miRNA在阿爾茨海默病中的研究進(jìn)展

李雪嬌 郎咸圣婕 張憲亮

(山東大學(xué)體育學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

阿爾茨海默病(AD)是一種多發(fā)于老年時(shí)期的慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，臨床特征為學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知功能下降，病理特征為海馬體萎縮、β-淀粉樣蛋白(Aβ)斑塊積聚和神經(jīng)纖維纏結(jié)〔1〕。miRNA是一類長度約有22個(gè)核苷酸的微小RNA。多項(xiàng)研究證明，miRNA在腦學(xué)習(xí)記憶及認(rèn)知功能的調(diào)控中起重要作用，部分miRNA的異常表達(dá)及其介導(dǎo)的下游細(xì)胞信號(hào)通路與多種AD的病理機(jī)制密切相關(guān)〔2〕，而以miRNA為靶點(diǎn)的反義miRNA在AD治療中前景廣闊〔3〕。本文對(duì)miRNA在AD中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 miRNA的產(chǎn)生及作用機(jī)制

miRNA是一種內(nèi)源性的非編碼RNA(ncRNA)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛分布，對(duì)神經(jīng)發(fā)育、分化、成熟發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。在細(xì)胞核內(nèi)，編碼miRNA的基因首先在RNA聚合酶(Pol)Ⅱ的作用下被轉(zhuǎn)錄成前體轉(zhuǎn)錄體Pri-miRNA，然后被Drosha酶等加工成前體Pre-miRNA〔4〕。輸出蛋白(Exportin)-5將Pre-miRNA運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)，在Dicer酶的作用下形成雙鏈的miRNA配對(duì)分子。隨后雙鏈分解成單鏈，一條為隨從鏈(passenger strand)，一條為導(dǎo)向鏈(guide strand)。單鏈進(jìn)入核糖蛋白復(fù)合體miRNP(RISC)，并在其作用下形成成熟的miRNA。miRNA與靶向mRNA的3′UTR互補(bǔ)配對(duì)，抑制翻譯或者翻譯后水平表達(dá)。如果miRNA與mRNA高度互補(bǔ)配對(duì)，使mRNA裂解，若匹配度不高則抑制靶mRNA的翻譯〔5〕；導(dǎo)致相關(guān)蛋白質(zhì)無法合成或者合成減少，從而調(diào)控基因的表達(dá)。哺乳動(dòng)物基因更加復(fù)雜，所以大多是抑制基因表達(dá)而非降解。此外，還發(fā)現(xiàn)少數(shù)miRNA可與5′UTR互補(bǔ)配對(duì)裂解靶mRNA或抑制其翻譯〔6，7〕。

2 miRNA在AD中的作用機(jī)制

AD的發(fā)病機(jī)制尚不十分明確，目前被廣泛認(rèn)可的主流是Aβ學(xué)說和Tau蛋白學(xué)說，此外，AD還與神經(jīng)發(fā)生、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期再入及炎癥反應(yīng)有關(guān)。這些作用機(jī)制與miRNA的調(diào)控密不可分。

2.1miRNA與神經(jīng)發(fā)生 成年神經(jīng)發(fā)生是指成年大腦中神經(jīng)干細(xì)胞(NSC)通過增殖產(chǎn)生新生神經(jīng)元并遷移至功能區(qū)，不斷分化成熟，并整合到神經(jīng)環(huán)路中形成具有功能活性神經(jīng)元的過程，主要包括神經(jīng)元增殖、遷移、分化、成熟、存活等過程。其中，海馬齒狀回顆粒下區(qū)(SGZ)和側(cè)腦室室下區(qū)(SVZ)的神經(jīng)發(fā)生對(duì)維持正常學(xué)習(xí)記憶至關(guān)重要。但在AD中，SGZ和SVZ的神經(jīng)發(fā)生均有一定程度的損害〔8〕，而運(yùn)動(dòng)可通過促進(jìn)成年海馬神經(jīng)發(fā)生改善AD小鼠認(rèn)知功能，提示神經(jīng)發(fā)生的損害在AD的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。

研究已證實(shí)，神經(jīng)發(fā)生的不同階段存在大量miRNA的差異性表達(dá)，它們與轉(zhuǎn)錄因子及染色質(zhì)修飾物之間構(gòu)成復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，在神經(jīng)發(fā)生的不同階段發(fā)揮不同的作用。甲基化結(jié)合蛋白(MBD)1是一種甲基化CpG結(jié)合域蛋白，參與調(diào)控細(xì)胞生長發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，MBD1能調(diào)節(jié)成年神經(jīng)發(fā)生，miR-184過表達(dá)會(huì)使MBD1缺失從而提高NSC增殖，降低NSC分化〔9，10〕；而抑制miR-184表達(dá)可緩解MBD1 缺失引起的NSC過度分化〔10〕。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MBD1與miR-184間的調(diào)控是相互的，MBD1可通過調(diào)控miR-184與膜相關(guān)蛋白Numb1 mRNA的3′UTR結(jié)合抑制其翻譯，從而調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞分化〔9〕；而增加Numb1表達(dá)可緩解過表達(dá)miR-184誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷。提示miR-184作為MBD1、miR-184與Numb1調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的中心環(huán)節(jié)，可調(diào)控NSC增殖分化間的動(dòng)態(tài)平衡。miR-124特異性表達(dá)于成年神經(jīng)細(xì)胞中，在成年SVZ NSC分化中起了關(guān)鍵作用。敲除miR-124可維持SVZ NSC處于正在分裂的神經(jīng)前體細(xì)胞階段，而過度表達(dá)miR-124會(huì)誘發(fā)神經(jīng)元早熟，提示miR-124可調(diào)控NSC在過度擴(kuò)增細(xì)胞和神經(jīng)母細(xì)胞之間轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)錄因子性別決定基因盒(Sox)-9通過Notch信號(hào)通路調(diào)控神經(jīng)祖細(xì)胞向膠質(zhì)細(xì)胞分化，而miR-124可通過抑制Sox9表達(dá)，誘導(dǎo)NSC向神經(jīng)元分化〔11〕。因此，miR-124誘導(dǎo)的Sox9表達(dá)對(duì)SVZ NSCs向神經(jīng)元譜系分化至關(guān)重要。miR-137在成體神經(jīng)細(xì)胞中特異性表達(dá)，參與神經(jīng)元成熟過程。過表達(dá)miR-137抑制大腦和初級(jí)神經(jīng)元的樹突形態(tài)及其表型成熟，而抑制miR-137結(jié)果則相反〔12〕。進(jìn)一步研究表明，miR-137通過抑制Ech2(一種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和PcG蛋白)翻譯，減少成年SGZ NSC中H3K27me3水平〔13〕。此外，miR-137受到甲基CPG結(jié)合蛋白(MeCP)2和Sox2的表觀遺傳調(diào)控〔14〕。提示miR-137、MeCP和PcG可能形成了一個(gè)交互閉環(huán)，在特定的基因域調(diào)控H3K27me2水平，從而影響基因表達(dá)。與miR-137相反，miR-132通過抑制核受體相關(guān)蛋白1〔15〕和抑制因子元件-1〔16〕的轉(zhuǎn)錄后表達(dá)，促進(jìn)樹突發(fā)生、突觸整合和新生神經(jīng)元存活〔17〕。

2.2miRNA與神經(jīng)細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡是AD中神經(jīng)元的死亡形式，細(xì)胞凋亡的發(fā)生可被抗凋亡因子(Bcl-2、Bcl-w和Mcl-1)和促凋亡因子(Bax、Bak-1和Puma)調(diào)控。miRNA可調(diào)節(jié)抗凋亡因子。在AD轉(zhuǎn)基因小鼠腦內(nèi)，Bcl-2表達(dá)下調(diào)，同時(shí)伴隨miR-34a的高表達(dá)〔18〕，進(jìn)一步研究證實(shí)miR-34a可負(fù)調(diào)控Bcl-2表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，加劇神經(jīng)元丟失〔19〕。除miR-34a之外，miR-15b、miR-29a、miR-181a/c和miR-210也對(duì)Bcl-2起調(diào)節(jié)作用。在AD中，miR-125b和miR-422上調(diào)，Bcl-w表達(dá)下降，細(xì)胞凋亡增加〔20〕。此外，miR-153和miR-181a/c可靶向作用于另一種抗凋亡因子Mcl-1〔21〕，抑制細(xì)胞凋亡；而下調(diào)miR-512，可誘導(dǎo)Mcl-1分泌增加，從而改善AD〔22〕。miRNA調(diào)節(jié)促凋亡因子。研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元或星形膠質(zhì)細(xì)胞中，miR-29a/b、miR-125b可抑制Puma和Bak-1，抑制細(xì)胞凋亡〔23〕。上調(diào)miR-23a和miR-27a會(huì)通過抑制Bax和Puma起神經(jīng)保護(hù)作用，而下調(diào)會(huì)造成急性缺血條件下的腦損傷〔24〕。

2.3miRNA與細(xì)胞周期再入 正常情況下，成年神經(jīng)元平時(shí)處于休眠狀態(tài)，而在DNA受損超過其修復(fù)能力時(shí)，細(xì)胞周期蛋白(cyclin)異常表達(dá)，驅(qū)使細(xì)胞周期異常啟動(dòng)，這些被迫重新啟動(dòng)的神經(jīng)元進(jìn)入細(xì)胞周期后并不能繼續(xù)分化，而是走向死亡。研究發(fā)現(xiàn)，在AD腦內(nèi)，p53表達(dá)增加，促使細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)4磷酸化，磷酸化的CDK4可磷酸化視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(Rb)蛋白，使其與E2F1蛋白解離，后者驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期再入。AD中受損神經(jīng)元重新進(jìn)入細(xì)胞周期(細(xì)胞周期再入)已成為AD早期主要病例特征之一〔25〕。

目前，與AD腦內(nèi)細(xì)胞周期再入相關(guān)的miRNA包括miR-26b、miR-34a、miR-106b等。其中，miR-26b可促進(jìn)編碼RbmRNA的翻譯〔26〕，驅(qū)使AD腦內(nèi)細(xì)胞周期再入；而抑制miR-26b可抑制細(xì)胞周期再入，緩解AD神經(jīng)元受損。miR-34a可通過抑制Cyclin D1進(jìn)而抑制淀粉樣前體蛋白(APP)/早老素(PS)-1小鼠腦內(nèi)的細(xì)胞周期再入〔27〕。此外，有研究發(fā)現(xiàn)AD腦內(nèi)miR-106b表達(dá)增加，神經(jīng)元重新進(jìn)入細(xì)胞周期〔28〕，提示抑制miR-106也可抑制細(xì)胞周期再入，但目前并不清楚miR-106作用的目標(biāo)蛋白。

2.4miRNA與神經(jīng)炎癥反應(yīng) 神經(jīng)炎癥在AD病理生理學(xué)中有重要作用，有證據(jù)表明，來自外周的星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞(MG)和免疫細(xì)胞參與AD中神經(jīng)炎癥和神經(jīng)變性的過程。其中，MG是中樞神經(jīng)系統(tǒng)免疫的主要組成部分，當(dāng)它處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)有助于神經(jīng)保護(hù)。研究證實(shí)，miRNA介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)可能與AD發(fā)病機(jī)制有關(guān)。miR-146a是一種高度誘導(dǎo)型miRNA，與炎癥機(jī)制有關(guān)。AD中miR-146a表達(dá)升高，高表達(dá)的miR-146a可促進(jìn)核因子(NF)-κB介導(dǎo)的促炎因子白細(xì)胞介素(IL)-1β、腫瘤壞死因子(TNF)-α的分泌〔29〕。此外，miR-9、miR-34a、miR-125b和miR-155，也通過NF-κB介導(dǎo)TNF-α、IL-1β及集落刺激因子(CSF)上調(diào)，誘導(dǎo)AD發(fā)生。提示部分miRNA可負(fù)調(diào)節(jié)NF-κB，介導(dǎo)神經(jīng)炎性反應(yīng)。另外，Toll樣受體(TLR)4作為NF-κB的上游通路，可被miR-181c 激活，從而減少NF-κB介導(dǎo)的炎癥〔30〕。此外，正常情況下miR-124可使MG維持在靜止?fàn)顟B(tài)，AD中miR-124表達(dá)下調(diào)，促使轉(zhuǎn)錄因子C/EBP-α表達(dá)，激活M1型MG，抑制M2型MG，阻止損傷的神經(jīng)進(jìn)行修復(fù)，致使AD進(jìn)程不斷加劇〔31〕。

2.5miRNA與Tau過度磷酸化 Tau蛋白是一種可溶性的蛋白質(zhì)，由位于17號(hào)染色體上的MAPT基因編碼，在腦部神經(jīng)元中表達(dá)豐富，有穩(wěn)定神經(jīng)元微管的作用。當(dāng)Tau表達(dá)異常時(shí)就會(huì)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病。Tau蛋白過度磷酸化由體內(nèi)的蛋白激酶引起，根據(jù)作用位點(diǎn)可分為兩類，一類是作用于脯氨酸的激酶，如糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)、CDK5；另一類是非作用于脯氨酸的蛋白激酶，如促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)。miRNA可通過調(diào)節(jié)激酶參與Tau蛋白的磷酸化過程。

CDK5在大腦正常發(fā)育中不可或缺，其與p35蛋白結(jié)合后被激活，促進(jìn)tau蛋白過度磷酸化。miR-107可通過調(diào)節(jié)p35表達(dá)，間接上調(diào)CDK5水平，從而促進(jìn)tau蛋白過度磷酸化。此外，miR-125b也可直接促使CDK5表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)tau蛋白過度磷酸化〔32，33〕。GSK-3β是一種色氨酸/蘇氨酸激酶，可過度磷酸化tau，降低其對(duì)微管的穩(wěn)定作用。作為miR-26a的下游基因，miR-26a通過激活Wnt信號(hào)通路磷酸化GSK-3β，從而促進(jìn)tau過磷酸化。與miR-26a功能相反，miR-153表達(dá)增加可下調(diào)GSK-3β水平，減少tau蛋白磷酸化〔34〕，減緩AD。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)是MAPK 3條信號(hào)通路之一。在AD中，miR-132可下調(diào)ERK信號(hào)通路，促使tau蛋白過度磷酸化〔35〕。此外，miR-124和miR-132也可通過調(diào)節(jié)Tau蛋白外顯子10的剪接過程，直接調(diào)控tau蛋白表達(dá)〔36〕。

2.6microRNA與Aβ沉積 Aβ是β-APP在β-分泌酶(主要是BACE1)、γ-分泌酶(主要是PS-1)連續(xù)作用下分解產(chǎn)生的多肽片段。正常情況下，Aβ生成和清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而當(dāng)Aβ生成和清除出現(xiàn)異常時(shí)，其緩慢沉積可形成老年斑，產(chǎn)生神經(jīng)毒性效應(yīng)。miRNA可通過調(diào)節(jié)Aβ生成和清除相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)控Aβ沉積。

2.6.1miRNA調(diào)節(jié)Aβ生成 miRNA可通過調(diào)控或負(fù)調(diào)控APP、BACE1、PS-1基因調(diào)節(jié)Aβ生成。miRNA可調(diào)節(jié)APP的合成、剪接和胞吞作用。miR-124表達(dá)下調(diào)會(huì)促進(jìn)多聚嘧啶區(qū)結(jié)合蛋白(PTBP)1和PTBP2，而PTBP1控制前體APP的剪接，促進(jìn)產(chǎn)生的APP異構(gòu)體中含有外顯子7和8〔37〕；已有研究表明在AD患者腦中外顯子7和8隨著異構(gòu)體的增加而增多〔38〕。miR-20a可與編碼APP的mRNA的3′UTR結(jié)合，導(dǎo)致前體APP產(chǎn)生受限，影響Aβ的產(chǎn)生；在人體Hela細(xì)胞和大鼠海馬神經(jīng)元中，發(fā)現(xiàn)miR-101與miR-20a功能相同。miR-153下調(diào)會(huì)抑制同源旁系的淀粉樣肽前體蛋白(APLP)2基因，后者參與APP的功能表達(dá)，異常的APLP2加工會(huì)導(dǎo)致APP的錯(cuò)誤定位〔39〕。在Aβ的生成過程中，膽固醇可促進(jìn)APP和BACE1移位到脂筏，通過胞吞作用加速APP加工成Aβ，miR-181c、miR-137的下調(diào)與之相關(guān)〔40〕。此外，miR-17p、miR-106a、miR-137等也可通過調(diào)控APP蛋白表達(dá)，參與調(diào)控腦內(nèi)Aβ沉積〔41〕。

研究發(fā)現(xiàn)，下調(diào)miR-106b導(dǎo)致了BACE1表達(dá)增多，驅(qū)動(dòng)APP向Aβ水解途徑轉(zhuǎn)移，促進(jìn)Aβ生成增多〔42〕。miR-124除了可調(diào)控APP之外，還可靶向負(fù)調(diào)控BACE1，抑制Aβ42的產(chǎn)生〔43〕。miR-107是一種在AD早期表達(dá)減少的miRNA，可負(fù)調(diào)控BACE1，調(diào)控Aβ沉積〔44〕。此外，miR-29分為miR-29a、miR-29b-1和miR-29c多個(gè)亞型，三者的過度表達(dá)均可降低內(nèi)源性BACE1的水平，抑制Aβ的產(chǎn)生，減緩AD。PS-1是γ-分泌酶參與Aβ生成的重要催化劑之一，在PS-1敲除小鼠中，miR-9表達(dá)下調(diào)，提示miR-9可靶向于PS-1基因，調(diào)控Aβ沉積。在γ-分泌酶參與Aβ生成的過程中miR-138發(fā)揮了重要作用，它可以通過抑制RARα干擾ERK-1，調(diào)節(jié)γ-分泌酶水解C99片段，促進(jìn)Aβ毒性肽的產(chǎn)生〔45〕。同時(shí)在APP/PS-1轉(zhuǎn)基因小鼠也發(fā)現(xiàn)了miR-9表達(dá)顯著下調(diào)，且發(fā)現(xiàn)miR-9的下調(diào)也與APP功能障礙有關(guān)〔46〕。提示miR-9可以靶向于APP和PS-1基因，調(diào)控APP和PS-1的表達(dá)。miRNA可以調(diào)控前體APP、APP、PS-1、BACE1等Aβ生成相關(guān)蛋白，然而這種調(diào)控并不是單一發(fā)揮作用的，它們之間相互聯(lián)系，多個(gè)或者同時(shí)被miRNA調(diào)控，從而影響Aβ的生成過程。

2.6.2miRNA調(diào)節(jié)Aβ清除 APP C-末端片段AICD可誘導(dǎo)神經(jīng)元釋放金屬內(nèi)肽酶(MMEP)、腦啡肽酶(NEP)、胰島素降解酶(IDE)，促進(jìn)Aβ42降解。然而，目前尚不清楚miRNA如何調(diào)節(jié)Aβ降解酶。低密度脂蛋白相關(guān)受體(LRP)1和LRP2等可控制血腦屏障(BBB)的通透性從而控制Aβ42進(jìn)入大腦循環(huán)〔47〕。靈長類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)miR-603使LRP1表達(dá)上調(diào)，加速Aβ42的清除〔48〕。miR-146a可直接靶向LRP2，加速腦內(nèi)Aβ42的清除〔49〕。在BBB的人內(nèi)皮細(xì)胞模型中，miR-107表達(dá)下調(diào)，BBB的完整性被破壞。實(shí)際上，miR-107表達(dá)下調(diào)促進(jìn)BBB通透性調(diào)節(jié)劑Endophilin-1表達(dá)，促使緊密連接蛋白再合成，抑制了BBB的完整性恢復(fù)，從而減慢清除速率〔50〕。此外，缺氧小鼠和人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR-132/212的過表達(dá)也會(huì)破壞BBB的完整性〔51〕。最近研究發(fā)現(xiàn)，在腦缺血再灌注的大鼠實(shí)驗(yàn)中，miR-21通過MAPK信號(hào)通路，抑制了大鼠血腦屏障損傷〔52〕，但是否與Aβ清除有關(guān)還需進(jìn)一步研究。此外，自噬-溶酶體途徑也可促進(jìn)Aβ清除，miRNA可直接或間接調(diào)節(jié)自噬-溶酶體系統(tǒng)。Beclin-1是自噬過程的催化劑，增加miR-30a可抑制Beclin-1蛋白表達(dá)，破壞自噬-溶酶體途徑〔53〕。miR-106b、miR-124下調(diào)會(huì)通過抑制SIRT1下調(diào)Beclin-1，抑制自噬-溶酶體途徑對(duì)Aβ的清除〔54，55〕。TREM2作為AD的風(fēng)險(xiǎn)基因，可識(shí)別胞外的Aβ42，促進(jìn)自噬清除Aβ42〔56〕。miR-34a可負(fù)向調(diào)控TREM2，抑制Aβ清除。AD中miRNA對(duì)Aβ42清除的調(diào)控涉及蛋白酶體降解清除、血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)清除和自噬清除等途徑。然而，目前的研究還存在很多難點(diǎn)，無論是miRNA對(duì)Aβ的生成還是清除的調(diào)節(jié)都有很多分子層面的機(jī)制沒有明晰。

綜上，miRNA的異常表達(dá)是AD的特征之一，前者在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)相關(guān)基因表達(dá)參與了AD的發(fā)生發(fā)展。當(dāng)前研究已知miRNA可以調(diào)控神經(jīng)發(fā)生、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期再入、神經(jīng)炎癥、Tau蛋白病變及Aβ沉積。miRNA可通過Sox9、Numb1、MBD1等調(diào)節(jié)增殖分化間的平衡進(jìn)而調(diào)控神經(jīng)發(fā)生；可通過抑制抗凋亡因子、促進(jìn)促凋亡因子促進(jìn)AD中的細(xì)胞凋亡；可通過促進(jìn)GSK-3β、CDK5、MAPK表達(dá)上調(diào)導(dǎo)致Tau過磷酸化；可通過上調(diào)APP、BACE1等促進(jìn)Aβ沉積，促進(jìn)LRP1、2和Beclin-1表達(dá)加速Aβ清除；還可通過下調(diào)促炎因子和上調(diào)抗炎因子來抑制炎癥反應(yīng)起神經(jīng)保護(hù)作用。另外，miRNA可與各種信號(hào)通路相互作用，形成復(fù)雜的調(diào)解網(wǎng)絡(luò)共同影響AD的發(fā)生、發(fā)展。目前為止miRNA對(duì)AD的作用機(jī)制尚不十分明確，但其為治療AD提供了靶點(diǎn)。