域，由神經(jīng)干細胞分化的新生神經(jīng)元向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整合的過程中，被CREB上調(diào)的miR-132顯著促進突觸連接的形成和遞質(zhì)傳遞[2,3]。Guo等[11]通過對顳葉癲癇動物模型和頑固性性癲癇患者的腦組織檢測發(fā)現(xiàn)，磷酸化的CREB與miR-132表達明顯升高，造成異常的神經(jīng)元興奮性放電和興奮性遞質(zhì)傳遞，這可能與致癇灶海馬硬化和苔蘚纖維發(fā)芽等病理改變的關(guān)系密切。沉默miR-132可以減輕癲癇發(fā)作頻率和癲癇引起的神經(jīng)元死亡[12]。由于癲癇與樹突棘的形態(tài)發(fā)生及數(shù)量、苔蘚纖維出芽狀態(tài)及突觸重塑密切相關(guān)，故基于miR-132的研究可能為癲癇的診治帶來新希望。此外，在CREB的調(diào)控下，不同表達梯度的miR-132能夠差異化影響突觸可塑性，并動態(tài)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)和空間記憶等高級認知功能[4,5]，但具體機制有待進一步闡明。

2.miR-132與腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子( brain-derived neurotrophic factor, BDNF )：BDNF作為神經(jīng)營養(yǎng)因子家族的主要成員，廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)，可通過磷脂酰肌醇激酶、CREB和絲裂原活化蛋白激酶/細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase/ extracellular signal regulated protein kinase, MAPK/ERK)等多種信號途徑促進神經(jīng)元生長發(fā)育，誘導(dǎo)建立功能性突觸連接和調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)傳遞。并能改善突觸病理狀態(tài)、減輕神經(jīng)退行性變和促進神經(jīng)修復(fù)。近年來，隨著研究的不斷深入，BDNF與miR-132之間的關(guān)系及其對突觸可塑性的影響作用正受到廣泛的關(guān)注。

成熟的神經(jīng)元內(nèi)，BDNF可通過MAPK/ERK1/2途徑上調(diào)miR-132的表達，繼而誘導(dǎo)興奮性遞質(zhì)谷氨酸受體的表達上升和其他突觸可塑性相關(guān)蛋白合成。進一步研究發(fā)現(xiàn)，糖皮質(zhì)激素預(yù)處理的神經(jīng)元內(nèi)BDNF、ERK和miR-132的表達明顯下調(diào)，同時，神經(jīng)元的活力和突觸的傳遞效能也顯著下降[13]。提示miR-132在BDNF依賴的突觸功能可塑性中具有重要調(diào)控作用。Suzuki等[14]發(fā)現(xiàn)BDNF還可通過誘導(dǎo)CREB達到上調(diào)miR-132的效果，并且與大腦的長期和短期記憶功能關(guān)系密切。此外，在視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞軸突生長和建立突觸連接的過程中，通過BDNF的刺激作用，上調(diào)的miR-132可顯著提高軸突的延伸能力和側(cè)枝發(fā)芽，以建立新的突觸連接[15]。

3.miR-132與三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate, GTP)酶活化蛋白(p250 GTPase activating protein, p250GAP)：p250GAP是Rho家族的GTP酶活化蛋白成員之一，作為miR-132的下游靶基因，它可與多種突觸蛋白相作用，水解下游底物上的GTP，從而啟動底物相關(guān)的信號通路，引起突觸結(jié)構(gòu)骨架的解聚，減小樹突棘的密度及體積。miR-132通過抑制p250GAP促進突觸發(fā)生和維持突觸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在神經(jīng)環(huán)路的形成中具有關(guān)鍵的作用[10,15]。另有研究表明，miR-132/ p250GAP途徑可通過激活下游的與Ras相關(guān)的C3肉毒桿菌毒素基體1/P21激酶(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1/P21 activated kinase 1, Rac1/PAK1)信號通路，增加海馬區(qū)谷氨酸受體陽性棘突的數(shù)量和提高微小興奮性突觸后電流頻率，從而調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動依賴的突觸形態(tài)和功能重塑[16]。體外培養(yǎng)的海馬細胞受到電離輻射后，miR-132 和Rac1的表達明顯下調(diào)，可顯著影響神經(jīng)突結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，這一損傷機制在輻射性腦損傷的動物模型中也得到證實，受到電離輻射的小鼠學(xué)習(xí)和記憶功能顯著降低[17]。在聚氯聯(lián)二苯的神經(jīng)毒性作用中，被激活的肉桂堿受體聯(lián)合CREB可使miR-132迅速而持久的上調(diào)，進而通過抑制p250GAP的翻譯，導(dǎo)致不恰當(dāng)?shù)耐挥|發(fā)生、異常的神經(jīng)環(huán)路形成、紊亂的突觸連接網(wǎng)絡(luò)建立和神經(jīng)功能失衡[18]。此外，有趣的是，瘦素可通過miR-132/p250GAP途徑調(diào)節(jié)海馬區(qū)突觸形成和活性，減輕抑郁和焦慮，并改善認知功能[19]。

4.miR-132與甲基CpG結(jié)合蛋白2(methyl CpG-binding protein 2，MeCP2)：MeCP2是一類廣泛表達于神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄抑制因子，作為miR-132負性調(diào)控的靶基因，其缺乏與Rett綜合征的持續(xù)性神經(jīng)退行性變關(guān)系密切，過度表達則導(dǎo)致認知缺陷和精神障礙[20,21]。對Rett綜合征的小鼠進行基因組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)MeCP2的缺失可顯著抑制miR-132和miR-212表達，同時伴有BDNF表達下降[20]。提示MeCP2 與miR-132之間可能還存在負反饋調(diào)控作用，進一步的研究將有助于揭示Rett綜合征的發(fā)病機制和提供新的治療靶點。MeCP2是甲基化結(jié)合蛋白家族中的主要成員，通過與甲基化DNA的特異性結(jié)合，在神經(jīng)元成熟、突觸發(fā)生和可塑性調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用[21]。此外，新近的研究發(fā)現(xiàn)，miR-132介導(dǎo)的 MeCP2調(diào)控作用與脊髓痛覺形成關(guān)系密切，通過梯度上調(diào)MeCP2的表達水平，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表達量不超過野生型2.5倍時，有利于減輕急性痛傳導(dǎo)和慢性痛形成，但過高和過低則無此效應(yīng)。提示MeCP2在體內(nèi)至少受到miR-132的精準調(diào)控，使其維持在一個穩(wěn)定的正常區(qū)間范圍內(nèi)，對調(diào)節(jié)突觸功能可塑性具有重要作用[22]。

5.miR-132與其他可塑性相關(guān)因子：阻遏元件沉默轉(zhuǎn)錄因子(repressor element 1 silencing transcription factor, REST)是一種在神經(jīng)組織廣泛表達的限制性沉默因子，可在轉(zhuǎn)錄水平抑制多種突觸功能相關(guān)基因的表達[23]。Hwang等報道在缺血性腦損傷模型中，REST與miR-132 啟動子區(qū)域的阻遏元件結(jié)合后，可抑制損傷神經(jīng)元內(nèi)miR-132的表達，不利于神經(jīng)元存活和突觸功能重塑；而過表達miR-132則能夠降低腦缺血后神經(jīng)元的死亡率，促進神經(jīng)再生，建立新的突觸連接和改善認知功能[24]。目前認為，脆性X智力低下蛋白(fragile X mental retardation protein, FMRP)的功能缺失是脆性X綜合征的主要致病原因，F(xiàn)MRP可通過調(diào)節(jié)突觸mRNA轉(zhuǎn)運和局部蛋白合成而影響突觸可塑性。FMRP作為果蠅體內(nèi)RISC的成分之一，與Argonaute蛋白和Dicer酶存在相互聯(lián)系，參與并介導(dǎo)了miR-132對目標(biāo)mRNA的負性調(diào)控作用，并且這種作用在脆性X綜合征的突觸結(jié)構(gòu)和功能重塑過程中得到證實[25]。此外，miR-132與miR-212起源于相同的非編碼基因內(nèi)含子，兩者具有相似的序列和mRNA結(jié)合區(qū)域，因此，miR-132/212簇可對相同的靶基因發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[26]。敲除miR-132/212后，小鼠海馬區(qū)神經(jīng)元樹突的生長和芽伸能力降低，新生神經(jīng)元的數(shù)量顯著減少，神經(jīng)元整合入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力明顯減弱，同時，齒狀回的長時程突觸激活和記憶功能也受到影響[26,27]。另有研究發(fā)現(xiàn)，光剝奪可下調(diào)視皮層的miR-132表達，阻礙樹突的成熟、視柱的發(fā)育和突觸重塑，提示miR-132在視皮層發(fā)育和可塑性調(diào)控過程中具有重要作用[28]。在背根神經(jīng)節(jié)軸突發(fā)育進程中，miR-132可通過調(diào)控Ras-GTP酶激活蛋白1的表達，促進軸突生長錐的靶向延伸和調(diào)節(jié)突觸結(jié)構(gòu)可塑性[29]。

三、展望

綜上所述，大量研究從多個角度證實了miR-132在突觸發(fā)育、結(jié)構(gòu)和功能可塑性中的重要作用。然而，多數(shù)研究僅局限于miR-132通過某個單一的靶基因或信號通路發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，對于各種作用機制之間的相互聯(lián)系和所形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在突觸可塑性中的調(diào)控模式，缺乏全方位探討。因此，進一步的深入研究，將有助于提高我們對miR-132調(diào)節(jié)突觸可塑性的認識水平，并促進基于miR-132調(diào)控的神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療策略的探索與開發(fā)。

1Amtul Z, Atta-Ur-Rahman. Neural plasticity and memory: molecular mechanism [J]. Rev Neurosci, 2015, 26(3): 253-268.

2Maag JL, Panja D, Sporild I, et al. Dynamic expression of long noncoding RNAs and repeat elements in synaptic plasticity [J]. Front Neurosci, 2015, 9(4): 351-356.

3Chen W, Qin C. General hallmarks of microRNAs in brain evolution and development [J]. RNA Biol, 2015, 12(7): 701-708.

4Scott HL, Tamagnini F, Narduzzo KE, et al. MicroRNA-132 regulates recognition memory and synaptic plasticity in the perirhinal cortex [J]. Eur J Neurosci, 2012, 36(7): 2941-2948.

5Hansen KF, Karelina K, Sakamoto K, et al. miRNA-132: a dynamic regulator of cognitive capacity [J]. Brain Struct Funct, 2013, 218(3): 817-831.

6Lee Y, Ahn C, Han J, et al. The nuclear RNase III Drosha initiates microRNA processing [J]. Nature, 2003, 425(6956): 415-419.

7Wilczynska A, Bushell M. The complexity of miRNA-mediated repression [J]. Cell Death Differ, 2015, 22(1): 22-33.

8Cohen JE, Lee PR, Chen S, et al. MicroRNA regulation of homeostatic synaptic plasticity [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2011, 108(28): 11650-11655.

9Hancock ML, Preitner N, Quan J, et al. MicroRNA-132 is enriched in developing axons, locally regulates Rasa1 mRNA, and promotes axon extension [J]. J Neurosci, 2014, 34(1): 66-78.

10Vo N, Klein ME, Varlamova O, et al. A cAMP-response element binding protein-induced microRNA regulates neuronal morphogenesis [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(45): 16426-16431.

11Guo J, Wang H, Wang Q, et al. Expression of p-CREB and activity-dependent miR-132 in temporal lobe epilepsy [J]. Int J Clin Exp Med, 2014, 7(5): 1297-1306.

12Huang Y, Guo J, Wang Q, et al. MicroRNA-132 silencing decreases the spontaneous recurrent seizures [J]. Int J Clin Exp Med, 2014, 7(7): 1639-1649.

13Kawashima H, Numakawa T, Kumamaru E, et al. Glucocorticoid attenuates brain-derived neurotrophic factor-dependent upregulation of glutamate receptors via the suppression of microRNA-132 expression [J]. Neuroscience, 2010, 165(4): 1301-1311.

14Suzuki A, Fukushima H, Mukawa T, et al. Upregulation of CREB-mediated transcription enhances both short-and long-term memory [J]. J Neurosci, 2011, 31(24): 8786-8802.

15Marler KJ, Suetterlin P, Dopplapudi A, et al. BDNF promotes axon branching of retinal ganglion cells via miRNA-132 and p250GAP [J]. J Neurosci, 2014, 34(3): 969-979.

16Impey S, Davare M, Lasiek A, et al. An activity-induced microRNA controls dendritic spine formation by regulating Rac1-PAK signaling [J]. Mol Cell Neurosci, 2010, 43(1): 146-156.

17Kempf SJ, Buratovic S, von Toerne C, et al. Ionising radiation immediately impairs synaptic plasticity-associated cytoskeletal signalling pathways in HT22 cells and in mouse brain: an in vitro/in vivo comparison study [J]. PLOS One, 2014, 9(10): 891-899.

18Lesiak A, Zhu M, Chen H, et al. The environmental neurotoxicant PCB 95 promotes synaptogenesis via ryanodine receptor-dependent miR132 upregulation [J]. J Neurosci, 2014, 34(3): 717-725.

19Dhar M, Zhu M, Impey S, et al. Leptin induces hippocampal synaptogenesis via CREB-regulated microRNA-132 suppression of p250GAP [J]. Mol Endocrinol, 2014, 28(7): 1073-1087.

20Wu H, Tao J, Chen PJ, et al. Genome-wide analysis reveals methyl-CpG-binding protein 2-dependent regulation of microRNAs in a mouse model of Rett syndrome [J]. Proc Natl Acad Sci US A, 2010, 107(42): 18161-18166.

21Hernandez-Rapp J, Smith PY, Filali M, et al. Memory formation and retention are affected in adult miR-132/212 knockout mice [J]. Behav Brain Res, 2015, 287: 15-26.

22Zhang R, Huang M, Cao Z, et al. MeCP2 plays an analgesic role in pain transmission through regulating CREB / miR-132 pathway [J]. Mol Pain, 2015, 11: 19.

23Rossbach M. Non-coding RNAs in neural networks, REST-assured [J]. Front Genet, 2011, 2(3): 176-181.

24Hwang JY, Kaneko N, Noh KM, et al. The gene silencing transcription factor REST represses miR-132 expression in hippocampal neurons destined to die [J]. J Mol Biol, 2014, 426(20): 3454-3466.

25Sethna F, Moon C, Wang H. From FMRP function to potential therapies for fragile X syndrome [J]. Neurochem Res, 2014, 39(6): 1016-1031.

26Tognini P, Pizzorusso T. MicroRNA212/132 family: moleculartransducer of neuronal function and plasticity [J]. Int J Biochem Cell Biol, 2012, 44(1): 6-10.

27Remenyi J, van den Bosch M W, Palygin O, et al. miR-132/212 knockout mice reveal roles for these miRNAs in regulating cortical synaptic transmission and plasticity [J]. PLOS One, 2013, 8(4): 673-685.

28Maya-Vetencourt JF, Pizzorusso T. Molecular mechanisms at the basis of plasticity in the developing visual cortex: epigenetic processes and gene programs [J]. J Exp Neurosci, 2013, 7(4): 75-83.

29Hancock ML, Preitner N, Quan J, et al. MicroRNA-132 is enriched in developing axons, locally regulates rasa1 mRNA, and promotes axon extension [J]. J Neurosci, 2013, 34(1): 66-78.

1671-2897(2016)15-468-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(81471264)

葉玉勤，博士研究生，E-mail: chinayeyuqin@163.com

*通訊作者：賀曉生，教授、主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師，E-mail: hexiaos@fmmu.edu.cn

Q 189

A

2015-12-22；

2016-01-18)