MiRNA對成骨分化調(diào)控及骨質(zhì)疏松發(fā)生的研究進展

潘虹旭

上海市嘉定區(qū)中心醫(yī)院口腔科，上海 201800

微小RNA(micro RNA, miRNA)是一類長度為16～29nt的莖環(huán)狀內(nèi)源性小RNA， 其存在于所有真核細胞中，miRNA基因大多位于非編碼區(qū)內(nèi)，少量位于編碼區(qū)內(nèi)。miRNA的表達具有組織特異性和發(fā)育階段特異性，其參與調(diào)控人類近1 / 3的蛋白編碼基因并在細胞增殖、分化、凋亡以及個體生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[1]。miRNA對靶基因進行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，其通過與靶mRNA特異性結(jié)合從而誘導其降解或翻譯抑制，當某些miRNA含量發(fā)生異常變化，其調(diào)節(jié)的靶基因表達水平也將隨之改變，進而誘發(fā)相應癥狀[2,3]。

骨組織中時刻發(fā)生著成骨細胞介導的骨形成和破骨細胞參與的骨吸收，兩者之間維持著動態(tài)平衡的狀態(tài)，活躍的骨代謝水平使骨骼不斷更新，維持骨組織健康。miRNA可通過調(diào)控間充質(zhì)組織的成骨分化和破骨細胞的分化成熟調(diào)節(jié)骨組織代謝水平，因此骨代謝相關miRNA的異常表達與骨質(zhì)疏松等骨代謝相關疾病的發(fā)生必然具有密切的聯(lián)系[4-6]。

1 miRNA的調(diào)節(jié)成骨分化作用

細胞命運決定及其表型分化是一個由轉(zhuǎn)錄因子介導的復雜過程，這些轉(zhuǎn)錄因子是調(diào)節(jié)細胞特征表型表達的正反饋或負反饋循環(huán)中的一員并發(fā)揮著重要的作用。miRNA可通過調(diào)節(jié)mRNA活性從而有效調(diào)控相關轉(zhuǎn)錄因子的表達，時刻影響著細胞的各個生理過程。影響間充質(zhì)干細胞的成骨向分化及成骨前體細胞分化成熟的轉(zhuǎn)錄因子主要有Runx2，Osterix(OSX)及其他同源結(jié)構域蛋白，miRNA與轉(zhuǎn)錄因子間相互作用，構成復雜的調(diào)控網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)骨組織的生成[7]。

Runx2是成骨早期分化即表達的轉(zhuǎn)錄因子，其參與了BMPs, TGFs, Wnt, Hedgehog等多條通路調(diào)節(jié)的成骨細胞分化過程，上調(diào)的Runx2又可激活下游Osterix，Col I，ALP等成骨相關基因的表達[7-10]。Zhang發(fā)現(xiàn)在間充質(zhì)組織成骨分化過程中，miR-23 a，miR-30c，miR-34c，miR-133 a，miR-135 a，miR-137，miR-204，miR-205，miR-217，miR-218和miR-338的表達與Runx2的表達呈負相關關系，其中除miR-218以外，其余miRNA均有抑制間充質(zhì)組織成骨分化的作用[7]。Li用BMP-2誘導小鼠ST2細胞成骨分化時發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)miR-2861表達增加，過表達miR-2861可增強BMP-2的誘導分化能力。miR-2861主要通過下調(diào)組蛋白脫乙酰酶5(Histone deacetylase 5, HDAC5)的表達從而抑制Runx2的降解，促進成骨分化[11]。后續(xù)研究又發(fā)現(xiàn)與miR-2861同基因座的miR-3960同樣具有促進BMP-2成骨誘導的作用，其主要是通過下調(diào)Runx2的抑制蛋白同源盒蛋白A2(Homeobox A2, HOXA2)的表達實現(xiàn)的。反之，過表達Runx2又可促進miR-3960和miR-2861的表達，染色質(zhì)免疫共沉淀結(jié)果顯示Runx2可與miR-3960/ miR-2861的啟動子結(jié)合，因此miR-3960/ miR-2861和Runx2構成正向反饋循環(huán)不斷增強ST2細胞的成骨分化能力[12]。當使用BMP-2刺激C3H10T1/2細胞成骨分化時，細胞內(nèi)雌激素受體相關受體(Estrogen receptor-related receptors, ERRs)和miR-433發(fā)生下調(diào)，而將miR-433表達上調(diào)后，過表達的miR-433可與Runx2 mRNA結(jié)合抑制BMP-2誘導的Runx2表達，阻斷BMP-2的成骨誘導分化[13]。Tome報道，miR-335在人間充質(zhì)細胞的分化過程中表達呈下降趨勢，miR-335的表達受Wnt通路調(diào)控，上調(diào)miR-335的表達抑制間充質(zhì)細胞的增殖，遷移及成骨和成脂分化，而Runx2可能是miR-335發(fā)揮作用的一個重要靶蛋白[14]。最近有研究顯示，細胞在成骨分化過程中Dicer和Runx2的表達均上調(diào)，熒光素酶實驗表明Runx2可促進Dicer的表達，Dicer的上調(diào)進一步促進成骨誘導相關miRNA表達的增加，因此Zheng提出Runx2/Dicer/miRNAs級聯(lián)效應在細胞成骨分化及骨組織形成中扮演著十分重要的角色[15]。

OSX亦名Sp7，是誘導成骨分化的另一個重要轉(zhuǎn)錄因子，屬Kmppel樣家族的SP亞群，OSX敲除小鼠可因骨骼礦化異常在出生后即迅速死亡。miR-143可下調(diào)OSX的表達抑制MC3T3-E1細胞成骨分化[16]，miR-145抑制OSX表達后C2C12和MC3T3-E1細胞的成骨分化能力減弱[17]。在小鼠原代成骨細胞中過表達miR-93,發(fā)現(xiàn)，成骨細胞礦化能力明顯下降，而使用OSX可逆轉(zhuǎn)這一過程，研究表明miR-93僅影響了OSX的翻譯過程，OSX mRNA水平無明顯改變[18]。與之類似的，miR-31亦是通過下調(diào)OSX的表達從而抑制骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化[19]。有研究發(fā)現(xiàn)，骨質(zhì)疏松人群的骨髓間充質(zhì)干細胞內(nèi)miR-125b表達量明顯上調(diào)，miR-125b可能是通過調(diào)節(jié)OSX的表達進而影響骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖和成骨分化[20]。miR-214可與OSX mRNA 3'UTR結(jié)合下調(diào)OSX表達，當給予miR-214抑制劑后，BMP-2誘導C2C12細胞成骨分化能力顯著增強[21]。除此以外， miR-138，miR-142,miR-148和miR-637均可抑制OSX的表達，而miR-322可上調(diào)OSX表達水平[9, 22-24]。

2 miRNA與骨質(zhì)疏松的關系

骨質(zhì)疏松是以骨顯微結(jié)構受損，骨礦成分和骨基質(zhì)不斷減少，皮質(zhì)骨變薄，骨小梁數(shù)量下降，骨脆性增加和骨折危險度升高的一種全身骨代謝障礙性疾病。miRNA參與的表觀遺傳在骨代謝過程中發(fā)揮著重要的作用，極大程度地決定了相關細胞的分化方向，因此，骨質(zhì)疏松的發(fā)生和miRNA的代謝紊亂具有密切的聯(lián)系[25]。Chen檢測絕經(jīng)期婦女的血清發(fā)現(xiàn) miR-30b-5p明顯下調(diào)，而后Chen將這一結(jié)果在去勢大鼠模型上進行驗證，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢一致[26]。在青少年特發(fā)性骨質(zhì)疏松病例中，Li報道部分患者可能存在pre-miR-2861純合突變[11]。通過對比去勢手術小鼠和假手術小鼠的骨髓間充質(zhì)干細胞(Bone marrow mesenchymal cells, BMSCs)，有研究發(fā)現(xiàn)miR-26 a在去勢組的表達明顯下降，該實驗證實了miR-26 a對小鼠BMSCs的成骨誘導能力并肯定了miR-26 a作為骨質(zhì)疏松的負向調(diào)控因子[27]。以上證據(jù)表明，骨質(zhì)疏松的發(fā)生伴隨著相關miRNA的代謝紊亂，而相關miRNA表達水平的變化又導致了骨代謝信號通路的改變。

BMP-Smad通路是間充質(zhì)組織成骨分化過程中較為重要的信號通路之一，BMP-2與胞膜上BMP受體結(jié)合后特異性激活胞內(nèi)Smad1/5/8,磷酸化的Smad1/5/8與Smad-4結(jié)合進入胞核，激活下游因子的轉(zhuǎn)錄過程。Xie發(fā)現(xiàn)miR-146 a可下調(diào)Smad4的表達，過表達miR-146 a抑制了BMP-2誘導的脂肪來源的間充質(zhì)干細胞的成骨分化，使用miR-146 a抑制劑后成骨分化相關蛋白Runx2，OSX表達水平明顯上升[28]。MiR-106b-5p和miR-17-5p通過抑制Smad5的表達使C2C12和MC3T3-E1細胞的成骨分化能力減弱，而在沉默骨質(zhì)疏松小鼠體內(nèi)miR-106b-5p和miR-17-5p的表達后，小鼠骨量水平得到明顯改善，這一證據(jù)提示miR-106b-5p和miR-17-5p有望成為骨質(zhì)疏松臨床治療的潛在靶點[29]。MiR-497～195簇屬于miR-15家族，其表達水平隨著成骨細胞的分化成熟不斷增加，研究顯示MiR-497～195簇具有拮抗BMP-Smad信號通路的作用，而Smad5是其作用位點之一[30]。MiR-100和miR-26 a可作用于Smad1從而抑制BMP誘導的成骨分化，但與miR-100不同的是，miR-26 a不僅作用于BMP-Smad信號通路，其還可作用于Wnt信號通路[31, 32]。

Wnt信號通路是誘導成骨分化的又一重要信號通路，miR-335-5p能與DKK1 mRNA 3’UTR結(jié)合并下調(diào)DKK1的表達，GSK-3β發(fā)生磷酸化，β-catenin轉(zhuǎn)錄活性增強，體內(nèi)實驗證實小鼠胚胎成骨細胞及肥大軟骨細胞內(nèi)miR-335-5p呈高表達狀態(tài)[33]。miR-9可對DKK1進行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，過表達miR-9對C2C12細胞的DKK1轉(zhuǎn)錄無明顯影響，但其蛋白表達水平明顯下降，Wnt通路激活，成骨分化相關基因Col I，OCN，BSP表達上調(diào)[34]。miR-29 a在人間充質(zhì)前體細胞系hFOB1.19及成骨細胞中均有表達并且對細胞的成骨分化過程至關重要，Wnt通路激活可誘導miR-29 a的表達，上調(diào)的miR-29 a又可下調(diào)Wnt通路抑制蛋白DKK1，Kremen2和分泌型卷曲相關蛋白2(secreted frizzled related protein 2, sFRP2)的表達，反向促進Wnt通路的激活，miR-29 a和Wnt通路二者構成正反饋調(diào)節(jié)不斷放大成骨分化信號，促進間充質(zhì)組織的成骨分化[35]。與之類似的，miR-218的表達受Wnt通路調(diào)控，上調(diào)的miR-218抑制硬骨素(Sclerostin，SOST)，DKK2和sFRP2表達，形成相似的正反饋調(diào)節(jié)循環(huán)，引導細胞成骨分化[36]。除以上信號通路以外，TGFβ-Smad，IGF，Hedgehog等信號通路在骨代謝過程中亦發(fā)揮著重要的作用，miRNA與這些信號通路之間的相互作用仍需深入研究。

在上述關于表觀遺傳機制的研究中，我們發(fā)現(xiàn)多種miRNA參與了骨代謝相關的信號通路調(diào)節(jié)。然而到目前為止，僅有部分miRNA在人體內(nèi)或去勢小鼠模型上得到驗證，大量miRNA的體內(nèi)效果仍不明確，其與骨質(zhì)疏松癥的聯(lián)系有待進一步的探索，相關的研究將有助于促進我們對骨質(zhì)疏松癥的認識。

3 小結(jié)

miRNA作為轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的重要一員，參與了細胞內(nèi)眾多轉(zhuǎn)錄因子的表達和調(diào)節(jié)通路的激活過程，在生物體的生長發(fā)育及疾病的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。鑒于此重要性，近年來關于miRNA的研究已成為生命科學研究領域的熱點。骨代謝相關miRNA時刻影響著骨質(zhì)的新生與改建，miRNA表達異常與骨質(zhì)疏松密切相關，通過對這些相關miRNA的深入研究，將有助于我們更好地了解骨代謝與骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制。然而，現(xiàn)階段研究對于miRNA的認識仍十分有限，不僅有大量未知miRNA的功能仍需學者們的繼續(xù)探索；對于已知的miRNA，其調(diào)控機制、下游靶mRNA的選擇、表達時序性、與相關疾病的聯(lián)系等問題亦需要深入研究。盡管如此，骨質(zhì)疏松相關特異性表觀miRNA標志物的識別將極大地促進骨質(zhì)疏松癥的臨床診斷和治療，而骨質(zhì)疏松相關表觀遺傳調(diào)節(jié)機制研究則具有巨大的潛力。