microRNA與認知功能障礙相關的研究進展

韓楠 孫瑩杰

1大連醫(yī)科大學（遼寧大連116044）；2中國人民解放軍北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院（沈陽 110000）

認知是人腦的一項高級機能，其常?？梢虿煌募膊『湍挲g等因素而出現(xiàn)不同程度的認知障礙。年齡作為認知功能障礙的一個獨立因素，面對人口老齡化嚴重的現(xiàn)狀，認知功能障礙相關疾病困擾著社會和眾多的家庭，增加了家庭的負擔，也增加了醫(yī)療保健的成本。解決這一問題將是醫(yī)學上的重大突破。然而，截止目前，關于認知功能障礙發(fā)生的機制眾說紛紜，尚無定論。本課題組主要圍繞術后認知功能障礙進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手術創(chuàng)傷等刺激通過激活α7nAChR，進而使下游Akt-GSK3β通路、CREB通路、JAK2/STAT3通路等的激活或是抑制，導致了術后認知功能障礙的發(fā)生［1-2］。microRNAs（miRNAs）是現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的一類非常有價值的非編碼RNA，在大腦中廣泛存在，其對于基因的表達具有重要的調(diào)控作用。隨著研究的深入，miRNAs在認知、記憶等方面發(fā)揮的作用也在逐步被挖掘。有研究發(fā)現(xiàn)［3］，miRNAs與α7nAChR之間也存在著千絲萬縷的聯(lián)系，可能這將是術后認知功能障礙研究的新的方向。因此，本文將根據(jù)目前最新的研究成果對miRNAs與認知功能障礙的關系做一綜述，意在為后續(xù)的研究奠定基礎，也希望能為預防認知功能障礙的發(fā)生提供幫助。

1miRNAs的概述

1.1 miRNAs的生物合成特點miRNAs，也稱微小基因，是近年新發(fā)現(xiàn)的一類非編碼小分子RNA，miRNA通常由RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄為原始miRNA（pri-miRNA）。pri-miRNA經(jīng)過RNA內(nèi)切酶Drosha的剪切，形成長約70個核苷酸的不對稱發(fā)夾結(jié)構(gòu)，即前體miRNA（pre-miRNA）［4-5］。premiRNA又通過Ran-GTP依賴性核漿轉(zhuǎn)運子Exportin5（Exp5）從核內(nèi)轉(zhuǎn)到胞質(zhì)，通過Dicer酶將細胞質(zhì)中的premiRNA切成長度約為21～23個核苷酸的成熟鏈。成熟miRNA通過與RNA沉默誘導復合物（RISC）結(jié)合后，再同靶基因mRNA的3′非翻譯區(qū)（3′UTR）堿基互補結(jié)合從而發(fā)揮沉默基因表達的作用［6］。

miRNAs廣泛存在于不同的有機體內(nèi)，迄今為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的miRNAs已有千余種，機體90%以上的基因表達可被miRNAs調(diào)控，這也就意味著miRNAs在多種生命進程中扮演著重要的角色。有研究報道，人腦中miRNAs的含量和種類同其他靈長類動物相比是最為豐富的，尤其是在和認知相關的前額皮質(zhì)中最為顯著［7］。

1.2 miRNAs的作用機制目前公認的是，miRNAs通過與靶mRNA的3'UTR區(qū)域之間的互補來發(fā)揮其重要作用，其具體機制為miRNAs介導mRNA降解并抑制靶基因的翻譯。在miRNAs和靶mRNA之間完全或幾乎完全互補的情況下，靶mRNA通過與miRNAs相關的沉默復合物（RISC）結(jié)合而降解，這種miRNAs介導的基因沉默機制通常存在于植物中。哺乳動物中的大多數(shù)miRNAs可能不與靶mRNAs完全配對［8］。因此，靶基因受到轉(zhuǎn)錄抑制的調(diào)節(jié)，常是多個miRNA結(jié)合對同一靶基因發(fā)揮協(xié)同作用的結(jié)果。miRNA通過兩種機制降低相應靶基因中蛋白質(zhì)的表達，但對mRNAs沒有影響。除了對mRNA翻譯的靶向調(diào)節(jié)之外，miRNAs還為其自身表達提供反饋調(diào)節(jié)。研究證明［9］miRNAs由細胞分泌并通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)運到受體細胞中，以減少相應靶基因的翻譯，從而調(diào)節(jié)受體細胞的功能。

2 miRNAs與突觸可塑性

突觸是存在于神經(jīng)元之間相互接觸的一個特殊部位，也是在功能上彼此之間發(fā)生著重要聯(lián)系的關鍵部分。突觸可塑性的改變對于神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、成熟和學習記憶等方面起到至關重要的作用。

SUTTON等［10］的研究已證實長時程記憶（LTM）的形成取決于突觸部位有新的蛋白質(zhì)表達合成。此外，還有研究證明與miRNAs生物合成相關的蛋白質(zhì)，如Dicer酶，RISC復合蛋白和脆性X智力遲鈍蛋白（FMRP）在突觸棘和突觸后膜（PSD）中大量表達［11］。RISC復合蛋白，在果蠅中主要存在于突觸中，并對長期記憶起到負性調(diào)節(jié)劑的作用，而這一作用可能與其相關的miRNA介導的鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶 II（CaMK II）的下調(diào)有關［12］。CaMKII是一種常見的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，具有多種生物學功能。CaMKII主要存在于PSD，并通過突觸的長時程增強（LTP）參與學習和記憶功能的形成。敲除RISC復合蛋白可使CaMKII的局部表達增加并使長時程記憶功能也增加。應用CaMKII抑制劑KN-62也發(fā)現(xiàn)樹突棘的減少，這表明樹突棘的生長需要CaMKII［13］。從上述研究中可以看出，miRNAs可以通過調(diào)節(jié)CaMKII的表達來調(diào)節(jié)突觸可塑性，進一步對學習和記憶功能發(fā)揮作用。

cAMP應答元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）在突觸可塑性調(diào)節(jié)中所起到的重要作用已逐漸為人們所認同。近年來有研究［14］發(fā)現(xiàn)miR-132的啟動子區(qū)域含有CREB的結(jié)合位點，突觸活動可通過CREB激活miR-132的轉(zhuǎn)錄。而CREB也主要是通過調(diào)節(jié)miR-132的轉(zhuǎn)錄來發(fā)揮其功能。另外RAJASETHUPATHY等［15］研究發(fā)現(xiàn)在海生生物Aplysia的感覺神經(jīng)元中有大量miR-124表達。過表達miR-124可以阻斷由5-羥色胺產(chǎn)生的長時程易化（long-term facilitation，LTF）；相反抑制miR-124則可以誘導LTF。其機制可能是miR-124抑制了CREB1的表達。另有研究［16］發(fā)現(xiàn)富集于神經(jīng)元的miRNA是miR-134，它通過調(diào)節(jié)蛋白激酶（lim-domain containing protein kinase 1，Limk1）對樹突棘的生長和發(fā)育起負性調(diào)節(jié)作用，并能夠降低海馬中CREB和BDNF的表達，影響突觸可塑性和記憶的形成?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)miR-134受沉默調(diào)節(jié)蛋白 1（Sirtuin 1，SIRT1）的調(diào)控［17］。從上述研究中可見miRNAs和CREB之間存在著十分密切的的關系，對于調(diào)節(jié)突觸可塑性方面可能發(fā)揮著重要作用。

雖然目前的研究尚未明確某一特定的miRNAs在突觸可塑性形成及突觸行使正常功能中發(fā)揮關鍵作用，但考慮到miRNAs是復雜基因表達調(diào)控網(wǎng)中的關鍵節(jié)點，因此miRNAs在突觸形成和突觸可塑性發(fā)生過程中必將起到關鍵作用，并且可以肯定的是，miRNAs參與了突觸活動的調(diào)節(jié)。

3 miRNAs與認知功能障礙相關疾病

miRNAs不僅能夠影響突觸可塑性相關蛋白的表達，對于調(diào)節(jié)疾病相關蛋白的表達同樣起到重要的作用。蛋白表達的改變可引起毒性蛋白聚集，導致神經(jīng)功能紊亂而引起認知功能改變，如阿爾茨海默病（AD）和帕金森?。≒D）。miRNAs參與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展目前公認的是主要通過以下3種方式：（1）通過調(diào)節(jié)mRNA編碼表達引起毒性蛋白聚集；（2）通過改變影響退行性疾病蛋白質(zhì)表達的上游蛋白；（3）改變與神經(jīng)細胞存活有關的蛋白表達［18］。

AD是一種多見于老年人的神經(jīng)退行性疾病，以進行性認知功能障礙和記憶損害為特征，主要病理特征為：（1）突觸和神經(jīng)元的丟失；（2）tau蛋白過度磷酸化所致的細胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結(jié)；（3）以β淀粉樣蛋白（Aβ）為主要成分的細胞外老年斑沉積。WU等［19］通過研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控miR-200c的表達可以減少Aβ的磷酸化和聚集從而改善AD患者的發(fā)展進程。MIN等［20］認為，AD患者腦部沉默信息調(diào)節(jié)因子1（SIRT1）減少，而這種酶減少與微管相關蛋白p-tau聚積密切相關。LEE等［21］對鼠齡7個月，且有五大家族性AD（5XFAD）的轉(zhuǎn)基因大鼠研究發(fā)現(xiàn)，通過病毒介導miR-188-5p的表達，其認知功能和突觸傳遞得到明顯改善。實驗發(fā)現(xiàn)miR-188-5p在AD患者和5XFAD小鼠腦組織中表達下調(diào)，考慮miR-188-5p表達失調(diào)是誘導突觸功能障礙和認知相關疾病的病理生理基礎。大量研究結(jié)果表明，miRNAs對于調(diào)控AD等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生、發(fā)展可能起到關鍵作用。

嚴重的抑郁癥也會在不同程度上影響記憶和認知功能。KONOPKA等［22］研究發(fā)現(xiàn)編碼蛋白的mRNA的3′UTR區(qū)的單核苷酸多態(tài)性與抑郁癥也有一定的相關性，如5-羥色胺受體mRNA的3′UTR區(qū)存在單核苷酸多態(tài)性，則導致miR-96與其結(jié)合親和力有所下降，使得受體的表達量增加，從而出現(xiàn)攻擊行為。此類研究表明miRNAs對于抑郁癥的的發(fā)生發(fā)展也存在影響。

4miRNAs與術后認知功能障礙（POCD）

POCD是指手術后發(fā)生的情緒、記憶、運動功能或者行為學方面的改變，有時需要通過神經(jīng)心理學量表評估才能發(fā)現(xiàn)，屬于認知功能障礙疾病中的一種。臨床上可以表現(xiàn)為記憶喪失、精神運動型阻滯、癡呆、譫妄、精細運動協(xié)調(diào)困難和高級認知功能受損［23-24］。

POCD發(fā)生的危險因素主要有以下幾個方面：（1）患者因素，包括年齡大、系統(tǒng)合并癥多、術前已確認存在認知功能方面問題等；（2）手術因素，如手術時間長、手術類型大、手術合并的并發(fā)癥較多、多次手術史等；（3）麻醉因素，如麻醉劑效應時間長、內(nèi)環(huán)境紊亂、存在各種原因所致的器官缺血等。老齡是POCD發(fā)生的獨立危險因素，但POCD具體的發(fā)病機制至今尚不完全清楚。目前認為，POCD的發(fā)病機制主要有以下幾種學說［25］：（1）炎癥學說；（2）β-淀粉樣蛋白（Aβ）形成學說；（3）膽堿能神經(jīng)學說；（4）神經(jīng)遞質(zhì)、受體失衡學說；（5）自由基損傷學說；（6）血腦屏障損傷學說。

迄今，關于miRNAs與術后認知的研究有很多，也取得了很多重大的發(fā)現(xiàn)。YU等［26］對老齡大鼠進行脾切除術后成功建立了一種POCD模型。檢測發(fā)現(xiàn)，與術前相比，術后外周血血清中miR-572表達水平明顯降低。此外，無認知功能障礙大鼠的miR-572表達無明顯變化，結(jié)果與臨床檢測一致，說明miR-572可能參與調(diào)控POCD大鼠的認知功能改變。WU等［27］通過收集110例擬行腹腔鏡結(jié)腸癌根治術患者的術前1 d和術后7 d血清，術后7 d POCD發(fā)生率為26.4%，對比血清樣本，發(fā)現(xiàn)POCD患者血清中TNF-α，CRP、miRNA-155均高于非POCD者，并提示：血清中miRNA-155的表達可能是結(jié)腸癌根治術患者術后POCD的獨立影響因子。張永一等［28］通過實驗發(fā)現(xiàn)，行腹部手術后的C57BL/6小鼠發(fā)生POCD后；實時熒光定量PCR檢測海馬組織發(fā)現(xiàn)miR-134表達量高于對照組，p-CREB/CREB表達較對照組降低，可見手術創(chuàng)傷使海馬中miR-134表達增加，且CREB活性受到抑制，導致突觸可塑性下降，從而引發(fā)術后認知功能障礙。WEI等［29］對術后認知功能障礙的老齡大鼠相關RNA網(wǎng)絡系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，lncRNAs和miRNAs的表達存在差異，提示lncRNA和miRNA參與了POCD的發(fā)病和進程。結(jié)合上述諸多研究結(jié)果，miRNAs與術后認知功能障礙的關系正在逐步地被發(fā)現(xiàn)。

5 miRNAs與膽堿能抗炎通路的關系

Nature雜志于21世紀初首次提到以迷走神經(jīng)及其主要遞質(zhì)乙酞膽堿（Ach）構(gòu)成的神經(jīng)-免疫調(diào)節(jié)通路，即膽堿能抗炎通路（cholinergic anti-infammatory pathway CAP）［30］。α7nAChR是介導CAP所必需的受體，在調(diào)控炎性因子產(chǎn)生的過程中起著關鍵性的作用。TERRANDO等［31］研究發(fā)現(xiàn)，激活巨噬細胞的α7 nAChR可通過抑制NF-κB活性阻止單核細胞向海馬遷移從而減少POCD的發(fā)生。大量證據(jù)證實：α7-nAChRs與CAP在細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導通路是研究POCD致病機制及干預措施的關鍵。

在Cell Research最近的一篇文章中，SUN等［32］研究發(fā)現(xiàn)尼古丁可通過激活α7nAChR誘導microRNA-124（miR-124）上調(diào)進而抑制STAT3酪氨酸磷酸化和蛋白質(zhì)的表達。研究顯示miR-124 agomir可以抑制STAT3蛋白水平以及減少LPS誘導的IL6和TNF的產(chǎn)生。而炎癥是POCD的主要促發(fā)因素。結(jié)合大量相關文獻，我們更加有理由相信miRNAs與POCD之間存在著緊密的聯(lián)系。

6 小結(jié)與展望

miRNAs在突觸的合成，學習記憶、認知方面等方面的作用可見一斑。隨著技術的發(fā)展和研究的深入，相信會有更多的miRNAs被證明參與調(diào)節(jié)認知功能，而其與POCD發(fā)生機制的相關性也將更加明確。如此，對于認知功能障礙相關疾病的診療將會大有裨益。但是，從生化的角度來說，因組織含量少，特異性要求高等特點使得miRNAs的檢測并不十分容易。目前，對于miRNAs檢測的方法主要是Northern blot、PCR和芯片檢測［33］。如果在基因檢測方面沒有障礙，為miRNAs的發(fā)現(xiàn)保駕護航，則miRNAs必將大有希望成為認知功能方面研究的新熱點和醫(yī)學診斷治療中的重要靶點。