MicroRNA調(diào)控認知功能的研究進展

黃可群 劉琳 崔巍 吳祥

微小RNA（microRNA，miRNA/miR）是由21～22個核苷酸組成的短鏈非編碼RNA家族，約占人類基因1%。miRNA作為基因表達調(diào)控因子，可通過與靶基因的mRNA 3’非翻譯區(qū)（3’ untranslated region，3’UTR）結(jié)合，促使靶基因mRNA降解，抑制靶蛋白翻譯。miRNA廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄和翻譯，進而影響突觸可塑性、神經(jīng)炎癥、自噬、氧化應(yīng)激和毒性蛋白聚集等病理生理過程，調(diào)節(jié)學習、記憶等高級認知功能，參與認知障礙相關(guān)疾病的病理過程。此外，外周miRNA性質(zhì)穩(wěn)定且容易獲取，其動態(tài)變化與中樞系統(tǒng)miRNA相似，因此外周miRNA有望成為早期檢測和評估認知障礙相關(guān)疾病進展的潛在生物學標志物。本文圍繞miRNA調(diào)控高級認知功能的生理機制以及參與認知障礙相關(guān)疾病的病理機制以及外周miRNA作為認知障礙相關(guān)疾病潛在生物學標志物的臨床應(yīng)用進展展開綜述。

一、miRNA調(diào)控認知功能的生理機制

（一）miRNA調(diào)控突觸可塑性

突觸可塑性即突觸連接強度的經(jīng)驗依賴性改變，是認知過程中重要的神經(jīng)生物學機制。突觸可塑性反映了神經(jīng)元之間突觸聯(lián)系強度隨神經(jīng)元活性的變化。突觸可塑性由突觸后鈣內(nèi)流響應(yīng)神經(jīng)元活動而觸發(fā)，進一步由下游分子信號級聯(lián)反應(yīng)控制。突觸傳遞短期改變可由突觸蛋白活性或定位瞬時變化引發(fā)。負責長期記憶的持久突觸變化需對觸發(fā)突觸可塑性的刺激做出反應(yīng)，并調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達[1]。長時程增強（long-term potentiation，LTP）是突觸前神經(jīng)元在短時間內(nèi)收到快速重復(fù)刺激后，在突觸后神經(jīng)元快速形成的持續(xù)時間較長的興奮，導致突觸后電位增強，突觸后神經(jīng)元內(nèi)鈣離子增加。反之，神經(jīng)元刺激后，突觸傳遞減弱，突觸后電位降低，突觸后神經(jīng)元內(nèi)鈣離子減少，誘導長時程抑制（long-term depression，LTD）。LTP和LTD是突觸可塑性重要的表現(xiàn)形式，是研究學習記憶的重要模型。

miR-132、miR-212是研究較多的認知相關(guān)miRNA，主要定位于神經(jīng)元的突觸和樹突。嚙齒動物進行認知任務(wù)訓練后可導致海馬miR-132和miR-212顯著增加。miR-132在前腦興奮性神經(jīng)元過度表達可改善空間記憶。但miR-132在海馬周圍皮質(zhì)或CA1亞區(qū)過度表達可損害短期記憶，但對長期記憶沒有影響，這表明miR-132的表達水平對認知影響具有雙向作用[2]。miR-132/212表達受位于miRNA基因啟動子的cAMP反應(yīng)元件（cAMP-response element，CRE）及cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP-response element-binding protein，CREB）調(diào)控[3]。miR-132和miR-212是新生神經(jīng)元正常樹突生長所必需的，其中miR-132對成年新生神經(jīng)元融入齒狀回興奮回路至關(guān)重要。小鼠海馬缺失miR-132、miR-212可抑制樹突和棘突形成，而miR-132、miR-212在海馬和皮質(zhì)神經(jīng)元過度表達則促進樹突生長。miR-132、miR-212基因敲除可降低海馬CA3和CA1神經(jīng)元之間突觸傳遞，抑制LTP，導致認知學習障礙。因此miR-132和miR-212在調(diào)節(jié)突觸可塑性方面有關(guān)鍵作用。

miR-190a是另一個與突觸發(fā)育過程相關(guān)的miRNA。T淋巴瘤侵襲轉(zhuǎn)移誘導因子1（T lymphoma invasion and metastasis inducing factor 1，TIAM1）在脊柱和突觸發(fā)育過程中高度水平表達。miR-190a可通過抑制TIAM1表達在老年術(shù)后認知功能障礙（postoperative cognitive dysfunction，POCD）中發(fā)揮重要作用。Liu等[4]發(fā)現(xiàn)，提高POCD模型小鼠海馬miR-190a的表達可抑制海馬組織TIAM1/Rac1通路激活，抑制突觸發(fā)育和成熟，進而誘導術(shù)后學習記憶障礙。

（二）miRNA調(diào)控微管相關(guān)蛋白Tau

微管相關(guān)蛋白Tau可與微管結(jié)合，促進微管蛋白組裝。Tau蛋白可經(jīng)乙?；?、糖基化、泛素化、糖基化、多胺化、硝化等修飾，其中Tau蛋白磷酸化主要與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)。Tau蛋白在蛋白激酶調(diào)節(jié)下過度磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結(jié)，誘導其失去催化微管裝配和穩(wěn)定微管結(jié)構(gòu)的功能，阻礙神經(jīng)遞質(zhì)合成、釋放及細胞間物質(zhì)運輸，誘導神經(jīng)元退行性病變，損傷認知能力。

糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase，GSK3β）和細胞周期依賴性蛋白激酶5（cyclin-dependent kinase 5，CDK-5）過度激活是導致Tau蛋白過度磷酸化、形成神經(jīng)纖維纏結(jié)的重要誘因。Absalon等[5]對阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）患者跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)上調(diào)miR-26b表達水平可促進CDK5從細胞核移位到細胞質(zhì)，重啟細胞周期。miR-138可靶向維甲酸受體α（retinoic acid receptor alpha,RARα），阻止維甲酸信號傳導，增加GSK3β 活性，導致Tau蛋白過度磷酸化和神經(jīng)糾纏結(jié)形成[6]。以上miRNA在調(diào)控Tau蛋白過程中有重要作用。

（三）miRNA調(diào)控神經(jīng)炎癥

海馬對記憶形成有重要作用，海馬依賴的學習和記憶過程易受神經(jīng)炎癥影響。中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷或者感染后，免疫系統(tǒng)被激活，釋放腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）和白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等促炎細胞因子，促炎細胞因子可通過受損的血腦屏障或者直接神經(jīng)通路進入大腦，激活小膠質(zhì)細胞，誘導神經(jīng)炎癥，導致認知障礙[7]。

miRNA可調(diào)節(jié)神經(jīng)炎癥，進而調(diào)控認知障礙相關(guān)疾病。AD患者海馬和額葉內(nèi)側(cè)回miR-125b表達上調(diào)。miR-125b可通過抑制星形膠質(zhì)細胞釋放干擾素調(diào)節(jié)因子4和補體因子H蛋白等促炎細胞因子，改善海馬依賴的學習和記憶過程[8]。POCD模型小鼠中miR-146a可阻止其下游靶分子IRAK1和TRAF6表達，抑制促炎細胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6的釋放。有研究表明上調(diào)miR-146a表達可抑制海馬小膠質(zhì)細胞激活，通過抑制IRAK1/TRAF6/NF-κB通路，減輕POCD小鼠學習和記憶障礙，而miR-146a表達下調(diào)可加重POCD小鼠的海馬依賴學習記憶缺陷和神經(jīng)炎癥[9]。

miR-181b-5p也可控制神經(jīng)炎癥。Lu等[10]發(fā)現(xiàn)，miR-181b-5p可抑制BV-2小膠質(zhì)細胞中TNF-α、IL-1β 等促炎細胞因子和單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）表達，從而減輕小鼠早期認知功能障礙；而抑制miR-181b-5p則可誘導上述促炎細胞因子表達上調(diào)，加重小鼠早期認知功能障礙。術(shù)前向小鼠海馬注射miR-181b-5p，可改善POCD小鼠的海馬依賴記憶。進一步研究發(fā)現(xiàn)miR-181b-5p可能調(diào)控TNF-α 的3’UTR，提示miR-181b-5p是改善POCD潛在治療靶點。

（四）miRNA調(diào)控氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是抗氧化系統(tǒng)功能失調(diào)，誘導活性氧自由基增加，氧化還原穩(wěn)態(tài)破壞，導致細胞和組織損傷。中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)不飽和脂肪酸含量高、耗氧量多、抗氧化能力低，因此特別容易受氧化應(yīng)激損傷，而氧化應(yīng)激可導致神經(jīng)元死亡和突觸損傷，降低認知功能。

Nrf2是調(diào)節(jié)抗氧化基因的主要轉(zhuǎn)錄因子，Nrf2表達下降可提高氧化應(yīng)激，導致認知功能障礙，Keap1可促進Nrf2降解，miR-7可抑制Keap1表達，促進Nrf2水平提高，降低氧化應(yīng)激水平，進而改善認知功能障礙[11]。帕金森病（Parkinson’s disease，PD）患者的中腦黑質(zhì)miR-7表達下調(diào)，是導致多巴胺神經(jīng)元丟失、認知功能下降的重要原因。Han等[12]發(fā)現(xiàn)糖尿病大鼠模型中，過度表達的miRNA-23b-3p可增加高糖處理后神經(jīng)元的氧化應(yīng)激和細胞凋亡水平。SIRT1可參與細胞抗炎、抗氧化應(yīng)激等過程，Nrf2作為細胞調(diào)節(jié)抗氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要轉(zhuǎn)錄因子受SIRT1調(diào)控[13]。SIRT1可通過促進Nrf2表達，抑制糖尿病大鼠細胞凋亡和氧化應(yīng)激，對抗大腦氧化還原失衡，改善大鼠的空間學習記憶能力，阻止miRNA-23b-3p誘導的糖尿病大鼠認知功能下降。

（五）miRNA調(diào)控自噬

自噬是進化保守的自我消化過程，可維持細胞動態(tài)平衡，但過度自噬在應(yīng)激環(huán)境會導致神經(jīng)元凋亡。神經(jīng)元自噬參與顱腦損傷的病理生理過程，導致運動、感覺、學習和記憶等神經(jīng)功能障礙，抑制自噬可逆轉(zhuǎn)麻醉誘導的神經(jīng)干細胞凋亡、增殖下降和記憶障礙。

許多調(diào)控自噬的miRNA在AD進程中表達失調(diào)，提示其參與AD進程，可能與學習記憶障礙有關(guān)。如AD小鼠腦中miR-299-5p表達很低，腦內(nèi)注射miR-299-5p具有神經(jīng)保護作用，可抑制動物認知障礙；另一方面，miR-299-5p靶向自噬相關(guān)基因(autophagy related genes 5，ATG5)，可通過抑制ATG5介導的細胞凋亡，產(chǎn)生神經(jīng)保護作用，說明miRNA可調(diào)節(jié)自噬相關(guān)基因表達來影響神經(jīng)認知[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，癲癇小鼠降低miR-134表達可抑制ATG5和Beclin1等自噬相關(guān)蛋白表達，改善氧化應(yīng)激誘導的異常自噬，間接改善癲癇小鼠的學習認知能力[15]。

（六）miRNA調(diào)控毒性蛋白聚積

腦內(nèi)β-淀粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）沉積是AD的主要病理特征，α-突觸核蛋白（α-synuclein，α-syn）累積與PD發(fā)病密切相關(guān)。這些毒性蛋白可以進一步形成寡聚體、原纖維、纖維等聚集形式產(chǎn)生毒性，誘導神經(jīng)元功能和突觸可塑性損傷，導致認知和行為障礙。

Viegas等[16]發(fā)現(xiàn)miR-31可靶向Aβ 生成重要蛋白APP和BACE1 mRNA，降低APP和BACE1表達水平，減少Aβ 沉積，改善3xTg-AD小鼠的認知功能。最近研究表明，miR-486-3p可與SIRT2的3’UTR結(jié)合，抑制SIRT2翻譯表達，降低了α-syn聚集和神經(jīng)毒性，改善PD患者的行為及認知障礙[17]。

二、外周miRNA對于認知障礙相關(guān)疾病的意義

許多認知障礙相關(guān)疾病到后期才會出現(xiàn)明顯臨床癥狀，因此，早期檢測生物標志物對早期診斷認知障礙相關(guān)疾病至關(guān)重要。miRNA在外周循環(huán)系統(tǒng)長期穩(wěn)定，在外泌體等囊泡結(jié)構(gòu)中能抵抗核糖核酸酶攻擊，不易降解，可與Argonaute2、脂蛋白等結(jié)合提高其在血液中的穩(wěn)定性。miRNA作為生物標志物可從腦脊液、血漿和外周血單核細胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）中獲得，外周miRNA可呈現(xiàn)和中樞miRNA類似變化，如AD患者miRNA在外周體液和死后腦組織呈現(xiàn)同向變化[18]。因此，外周血miRNA可能是診斷AD和輕度認知障礙（mild cognitive impairments，MCI）的潛在生物標志物。

miRNA的變化可協(xié)助臨床AD診斷，如AD患者血漿和PBMC中miR-34c升高，另外miR-34c表達水平與簡易精神狀態(tài)量表評分呈正相關(guān)，可增加AD診斷的準確性[19]。此外，miRNA在認知損害不同階段有動態(tài)變化，這使區(qū)分早期AD及評估AD進展成為可能，而將miRNA改變與其他認知輔助診斷方法結(jié)合，可顯著提高認知障礙相關(guān)疾病預(yù)測的特異性和敏感性。如MCI有1～5年無臨床癥狀期，miR-206表達失調(diào)可用于預(yù)測MCI，具有高度敏感性和特異性[20]。

綜上所述，以上研究表明外周miRNA可能用于識別和標記認知障礙相關(guān)疾病，可能發(fā)展為認知障礙相關(guān)疾病的新型生物標志物。

三、結(jié)論與展望

miRNA廣泛參與神經(jīng)發(fā)育、組織分化和突觸形成等多種生命進程，與認知功能、學習和記憶等高級神經(jīng)功能關(guān)系密切。miRNA可能通過調(diào)節(jié)突觸可塑性、神經(jīng)炎癥、氧化應(yīng)激、細胞自噬、毒性蛋白聚集等過程參與AD、PD、POCD等認知障礙相關(guān)疾病病理進程。因此，探究miRNA的作用機制，對研究神經(jīng)認知功能和認知障礙相關(guān)疾病具有重要意義。外周miRNA穩(wěn)定、容易獲取，又可反映中樞神經(jīng)系統(tǒng)分子變化，這為研究神經(jīng)認知障礙性疾病的分子基礎(chǔ)提供了獨特的機會。外周miRNA作為生物標志物在認知障礙相關(guān)疾病的診斷中具有較好前景，也可進一步地應(yīng)用于疾病的預(yù)測和病程進展判斷，還可將miRNA作為分子靶點治療疾病。未來需要對外周miRNA進行更全面的研究分析。