骨質(zhì)疏松癥與微小RNA及其信號通路的研究進(jìn)展

朱 迪 陳 冉 張 洋 孫 巖

(1 昆明醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，云南省昆明市 650500，電子郵箱：443601344@qq.com；2 中國科學(xué)院昆明動物研究所，云南省昆明市 650032；3 云南省第一人民醫(yī)院，昆明市 650032；4 昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院檢驗(yàn)科，云南省昆明市 650000)

【提要】 骨質(zhì)疏松癥(OP)是一種常見的骨代謝病，發(fā)病率高，其發(fā)病機(jī)制在于成骨/破骨活動的失衡。在生物體內(nèi)，微小RNA(miRNA)參與多種生理活動，包括增殖、分化、凋亡等。研究表明，miRNA已成為診斷OP的生物學(xué)標(biāo)志物以及治療的基因靶點(diǎn)。本文就OP與miRNA及其信號通路的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一種全身骨代謝疾病，骨微環(huán)境中成骨與破骨活動的失衡導(dǎo)致了低骨量和骨脆性增高，其最嚴(yán)重的后果是骨質(zhì)疏松性骨折(osteoporotic fracture,OPF)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有2億人患有骨質(zhì)疏松[2]。雙能X線骨密度儀檢測得到的骨密度值是診斷骨質(zhì)疏松的金標(biāo)準(zhǔn)，而血清骨代謝標(biāo)志物如骨堿性磷酸酶、抗酒石酸酸性磷酸酶等也常作為輔助診斷指標(biāo)[3-4]。微小RNA(microRNA，miRNA)是在轉(zhuǎn)錄后參與細(xì)胞增殖、分化、凋亡等的小型非編碼RNA，存在于多種生物體內(nèi)，具有19～22個(gè)核苷酸，參與增殖、分化、凋亡等生物過程。相關(guān)研究表明miRNA參與骨微環(huán)境中的骨吸收/生成、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和分化的調(diào)節(jié)[5-7]。深入研究骨質(zhì)疏松與miRNA及其通路的關(guān)系，有助于解釋骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制，為骨質(zhì)疏松的診斷、治療提供新思路。本研究就骨質(zhì)疏松與miRNA及其信號通路的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 miRNA與OP有關(guān)的信號通路

1.1 miRNA與Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)是骨細(xì)胞的特異轉(zhuǎn)錄因子。在眾多的miRNA中，miRNA-342-3p可通過RUNX2介導(dǎo)成骨分化，可直接作用于三碘甲狀腺原氨酸，形成信號通路的關(guān)聯(lián)并與堿性磷酸酶啟動子結(jié)合，調(diào)控其激活和表達(dá)；miRNA-342-3p還可以激活促成骨分化相關(guān)基因的啟動子區(qū)域，激活RUNX2的表達(dá)，促進(jìn)骨形成，減少骨吸收[8-9]。miRNA-23b-3p可通過靶向抑制RUNX2的表達(dá)從而抑制小鼠模型的成骨活性[10]；同時(shí)，在低骨密度患者的血清中，miRNA-23b-3p水平較高[11]，說明鈣鹽沉積減少與miRNA-23b-3p有關(guān)，miRNA-23b-3p是調(diào)控鈣鹽沉積的關(guān)鍵因子。miRNA-874-3p通過抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶基因的表達(dá)、增強(qiáng)RUNX2的表達(dá)來刺激成骨細(xì)胞分化、礦化以及骨形成[12]。過表達(dá)的miRNA-338-3p可抑制RUNX2的表達(dá)，從而抑制成骨細(xì)胞分化[13]。研究顯示，miRNA-153可通過上調(diào)RUNX2的表達(dá)進(jìn)而增強(qiáng)成骨細(xì)胞活性[14]。對于人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，miRNA-9和miRNA-10也可以通過促進(jìn)RUNX2的表達(dá)及細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶信號通路來促進(jìn)成骨分化[15]。miRNA-451通過抑制TyR-3/TRp-5單氧酶激活蛋白的表達(dá)，間接上調(diào)RUNX2的表達(dá)，從而促進(jìn)成骨細(xì)胞的形成和礦化[16]。上述結(jié)果表明，轉(zhuǎn)錄后的miRNA通過調(diào)控RUNX2的表達(dá)，從而影響成骨細(xì)胞/破骨細(xì)胞的增殖、分化，進(jìn)而調(diào)控骨微環(huán)境的成骨/破骨平衡。

1.2 miRNA與骨形態(tài)形成蛋白家族 骨形態(tài)形成蛋白家族也是骨微形態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白。miRNA-1403p在成骨細(xì)胞來源的外泌體中高度表達(dá)，其通過抑制骨形態(tài)形成蛋白2的表達(dá)，從而抑制成骨細(xì)胞的形成[17]。miRNA-450b是一種正調(diào)控因子，上調(diào)miRNA-450b的表達(dá)可抑制內(nèi)源性骨形態(tài)形成蛋白3的表達(dá)，這一過程在體內(nèi)體外均可以促進(jìn)骨形成[18]。在糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的小鼠骨質(zhì)疏松模型中，miRNA-106b可靶向抑制骨形態(tài)形成蛋白2的表達(dá)，進(jìn)而減少成骨細(xì)胞分化和骨形成[19]。以上研究結(jié)果提示，miRNA-450b激動劑或者miRNA-1403p、miRNA-106b抑制劑是治療骨質(zhì)疏松的潛在藥物。

1.3 miRNA與過氧化物酶體增殖物激活受體 過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptor，PPAR)主要表達(dá)于脂肪組織和免疫系統(tǒng)，與脂肪細(xì)胞分化、機(jī)體免疫以及胰島素抵抗相關(guān)。上調(diào)PPAR的表達(dá)可以促進(jìn)成脂細(xì)胞分化，機(jī)體通過蓄積脂肪，利用骨骼-機(jī)械應(yīng)力系統(tǒng)來維持骨微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，從而避免骨折。miRNA-27a可抑制破骨細(xì)胞微管結(jié)構(gòu)的生成，降低其穩(wěn)定性，導(dǎo)致骨吸收減少[20-21]；其抑制骨吸收的功能與miRNA-27a相似，均通過上調(diào)PPAR的表達(dá)，間接性增強(qiáng)骨形成蛋白、抑制素跨膜蛋白、富含半胱氨酸型運(yùn)動神經(jīng)元蛋白1來促進(jìn)骨生成[22]。與PPAR通路相關(guān)的miRNA潛在靶點(diǎn)，其功能均集中在抑制破骨細(xì)胞活性和增加脂肪細(xì)胞分化兩方面。而抑制破骨細(xì)胞活性只是治療OP的一個(gè)方面，更為重要的是促進(jìn)成骨細(xì)胞的生成，此類與PPAR通路相關(guān)的miRNA有望作為OP治療的輔助靶點(diǎn)。

1.4 miRNA與Wnt信號通路 Wnt信號通路參與多種生理、生化過程，與骨質(zhì)疏松相關(guān)的是經(jīng)典Wnt/β-catenin信號通路，增強(qiáng)Wnt/β-catenin信號通路相關(guān)蛋白的表達(dá)，可以促進(jìn)成骨分化、抑制破骨分化以及脂肪形成。miRNA-27a可以通過激活Wnt信號通路促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[23]；miRNA-410可通過下調(diào)Wnt信號通路3a蛋白的表達(dá)來促進(jìn)軟骨形成[5]。Dickkopf相關(guān)蛋白1是Wnt信號通路的強(qiáng)大拮抗劑，被認(rèn)為是骨質(zhì)疏松的生物標(biāo)志物。miRNA-433-3p通過靶向抑制Wnt信號通路中的Dickkopf相關(guān)蛋白1來促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[24]。miRNA-139-5p作為miRNA-139-3p的前體，可以促進(jìn)Dickkopf相關(guān)蛋白1的表達(dá)，從而抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的骨生成[25]。動物實(shí)驗(yàn)中，沉默miRNA-148a-3p可以提高骨密度，其機(jī)制在于Wnt信號通路蛋白1是內(nèi)源性的脂肪生成抑制劑，沉默miRNA-148a-3p可以下調(diào)Wnt信號通路蛋白1的表達(dá)，促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化，間接提高骨密度[26]。miRNA-210-5p、miRNA-135a-5p、miRNA-211、miRNA-23a-3p、miRNA-204-5p等作為Wnt信號通路的拮抗劑，其表達(dá)紊亂也會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[27]。

此外，miRNA-23a/b通過抑制跨膜蛋白64的表達(dá)，介導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化，降低miRNA-23a/b表達(dá)會導(dǎo)致骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞隨著年齡增長而增加跨膜蛋白64的表達(dá)，進(jìn)而抑制Wnt信號通路，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生[28]。miRNA-22-3p可抑制Wnt信號通路，負(fù)調(diào)節(jié)骨生成作用和破骨作用，從而抑制鈣結(jié)節(jié)的形成[29]。miRNA-34a-5p可與Wnt信號通路組分Frizzled-3相互作用，調(diào)控Wnt信號通路蛋白1的表達(dá)和翻譯，從而促進(jìn)成骨作用[30]。

miRNA-31-5p與Wnt信號通路組分Frizzled-3相互作用，可以抑制后者的成骨活性[31]。miRNA-376c的過表達(dá)可以抑制Wnt信號通路蛋白2的表達(dá)，從而抑制成骨細(xì)胞活性；其還可以通過抑制Wnt信號通路靶向轉(zhuǎn)換生長因子來抑制骨肉瘤的增殖和侵襲[32]。在人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨細(xì)胞分化過程中，miRNA-141-3p通過直接抑制細(xì)胞周期G1，發(fā)揮負(fù)調(diào)控Wnt信號通路的作用[33]。miRNA-29通過抑制成骨細(xì)胞分化的啟動子，包括連環(huán)素蛋白相互作用蛋白1、Dickkopf相關(guān)蛋白1、Frizzled相關(guān)蛋白2和跨膜蛋白2的表達(dá)，從而抑制Wnt信號通路[34-36]。miRNA-142-3p也可以通過直接靶向抑制腺瘤性息肉病桿菌，導(dǎo)致Wnt信號通路中的連環(huán)素蛋白相互作用蛋白蓄積，從而增強(qiáng)Wnt信號通路蛋白的表達(dá)[37-38]。miRNA-199a-5p通過促進(jìn)Frizzled相關(guān)蛋白4和Wnt信號通路蛋白2表達(dá)來調(diào)控成骨細(xì)胞增殖[39]。miRNA-539加強(qiáng)軸蛋白1的表達(dá)，通過增強(qiáng)Wnt信號通路促進(jìn)骨質(zhì)疏松大鼠成骨細(xì)胞的增殖、分化以及破骨細(xì)胞的凋亡[40]。

1.5 miRNA與核因子κB受體活化因子配體 核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor κB ligand，RANKL)是關(guān)鍵的破骨細(xì)胞分化因子，破骨細(xì)胞是人體唯一具有骨吸收能力的細(xì)胞類型。miRNA-148a對破骨細(xì)胞分化具有正調(diào)控作用，并通過促進(jìn)v-maf 肌腱膜纖維肉瘤癌基因同源物B的表達(dá)，抑制活化的T細(xì)胞核因子、T細(xì)胞激活因子1、原癌基因c-Fos和小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子等的表達(dá)，來調(diào)控RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成[41-42]。miRNA-125a可以通過抑制腫瘤壞死因子受體因子(tumor necrosis factor receptor-associated factor，TRAF)和T細(xì)胞激活因子1的信使核糖核酸水平，阻止CD14外周血單核細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞；而TRAF6下游靶點(diǎn)T細(xì)胞激活因子1又可以結(jié)合miRNA-125a的啟動子來調(diào)控miRNA-125a的表達(dá)；因此，miRNA-125a通過TRAF6和T細(xì)胞激活因子1形成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)來調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化[43]。miRNA-214在破骨細(xì)胞分化中起關(guān)鍵作用，可以通過靶向促進(jìn)磷酸酶-張力蛋白表達(dá)，調(diào)控RANKL活化的正磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶/T細(xì)胞激活因子1信號通路而作用于破骨細(xì)胞分化[44]。激活的轉(zhuǎn)錄抑制因子2在破骨細(xì)胞活性的RNAKL信號通路中形成一個(gè)正反饋環(huán)，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成，而miRNA-34a可能以轉(zhuǎn)錄抑制因子2為靶點(diǎn)[45]。elF2αK2基因作為RANKL信號通路中誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的重要靶點(diǎn)，可被miRNA-182抑制其表達(dá)，這種抑制作用可抑制下游的β干擾素作用，從而減少破骨細(xì)胞活動[46-47]。miRNA-17/20a可以靶向阻斷RANKL信號通路，抑制破骨細(xì)胞分化；miRNA-126-5p過表達(dá)可以減少骨溶解作用；miRNA-26a抑制劑的過表達(dá)可促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成和功能[48-50]。miRNA-144-3p在脊椎動物中表達(dá)相對保守，它通過RANKL靶點(diǎn)來調(diào)控破骨細(xì)胞[51]。上調(diào)miRNA-21可有效抑制核因子κB受體活化因子配體，導(dǎo)致破骨細(xì)胞抑制因子程序性死亡蛋白表達(dá)，引起破骨細(xì)胞活性下降[52]。RANKL信號通路在骨疾病研究中常常作為研究重點(diǎn)，其在成骨細(xì)胞中表達(dá)，可激活破骨細(xì)胞，調(diào)控機(jī)體骨鈣素水平，也被稱為骨保護(hù)素配體。miRNA通過RNAKL信號通路保護(hù)骨質(zhì)疏松的研究是具有前瞻性的，一方面可解決臨床上骨質(zhì)疏松藥物的匱乏，另外一方面也可以作為骨代謝相關(guān)疾病的解決方案。miRNA可以作為RANKL過表達(dá)的抑制靶點(diǎn)，用于治療風(fēng)濕性骨關(guān)節(jié)炎、動脈粥樣硬化的斑塊沉著等。

1.6 miRNA與轉(zhuǎn)化生長因子β/Smads信號通路 轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor β，TGF-β)是另外一類具有廣泛基因調(diào)控作用的信號通路，參與細(xì)胞生長、分化、凋亡和動態(tài)平衡等過程，骨形態(tài)形成蛋白也屬于TGF-β超家族成員。Smads家族蛋白是將TGF-β信號從細(xì)胞表面受體傳導(dǎo)至細(xì)胞核，激活或者抑制TGF-β信號通路調(diào)控的靶基因。miRNA-214-5p可激活TGF-β/Smad蛋白2信號通路，促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨、成脂分化[53]；miRNA-21可以與Smad蛋白7結(jié)合來抑制骨形成[54]。

2 miRNA與OP的其他關(guān)聯(lián)

一些冷門的靶蛋白和信號通路也在miRNA與OP中起著重要的作用。miRNA-219a-5p通過下調(diào)成骨分化過程中視黃酸相關(guān)受體β 的mRNA水平導(dǎo)致成骨分化[55-57]。單核細(xì)胞作為破骨細(xì)胞的前體，上調(diào)miRNA-708-5p在單核細(xì)胞中的靶基因絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶2、細(xì)胞周期蛋白D1、核糖聚合酶1等的表達(dá)，將導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生[58]。miRNA-485-5p作為一種鈣鹽沉著的抑制劑，會減少成骨因子堿性磷酸酶的分泌，減少鈣化結(jié)節(jié)形成，其作用靶點(diǎn)位于成骨相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子抗體，上調(diào)miRNA-485-5p的表達(dá)可促進(jìn)成骨分化[59]。miRNA-181a的作用通路為凋亡相關(guān)因子配體信號通路，通過CD4+T淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞凋亡，負(fù)調(diào)控成骨作用，可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[60]。miRNA-31a-5p以外泌體為載體，分別通過特異AT序列結(jié)合蛋白2和轉(zhuǎn)錄因子E2F2調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化和成骨細(xì)胞衰老，并通過Rho家族蛋白通路積極增強(qiáng)破骨細(xì)胞分化；應(yīng)用miRNA-31a-5p的拮抗劑可以減少與年齡相關(guān)的骨質(zhì)流失[61]。

3 結(jié) 語

miRNA可以作為診斷和治療骨質(zhì)疏松的靶點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。血清miRNA生物標(biāo)志物作為檢驗(yàn)本底，敏感性強(qiáng)，特異度高[62-64]。但miRNA作為診斷指標(biāo)無法做到標(biāo)準(zhǔn)化，原因是在不同人種和區(qū)域之間，miRNA在不同獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出差異性，因此對各地區(qū)不同人種的骨質(zhì)疏松，miRNA的診斷指標(biāo)應(yīng)獨(dú)立檢驗(yàn)[65-66]。這是miRNA作為骨質(zhì)疏松通用診斷標(biāo)志物亟待解決的問題。

在骨代謝疾病的治療中，我們希望利用miRNA來調(diào)節(jié)骨形成/吸收的平衡，基于細(xì)胞學(xué)水平的治療方法有利于防止骨量丟失和潛在的骨折風(fēng)險(xiǎn)[67]。