MicroRNA-21與骨質(zhì)疏松癥相關(guān)性的研究進(jìn)展

柳博 徐世紅 謝興文,3* 李寧 黃睿 丁聚賢 錢(qián)敏 郭宏剛 施彥龍

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

2.甘肅省中醫(yī)藥研究院，甘肅 蘭州 730050

3.西北民族大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730030

骨質(zhì)疏松癥的主要臨床表現(xiàn)為全身性骨痛、身體畸形及并發(fā)的骨質(zhì)疏松性骨折。最新的調(diào)查[1]表明我國(guó)65歲以上的老年人骨質(zhì)疏松患病率為32 %。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前我國(guó)大于60歲人口約占總?cè)丝诘?0.1 %[2]，因此，隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程的日益加劇，該病發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。有數(shù)據(jù)[3]顯示，預(yù)計(jì)到2050年，骨質(zhì)疏松所導(dǎo)致的骨折相關(guān)醫(yī)療支出將達(dá)到1 745億元。由此可見(jiàn)，骨質(zhì)疏松現(xiàn)已是我國(guó)面臨的重要社會(huì)公共衛(wèi)生問(wèn)題，但相關(guān)治療藥物存在著品種單一、副作用明顯等不足之處。因此，尋找其疾病靶基因?qū)琴|(zhì)疏松的治療將起到事半功倍的作用。近年來(lái)隨著對(duì)microRNA的深入研究，發(fā)現(xiàn)其家族中microRNA-21在調(diào)控骨骼代謝方面起著重要的作用，尤其是在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化與功能方面具有舉足輕重的作用。因此，本文通過(guò)文獻(xiàn)的回顧性分析，進(jìn)一步闡釋microRNA-21在骨質(zhì)疏松中的相關(guān)分子機(jī)制，為臨床治療和基礎(chǔ)研究提供一定的借鑒。

1 MicroRNA與骨質(zhì)疏松的研究

1.1 骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制

人體中的骨骼在一生中持續(xù)不斷地進(jìn)行著骨重塑，即破骨細(xì)胞對(duì)受損骨組織的骨吸收和成骨細(xì)胞的新骨形成的過(guò)程，而成熟骨組織的維系依賴(lài)于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cell，BMSCs)來(lái)源的成骨細(xì)胞的骨形成與造血干細(xì)胞 (hematopoietic stem cell，HSC)來(lái)源的破骨細(xì)胞骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系[4-5]；作為一種全身代謝性骨骼疾病，OP的發(fā)生機(jī)制主要是因?yàn)楣侵厮艿倪@種微妙動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)被打破，即體內(nèi)骨代謝平衡打破，骨吸收遠(yuǎn)大于骨形成，從而表現(xiàn)為骨量的流失，進(jìn)一步出現(xiàn)全身性的骨痛及各種骨折并發(fā)癥。隨著對(duì)microRNA在人體細(xì)胞增殖、分化及凋亡等過(guò)程中重要作用的揭示[6-10]，并且其在疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中具有的特異性表達(dá)，為骨質(zhì)疏松的全新靶向治療方式提供了極大的可能性。

1.2 MicroRNA與骨質(zhì)疏松

MicroRNA是一類(lèi)內(nèi)生長(zhǎng)度約為18～22個(gè)核苷酸的單鏈非編碼小RNA分子，其在細(xì)胞內(nèi)具有多種重要的調(diào)節(jié)作用；microRNA轉(zhuǎn)錄后水平與靶基因mRNA的3- untranslation region(3-UTR)不完全堿基配對(duì)，進(jìn)一步調(diào)控30 %以上基因的表達(dá)[7-9]；microRNA通過(guò)改變相應(yīng)的基因表達(dá)，可以調(diào)控細(xì)胞分化、凋亡、血管生成和細(xì)胞增殖等多種細(xì)胞生理過(guò)程[6,10]，可作為維持細(xì)胞生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)平衡的良好候選基因，也為骨質(zhì)疏松的防治提供了新的方向。

隨著近年來(lái)對(duì)骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制的研究，越來(lái)越多的研究[11]表明microRNA與骨重塑的關(guān)系密切，如miR-214可通過(guò)靶向FGFR-1減弱間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，還可通過(guò)靶向Pten/PI3k/Akt通路促進(jìn)破骨細(xì)胞形成[12]；相關(guān)研究[13-15]發(fā)現(xiàn)miRNA家族成員miRNA-214和miR-29c可有效調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化，主要表現(xiàn)為促進(jìn)BMP-2、Wnt/β-Catenin通路的激活并調(diào)控骨基質(zhì)蛋白的表達(dá)。同時(shí)相關(guān)研究[16-19]發(fā)現(xiàn)miR-27、miR-2861、miR-3960、miR-335-5p、miR-204等microRNA均在調(diào)控成骨分化中有特異性表達(dá)。

近年來(lái)隨著對(duì)microRNA在抗骨質(zhì)疏松機(jī)制中作用的不斷深入研究，尤其是發(fā)現(xiàn)了其家族中microRNA-21在調(diào)控成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化與功能方面起著重要作用；作為體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，microRNA-21基因位于第17號(hào)染色體，全長(zhǎng)22 nt，參與體內(nèi)多個(gè)生物過(guò)程，如miRNA-21可以通過(guò)靶向抑制緊張素同源蛋白(PTEN)及調(diào)控TGF-β1信號(hào)通路抑制骨肉瘤細(xì)胞增殖[20]；亦可靶向抑制PTEN的表達(dá)以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和遷移[21]，此外microRNA-21還可通過(guò)PTEN/PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)高血壓大鼠的病理癥狀和心肌細(xì)胞凋亡[22]。關(guān)于骨質(zhì)疏松的相關(guān)研究[23]表明，microRNA-21在OP患者血清中的表達(dá)明顯高于對(duì)照組，并在OP患者并發(fā)的髖骨骨折患者中的表達(dá)水平存在顯著差異[24]。microRNA-21在多個(gè)體內(nèi)多個(gè)生物過(guò)程中均有表達(dá)，隨著對(duì)其在OP機(jī)制中的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)它在OP中具有顯著的特異性表達(dá)，參與骨重塑過(guò)程并發(fā)揮著獨(dú)特的作用[25]，現(xiàn)就microRNA-21在骨質(zhì)疏松相關(guān)分子機(jī)制中的研究進(jìn)行綜述，為OP的防治提供一種新的靶標(biāo)治療方向。

2 MicroRNA-21在OP中的機(jī)制研究

2.1 Micro-RNA 21與成骨細(xì)胞的相關(guān)性

目前，相關(guān)的研究[26-29]表明，micro-RNA與相關(guān)的成骨因子之間存在著緊密聯(lián)系，作為體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，參與了體內(nèi)的多種生物過(guò)程，特別是腫瘤的發(fā)生發(fā)展及治療；近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)microRNA-21在調(diào)控成骨分化中也發(fā)揮著重要的作用。在研究細(xì)胞成骨分化的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多種microRNA表達(dá)上調(diào)，其中包括microRNA-21，人為調(diào)控microRNA-21過(guò)表達(dá)可促進(jìn)細(xì)胞成骨分化及異位成骨,并促進(jìn)骨折愈合以及骨質(zhì)疏松患者的成骨分化[30-31]。而間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)分化為成骨細(xì)胞，作為成骨分化中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，相關(guān)研究[32]表明microRNA-21可以通過(guò)促使Sox2的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控MSC成骨分化及增殖；另有研究[33]發(fā)現(xiàn)當(dāng)microRNA-21表達(dá)抑制時(shí)，TNF-α表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致成骨受到損害，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體骨形成與骨吸收失衡；而腫瘤壞死因子α(TNF-α)是一種具有誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)激活、細(xì)胞凋亡及免疫調(diào)節(jié)的多效應(yīng)細(xì)胞因子[34],在骨質(zhì)疏松的相關(guān)分子機(jī)制中，對(duì)成骨分化具有重要的調(diào)控作用。已有研究[35]表明TNF-α能夠抑制人牙周膜干細(xì)胞成骨分化，其主要作用機(jī)制為抑制Osterix、Runx2等成骨基因表達(dá)。綜上所述，microRNA-21可能通過(guò)調(diào)控TNF-α、Sox2的表達(dá)及NF-κB信號(hào)通路的激活，進(jìn)一步調(diào)控成骨的分化增殖，促進(jìn)骨形成。

同時(shí)有研究[36]表明，在成骨分化中扮演著重要的角色的骨形態(tài)發(fā)生蛋白9(BMP-9)，是一種可高效誘導(dǎo)成骨分化的骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)。在相關(guān)研究[37]中，小鼠多向分化干細(xì)胞(metanephric mesenchyme cell，MMC)在由BMP-9介導(dǎo)后，發(fā)現(xiàn)microRNA-21的水平顯著上調(diào)，并且二者通過(guò)發(fā)揮協(xié)同作用，進(jìn)一步促進(jìn)堿性磷酸酶和鈣鹽沉積。因此，該研究表明MMCs中microRNA-21表達(dá)及增強(qiáng)BMP-9可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞形成及其礦化。

Micro-RNA不僅可通過(guò)與相關(guān)成骨因子之間相互作用、在成骨分化中發(fā)揮作用，還可通過(guò)相關(guān)的成骨信號(hào)通路發(fā)揮調(diào)控作用；研究[38]發(fā)現(xiàn)Smad7對(duì)MMCs的成骨分化具有負(fù)向調(diào)控作用，具有抑制成骨細(xì)胞的增殖、分化和礦化的作用。在骨質(zhì)疏松患者血漿中發(fā)現(xiàn)microRNA-21表達(dá)下降，Smad7處于高水平表達(dá)[39]，而microRNA-21則已經(jīng)被證實(shí)可通過(guò)抑制Smad7促進(jìn)MMCs的成骨分化[38]。此外BMP9/Smad信號(hào)通路在骨重塑的過(guò)程中起著重要作用，尤其在MSC分化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，并在此過(guò)程中處于持續(xù)激活狀態(tài)[37]，同時(shí)microRNA-21與BMP9協(xié)同作用，進(jìn)一步調(diào)節(jié)Smad7和BMP9/Smad信號(hào)通路的相互作用。上述的研究進(jìn)一步表明，microRNA-21可能通過(guò)BMP9/Smad信號(hào)通路在成骨分化中發(fā)揮重要作用。

Liu等[40]發(fā)現(xiàn)microRNA-21與SPRY1、磷酸酶和緊張素同源物(PTEN)具有明顯相關(guān)性，而且Sprouty1 (SPRY1)是ERK/MAPK信號(hào)通路的抑制因子，對(duì)該信號(hào)通路具有負(fù)調(diào)控作用。通過(guò)研究[41-43]發(fā)現(xiàn)，microRNA-21可以抑制SPRY1的表達(dá)，進(jìn)而激活ERK/MAPK通路，從而證明microRNA-21可以促進(jìn)MSC成骨分化，進(jìn)一步證明了microRNA-21在促進(jìn)成骨分化中的作用；另有研究[43]發(fā)現(xiàn)microRNA-21在促進(jìn)MSC成骨分化過(guò)程中，可通過(guò)激活PI3K/AKT/GSK3β信號(hào)通路，促進(jìn)ALP、Runx2、OCN等成骨基因的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成骨分化；Zhao等[44]通過(guò)反轉(zhuǎn)錄-定量聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)對(duì)48例OP患者和48例正常人的骨組織和血清進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在OP患者的標(biāo)本中microRNA-21表達(dá)水平最低；同時(shí)該研究通過(guò)分離培養(yǎng)rBMSCs，實(shí)驗(yàn)組轉(zhuǎn)染microRNA-21并誘導(dǎo)成骨，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)與模擬組相比，microRNA-21可顯著促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。

總之，microRNA-21可以通過(guò)調(diào)控MSC的成骨分化、TNF-α的表達(dá)以及ERK/MAPK信號(hào)通路、PI3K/AKT/GSK3β信號(hào)通路和BMP9/Smad信號(hào)通路等，調(diào)控成骨分化，在成骨細(xì)胞分化增殖過(guò)程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用。

2.2 MicroRNA-21對(duì)OP中破骨細(xì)胞的作用

破骨細(xì)胞作為骨組織中唯一負(fù)責(zé)骨吸收的細(xì)胞類(lèi)型，在功能上與成骨細(xì)胞相互對(duì)應(yīng)、相互配合，在骨骼的形成和發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。而破骨細(xì)胞的分化及其在骨代謝中功能的體現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的協(xié)調(diào)過(guò)程，其中有多種細(xì)胞因子及信號(hào)通路共同參與；隨著對(duì)microRNA在骨質(zhì)疏松中相關(guān)分子機(jī)制的研究，microRNA-21在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中起到的重要作用也得到了很好的揭示[45-47]。相關(guān)研究[48]證明了microRNA-21可調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中RANKL/OPG的相對(duì)平衡，通過(guò)進(jìn)一步降低成熟破骨細(xì)胞的再吸收活性來(lái)影響成熟破骨細(xì)胞的分化；而NF-κB配體受體激活劑(RANKL)作為成骨細(xì)胞分化過(guò)程中主要的驅(qū)動(dòng)因子之一，可促進(jìn)NF-κB、磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等破骨細(xì)胞分化所必需基因的激活和表達(dá)[49]。骨保護(hù)素 (osteoprotegerin,OPG)具有骨保護(hù)效應(yīng)，可參與調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化和活化,與骨質(zhì)疏松的發(fā)生密切相關(guān)[50]；NF-κB受體活化因子配體(RANKL)是OPG的配體之一，兩者具有高度的親和力，最新的研究[51]表明OPG可結(jié)合RANKL，通過(guò)阻斷其促進(jìn)破骨分化的作用，達(dá)到防治骨質(zhì)疏松骨量流失的目的。Sugatani等[52]通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)microRNA-21是rankl誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化的microRNA表達(dá)特征，并與雌激素對(duì)成熟破骨細(xì)胞的促凋亡作用相反[53]。Hu等[54]通過(guò)研究敲除microRNA-21的小鼠，發(fā)現(xiàn)microRNA-21在BMSCs不同功能方面的差異導(dǎo)致microRNA-21敲除小鼠維持骨形成和成骨細(xì)胞形成，同時(shí)在骨形成的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞中microRNA-21靶向Spry1調(diào)節(jié)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)信號(hào)通路，從而抑制RANKL和促進(jìn)OPG升高，表明microRNA-21可促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成。

Sugatani等[53]報(bào)道雌激素下調(diào)microRNA-21的表達(dá)，而microRNA-21作用于靶點(diǎn)FasL蛋白，并促進(jìn)FasL蛋白的表達(dá)，進(jìn)一步誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的凋亡。Fujita等[55]證實(shí)了轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白-1(AP-1)可以上調(diào)microRNA-21的表達(dá)，而核蛋白轉(zhuǎn)錄因子(c-fos)蛋白是AP-1 的主要成分；在破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，c-fos亦可上調(diào) microRNA-21的表達(dá)水平，而microRNA-21作用于靶點(diǎn)程序性凋亡基因4(PDCD-4)的3’-UTR 區(qū)，可下調(diào)PDCD-4的蛋白表達(dá)，但PDCD-4又會(huì)抑制C-FOS的表達(dá)[52]，mircroRNA-21與PDCD-4、AP-1、C-FOS在破骨細(xì)胞的分化過(guò)程中，形成一個(gè)以microRNA-21為中心調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化的網(wǎng)絡(luò)。由此可見(jiàn)，microRNA-21在破骨細(xì)胞形成及凋亡過(guò)程中具有舉足輕重的作用。

另外，Li等[56]對(duì)120例絕經(jīng)后婦女血漿進(jìn)行預(yù)選，檢測(cè)三組的microRNA-21、microRNA-133a和microRNA-146a。microRNA-21的下調(diào)以及microRNA-133a的上調(diào)在骨質(zhì)疏松癥和骨量減少患者血漿中，與正常組相比發(fā)生了顯著變化，并與骨密度相關(guān)，進(jìn)一步表明microRNA-21可能被用作絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的敏感和血漿生物標(biāo)志物。由此可知，microRNA-21可以通過(guò)調(diào)控RANKL / OPG通路、增加RANKL表達(dá)、促進(jìn)FasL蛋白表達(dá)升高來(lái)調(diào)控破骨細(xì)胞的骨吸收作用。

3 小結(jié)

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)老齡化程度的不斷加劇，OP的發(fā)病率逐年上升。作為一種全身代謝性疾病，OP患者的骨量流失，導(dǎo)致骨折風(fēng)險(xiǎn)增加，給患者及其家屬帶來(lái)痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前臨床上應(yīng)用的抗骨質(zhì)疏松治療藥物主要有阿侖膦酸鈉、唑來(lái)膦酸、雷洛昔芬等[57]，但均有一定的副作用；對(duì)于骨質(zhì)疏松的診療，急需新的方案和藥物。近年來(lái)隨著對(duì)OP相關(guān)發(fā)病機(jī)制研究的日益深入，發(fā)現(xiàn)microRNA為體內(nèi)重要的骨調(diào)節(jié)因子，在成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞的骨吸收中發(fā)揮著重要的作用[32,35,45-47],這為骨質(zhì)疏松的防治提供了新的啟示和思路。

本文雖對(duì)microRNA-21在成骨分化和破骨抑制的相關(guān)機(jī)制及調(diào)控作用方面做了相關(guān)的綜述，相關(guān)研究也證明了microRNA-21在骨質(zhì)疏松的發(fā)病機(jī)制中具有特異性的表達(dá)和獨(dú)特的調(diào)控作用，但對(duì)其相關(guān)通路及作用機(jī)制的研究尚處于初始階段，認(rèn)識(shí)較少且單一，缺乏體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和體外相關(guān)實(shí)驗(yàn)的相互印證。因此，microRNA-21在OP中對(duì)骨重塑的相關(guān)分子機(jī)制的調(diào)控有待進(jìn)一步研究。相信隨著該研究的不斷深入，將有助于為骨質(zhì)疏松癥等骨科疾病的防治提供新的思路和方案，同時(shí)為開(kāi)發(fā)新的抗骨質(zhì)疏松靶標(biāo)藥物提供理論依據(jù)。