非編碼RNA在糖尿病認(rèn)知障礙中的作用

韋茂英 晏蔚田 魏璠 魏軍平

中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院廣安門(mén)醫(yī)院內(nèi)分泌科，北京 100053

糖尿病可引起包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)在內(nèi)的多組織、多器官、多系統(tǒng)的損害，有報(bào)道稱(chēng)，糖尿病與認(rèn)知障礙和癡呆風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，糖尿病患者發(fā)生認(rèn)知障礙的風(fēng)險(xiǎn)是正常人的2倍[1]。近期的一項(xiàng)橫斷面研究顯示，2型糖尿病合并認(rèn)知障礙非癡呆和癡呆的患病率分別為28.3%和9.5%，糖尿病發(fā)病時(shí)間、HbA1c水平、嚴(yán)重低血糖病史等與糖尿病認(rèn)知障礙(diabetic cognitive impairment, DCI)風(fēng)險(xiǎn)增加顯著相關(guān)[2]。目前對(duì)于DCI，只有控制血糖、血脂、營(yíng)養(yǎng)腦神經(jīng)、改善腦循環(huán)等對(duì)癥治療。因此，迫切需要在疾病早期階段尋找新的生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)，近年來(lái)表觀遺傳學(xué)的發(fā)展為DCI的研究提供了一個(gè)新方向，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些失調(diào)的非編碼RNA(ncRNAs)參與DCI的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，本文對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 ncRNAs

分子生物學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的定理是：DNA充當(dāng)信使RNA轉(zhuǎn)錄的模板，信使RNA充當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)翻譯的藍(lán)圖。雖然高達(dá)90%的真核生物基因組可以轉(zhuǎn)錄，但只有1%～2%的轉(zhuǎn)錄本可以編碼蛋白質(zhì)，而其余的可歸類(lèi)為ncRNAs。ncRNAs通常指不編碼蛋白質(zhì)的RNA，但這并不意味著這種RNA既不包含信息也不具有功能，它們廣泛參與轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后調(diào)控、染色質(zhì)修飾、蛋白質(zhì)功能調(diào)控等過(guò)程，與人類(lèi)疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。ncRNAs按大小可分為兩類(lèi)：短于200個(gè)核苷酸的短鏈非編碼RNA(sncRNAs)和長(zhǎng)于200個(gè)核苷酸的長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNAs)。sncRNAs可分為微小RNA(miRNAs)、小干擾RNA(siRNAs)、小核仁RNA(snoRNAs)、PIWI蛋白質(zhì)相互作用的RNA(piRNAs)等，其中miRNAs、lncRNAs、circRNAs是目前代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病等的研究熱點(diǎn)[3-4]。

2 ncRNAs與DCI

2.1 miRNAs與DCI miRNAs是由20～24個(gè)核苷酸組成的ncRNA，通過(guò)與靶基因mRNA的3′非翻譯區(qū)結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)。既往有報(bào)道稱(chēng)miRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最為豐富，已知的miRNAs中有50%存在于大腦，包括大腦皮層和海馬，對(duì)神經(jīng)元分化、樹(shù)突發(fā)育和突觸可塑性等至關(guān)重要[5]。miRNAs的失調(diào)會(huì)加速認(rèn)知能力的下降，增加神經(jīng)功能障礙。目前越來(lái)越多的研究表明，miRNAs廣泛參與DCI病理過(guò)程的調(diào)節(jié)。

2.1.1 miRNA-384-5p miRNA-384-5p是一種參與神經(jīng)功能調(diào)節(jié)的特異性miRNA，可調(diào)控巨噬細(xì)胞自噬，參與糖尿病腦病的發(fā)生、發(fā)展。Wang等[6]發(fā)現(xiàn)，在鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的C57BL/6小鼠腦內(nèi)，巨噬細(xì)胞miRNA-384-5p表達(dá)水平顯著降低，而自噬增強(qiáng)。雙熒光素酶報(bào)告證實(shí)，自噬基因Beclin1是miRNA-384-5p的靶基因，因此自噬活性的增強(qiáng)與miRNA-384-5p對(duì)Beclin-1蛋白翻譯的抑制作用減弱有關(guān)。同時(shí)，研究還證實(shí)，對(duì)miRNA-384-5p的再表達(dá)可顯著減少腦內(nèi)炎性巨噬細(xì)胞的數(shù)量，減輕STZ誘導(dǎo)的糖尿病模型小鼠的腦損傷。

2.1.2 miRNA-135a-5p 有報(bào)道稱(chēng)，db/db小鼠骨骼肌中miRNA-135a的表達(dá)上調(diào)，而體內(nèi)沉默miRNA-135a可顯著減輕高血糖狀態(tài)，改善糖耐量[7]。miRNA-135a有兩種剪切體，即miRNA-135a-5p和miRNA-135a-3p。Pons-Espinal等[8]研究發(fā)現(xiàn)，下調(diào)miRNA 135a-5p的表達(dá)可促進(jìn)小鼠齒狀回神經(jīng)前體細(xì)胞的增殖，導(dǎo)致靜息小鼠齒狀回中神經(jīng)再生增加，推測(cè)其可能通過(guò)影響下游1,4,5,-三磷酸肌醇信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而發(fā)揮作用。Sox6是早期神經(jīng)元分化的重要調(diào)節(jié)因子，也是miRNA-135a-5p的潛在靶點(diǎn)，能與CD44的啟動(dòng)子直接結(jié)合，過(guò)表達(dá)Sox6可以逆轉(zhuǎn)miRNA-135a-5p介導(dǎo)的神經(jīng)元分化和樹(shù)突發(fā)育，miRNA-135a-5p/Sox6/CD44軸為探討神經(jīng)元分化提供了一個(gè)新的分子機(jī)制[9]。

2.1.3 miRNA-146a 豐富環(huán)境是指將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)在更加復(fù)雜的生存和社會(huì)交往環(huán)境中，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，其具有更新鮮多變的生活環(huán)境、更廣闊的自由活動(dòng)空間及群居動(dòng)物間更多地密切接觸。該概念是由Hebb于1947年首次提出，旨在探討環(huán)境對(duì)腦損傷后腦功能恢復(fù)的影響，此后在神經(jīng)退行性疾病方面被大量研究。Kubota等[10]報(bào)道，豐富環(huán)境可通過(guò)刺激內(nèi)源性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分泌外泌體miRNA-146a，降低晚期糖基化終末產(chǎn)物誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞白細(xì)胞介素1受體相關(guān)激酶1(IRAK1)、核因子-κB和腫瘤壞死因子(TNF)-α的表達(dá)，抑制炎性反應(yīng)，改善糖尿病大鼠的認(rèn)知功能?；瘜W(xué)合成的miRNA模擬物可經(jīng)鼻腔給藥的方式有效傳遞到海馬。Mai等[11]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)鼻腔給予miRNA-146a激動(dòng)劑能改善淀粉樣前體蛋白/早老素1(APP/PS1)轉(zhuǎn)基因小鼠的行為和認(rèn)知功能障礙，推測(cè)其與抑制海馬膠質(zhì)細(xì)胞活化、減輕神經(jīng)炎性反應(yīng)、降低腦內(nèi)淀粉樣β蛋白(Aβ)水平和細(xì)胞內(nèi)微管相關(guān)蛋白(tau)高磷酸化等有關(guān)。Kalani等[12]研究表明，與db/m小鼠相比，db/db小鼠腦內(nèi)miRNA-146a表達(dá)顯著下調(diào)。TargetScan生物信息分析顯示：miRNA-146a序列可識(shí)別朊蛋白(PrP)保守序列的87～93 bp，將攜帶miRNA-146a的小鼠腦內(nèi)皮細(xì)胞源性外泌體注入db/db小鼠腦室，可以在一定程度上降低PrP水平，恢復(fù)短期記憶功能。

2.1.4 miRNA-23b-3p 沉默信息調(diào)節(jié)因子1(SIRT1)是依賴(lài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白去乙?；福せ詈缶哂锌寡趸瘧?yīng)激、抑制炎性反應(yīng)、調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡等效應(yīng)，核因子E2相關(guān)性因子2(Nrf2)是細(xì)胞調(diào)節(jié)抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的核心轉(zhuǎn)錄因子。研究發(fā)現(xiàn)，在DCI大鼠中miRNA-23b-3p表達(dá)上調(diào)，過(guò)表達(dá)的miRNA-23b-3p抑制了高糖狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞中SIRT1和Nrf2的表達(dá)，增加氧化應(yīng)激，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡[13]。

2.1.5 miRNA-34a 在2型糖尿病患者外周血單核細(xì)胞中miRNA-34a表達(dá)水平升高，miRNA-34a過(guò)表達(dá)可導(dǎo)致快速的認(rèn)知損害和阿爾茨海默病樣病理改變，與Aβ沉積及tau蛋白在多個(gè)腦區(qū)的過(guò)度磷酸化有關(guān)[14-15]。沉默瞬時(shí)受體電位通道7(TRPM7)和miRNA-34a后，STZ誘導(dǎo)的BABL/c小鼠海馬組織活化的Bcl-2相關(guān)X蛋白、細(xì)胞色素C和裂解的半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)表達(dá)明顯下降，而B(niǎo)淋巴細(xì)胞瘤-2蛋白的表達(dá)顯著增加，提示抑制miRNA-34a在一定程度上對(duì)海馬細(xì)胞凋亡和記憶障礙有保護(hù)作用，從而改善糖尿病小鼠空間認(rèn)知功能[16]。

2.1.6 其他 在糖尿病腦病患者外周血單核細(xì)胞中，miRNA-368相對(duì)表達(dá)水平上調(diào)，沉默miRNA-368會(huì)抑制糖尿病腦病患者外周血單核細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞凋亡[17]。Kenny等[18]通過(guò)5年多的縱向隨訪發(fā)現(xiàn)，miRNA-206與認(rèn)知減退和記憶障礙具有很強(qiáng)的相關(guān)性，血漿miRNA-206水平升高可以用來(lái)預(yù)測(cè)輕度認(rèn)知障礙階段認(rèn)知能力的下降及向癡呆癥的進(jìn)展。

2.2 lncRNAs與DC LncRNAs是基因表達(dá)的重要調(diào)節(jié)因子，具有組織和時(shí)空表達(dá)特異性。在人類(lèi)基因組中，大約40%已識(shí)別的lncRNAs在大腦中存在特異性表達(dá)，涉及4 000～20 000個(gè)lncRNAs基因，參與人類(lèi)大腦進(jìn)化的神經(jīng)發(fā)育過(guò)程，包括增殖、軸突生長(zhǎng)和突觸發(fā)生，以及神經(jīng)可塑性[19]。

2.2.1 lncRNA H19 H19是最早報(bào)道的lncRNA之一，人類(lèi)H19是一個(gè)2.3 kb的RNA分子，由位于11號(hào)染色體p15.5位點(diǎn)上的H19基因所編碼，它在胚胎器官中的表達(dá)很高，在大多數(shù)成人組織中缺失或大大減少。近年來(lái)諸多研究表明，lncRNA H19具有調(diào)節(jié)葡萄糖穩(wěn)態(tài)和胰島素的合成與分泌、增強(qiáng)骨骼肌胰島素敏感性、調(diào)控細(xì)胞凋亡等功能，是目前糖尿病及糖尿病性心肌病變、視網(wǎng)膜病變等多種并發(fā)癥研究的熱點(diǎn)[20-22]。Zhao等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，海馬組織lncRNA H19表達(dá)增加，并通過(guò)Wnt信號(hào)通路介導(dǎo)了海馬神經(jīng)元和突觸體的凋亡，而沉默lncRNA H19可逆轉(zhuǎn)上述效應(yīng)。Yu等[24]研究也證實(shí)，lncRNA H19在糖尿病小鼠海馬神經(jīng)元中呈現(xiàn)高表達(dá)，海馬神經(jīng)元存活率顯著降低，而下調(diào)lncRNA H19可通過(guò)抑制胰島素樣生長(zhǎng)因子2(IGF2)甲基化，促進(jìn)IGF2的表達(dá)，進(jìn)而降低過(guò)氧化脂質(zhì)水平，增強(qiáng)過(guò)氧化氫酶、超氧化物岐化酶和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性，抑制氧化應(yīng)激并減少海馬神經(jīng)元凋亡。

2.2.2 LOC103690121 Hao等[25]發(fā)現(xiàn)STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠出現(xiàn)腦損傷和神經(jīng)元的減少，在Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)中尋找隱藏平臺(tái)的潛伏期延長(zhǎng)，表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知功能障礙。LncRNA微陣列分析顯示：糖尿病大鼠和對(duì)照組之間存在101個(gè)差異表達(dá)的lncRNAs，其中LOC103690121表達(dá)上調(diào)，進(jìn)一步研究證實(shí)其可能通過(guò)調(diào)控磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號(hào)通路，促進(jìn)了海馬神經(jīng)元凋亡。

2.2.3 lncRNA ANRIL、lncRNA-Gm4419 近期研究發(fā)現(xiàn)，與正常組相比，糖尿病大鼠的海馬組織中l(wèi)ncRNA ANRIL表達(dá)顯著增加，ANRIL即INK4位點(diǎn)反義非編碼RNA；核因子-κB p65是核因子-κB的效應(yīng)激酶，沉默ANRIL后，核因子-κB信號(hào)通路受到抑制，導(dǎo)致核因子-κB p65表達(dá)的改變，進(jìn)而減少海馬神經(jīng)元凋亡，促進(jìn)糖尿病大鼠記憶恢復(fù)[26]。此外，尚有研究證實(shí)高糖環(huán)境下小膠質(zhì)細(xì)胞中l(wèi)ncRNA-Gm4419表達(dá)明顯增加，過(guò)表達(dá)的lncRNA-Gm4419可上調(diào)核因子-κB p50，進(jìn)而導(dǎo)致caspase-3表達(dá)增加，Bcl-2表達(dá)減少，最終促進(jìn)了小膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡，有利于減輕中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)[27]。

2.3 circRNAs與DCI circRNAs是一種共價(jià)閉合的高度豐富、組織特異且進(jìn)化保守的新型內(nèi)源性ncRNA分子，在真核細(xì)胞中廣泛存在并參與多種生物調(diào)節(jié)活動(dòng)，如充當(dāng)miRNA海綿、調(diào)控某些基因的轉(zhuǎn)錄、參與蛋白的翻譯等[28]。哺乳動(dòng)物大腦中的神經(jīng)細(xì)胞處于祖細(xì)胞狀態(tài)，需要高度保守的circRNA。CircSLC45A4是其遺傳位點(diǎn)產(chǎn)生的主要RNA剪接異構(gòu)體，也是發(fā)育中人類(lèi)額葉皮質(zhì)中表達(dá)最高的circRNA之一。在人類(lèi)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系中敲除這種高度保守的circRNA足以誘導(dǎo)自發(fā)性神經(jīng)元分化。在發(fā)育的小鼠皮質(zhì)中，circSLC45A4的缺失導(dǎo)致基底祖細(xì)胞池的顯著減少，并增加神經(jīng)源性調(diào)節(jié)因子的表達(dá)，如Notch受體2(Notch2)、叉頭框蛋白P2(Foxp2)、非協(xié)調(diào)性分子5同源蛋白(Unc5b)。此外，敲除circSLC45A4還可導(dǎo)致皮質(zhì)板中細(xì)胞的大量耗竭[29]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，circRNAs參與了糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等衰老、年齡相關(guān)疾病的調(diào)控，在神經(jīng)元分化過(guò)程中總體表達(dá)上調(diào)，并在突觸中高度富集，與突觸可塑性和神經(jīng)元功能關(guān)系密切[30-31]。

2.3.1 hsa_circ_0054633 氧化應(yīng)激和內(nèi)皮功能障礙與DCI相關(guān)，血紅素氧合酶-1是一種抗氧化劑和細(xì)胞保護(hù)酶，對(duì)高糖引起的氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)具有保護(hù)效應(yīng)，ROBO-1是一種跨膜受體蛋白，與細(xì)胞遷移以及神經(jīng)軸突延伸有關(guān)。Pan等[32]在體外培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中觀察到，hsa_circ_0054633下調(diào)加劇了高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，包括增殖、遷移和血管生成抑制。下調(diào)miRNA-218可通過(guò)促進(jìn)ROBO-1和血紅素氧合酶-1的表達(dá)來(lái)抑制高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，雙熒光素酶分析證實(shí)hsa_circ_0054633能抑制miRNA-218的表達(dá)，hsa_circ_0054633的過(guò)度表達(dá)可通過(guò)靶向miRNA-218/ROBO-1和miRNA-218/血紅素氧合酶-1信號(hào)，有效逆轉(zhuǎn)高糖誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，與糖尿病血管損害關(guān)系密切。

2.3.2 circHIPK3 circHIPK3是由1 099個(gè)核苷酸組成的circRNA，在細(xì)胞增殖和抗凋亡中具有積極作用，Wang等[33]研究表明，circHIPK3在神經(jīng)病理性疼痛的糖尿病患者血清和STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠背根神經(jīng)節(jié)中含量較高，且circHIPK3表達(dá)上調(diào)與神經(jīng)病理性疼痛分級(jí)呈正相關(guān)。circHIPK3通過(guò)與miRNA-124相互作用，負(fù)調(diào)控miRNA-124的表達(dá)，沉默circHIPK3可降低糖尿病大鼠背根神經(jīng)節(jié)白細(xì)胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-12、TNF-α水平，抑制神經(jīng)炎性反應(yīng)。Zhao等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在脊髓損傷的體內(nèi)外模型中circHIPK3表達(dá)均下調(diào)，過(guò)表達(dá)circHIPK3可通過(guò)調(diào)節(jié)miRNA-558/DPYSL5軸，減輕神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，二氫嘧啶酶樣5即坍塌反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白5，參與神經(jīng)細(xì)胞發(fā)育、突起生長(zhǎng)等過(guò)程。circHIPK3作為重要的表觀遺傳調(diào)控因子，廣泛參與了高糖誘導(dǎo)的β細(xì)胞功能障礙、胰島素抵抗、內(nèi)皮細(xì)胞損傷等，同時(shí)又與神經(jīng)系統(tǒng)密切相關(guān)。據(jù)此推測(cè)，其可能成為治療DCI等糖尿病相關(guān)血管損傷的新途徑。

2.3.3 其他 有報(bào)道稱(chēng)，mmu_circRNA_34132、mmu_circRNA_017077和mmu_circRNA_015216在Nrf2基因敲除小鼠黑質(zhì)和紋狀體中的表達(dá)下調(diào)，可能參與了Nrf2介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)；且mmu_circRNA_34132和胰島素分泌相關(guān)基因(Gnaq、Atp1b2和Prkaca)均能與mmu-miRNA-7024-5p及mmu-miRNA-7081-5p結(jié)合。因此，mmu_circRNA_34132在Nrf2介導(dǎo)的糖尿病保護(hù)中也具有重要意義[35]。

3 小結(jié)與展望

在過(guò)去的20年里，2型糖尿病的發(fā)病率急劇上升，認(rèn)知功能減退與糖代謝紊亂密切相關(guān)，高糖所致的氧化應(yīng)激、胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路障礙、神經(jīng)炎性反應(yīng)、血-腦屏障破壞、低血糖等多種機(jī)制促進(jìn)了DCI的發(fā)生、發(fā)展。目前臨床對(duì)于DCI的早期診斷、治療存在一定的困難，雖然嚴(yán)格控制血糖可以獲益，但血糖的控制并不能遏制認(rèn)知功能的進(jìn)一步減退。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)、高通量RNA測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的ncRNAs被發(fā)現(xiàn)、證實(shí)，其異常表達(dá)可能是DCI發(fā)生的關(guān)鍵因素，這為DCI發(fā)病機(jī)制的研究提供了一個(gè)更深層次的認(rèn)識(shí)，但目前ncRNAs在DCI中的研究仍處于初期階段，對(duì)于大部分ncRNAs的生物學(xué)特性、生物學(xué)功能、以及具體通過(guò)何種途徑、哪一信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路發(fā)揮作用均有待于深入探討，尤其是circRNAs作為ncRNAs中的新興一員，在神經(jīng)退行性疾病中具有重要的價(jià)值，而在DCI中仍缺乏報(bào)道。此外，循環(huán)ncRNAs具有獲取簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、創(chuàng)傷性小等優(yōu)點(diǎn)，但作為DCI早期診斷、判斷預(yù)后的生物標(biāo)志物仍需要進(jìn)行大樣本、多隊(duì)列的驗(yàn)證。在今后探索中，深度挖掘ncRNAs分子，可更好地推動(dòng)DCI臨床治療及基礎(chǔ)研究的發(fā)展。