microRNAs調(diào)控MKP-1在抑郁癥發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展*

趙 霞 王慧穎,2,3 馮來(lái)鵬,2,3 谷景陽(yáng),2 劉 聰,3 耿夢(mèng)軍 王長(zhǎng)虹,2,3

重度抑郁癥(Major Depressive Disorder, MDD)是一種與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素密切相關(guān)的精神疾病[1]。我國(guó)最新流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示MDD在人群中患病率很高，占精神疾病終身患病率的3.4%[2]；預(yù)計(jì)到2030年，在世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)所有的疾病負(fù)擔(dān)中抑郁癥將上升到第一位[3]。當(dāng)前抑郁癥的發(fā)病機(jī)制尚不清楚，多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為抑郁癥的發(fā)病可能受到表觀遺傳學(xué)、應(yīng)激相關(guān)因素等的影響，隨著人們對(duì)抑郁癥發(fā)病機(jī)制研究的不斷深入，microRNAs正逐漸成為抑郁癥發(fā)病機(jī)制的研究熱點(diǎn)，microRNAs主要通過(guò)作用于靶基因絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶-1(Mitogen-Activated Protein Kinase Phospha-tase-1, MKP-1)發(fā)揮功能[4]，國(guó)內(nèi)外均有研究發(fā)現(xiàn)miR-101 microRNA和let-7a microRNA通過(guò)調(diào)控靶基因MKP-1與抑郁癥的發(fā)生有關(guān)[5～8]。

1 MKP-1在抑郁癥發(fā)病機(jī)制中的研究

MKP-1或者雙特異性磷酸酶1(Dual Specificity Phosphatase, DUSP1)，又名3CH134，CL100，Ptpn16。其作為生物體內(nèi)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)-絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-Activated Protein Kinases, MAPKs)家族中的一員，在神經(jīng)細(xì)胞的增殖和激活中起著重要作用，并可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元的突觸可塑性，其主要作用是介導(dǎo)MAPKs去磷酸化和失活[9～11]。美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心(National Center for Biotechnology Information, NCBI)(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/NM_053769.3)中查知MKP-1的差異表達(dá)分析(Reads Per Kilobase per Million mapped reads, RPKM)在下列組織中從高到低依次表達(dá)：腎上腺、腦、心臟、腎臟、肝臟、肺、肌肉、脾臟、胸腺和睪丸或子宮。MKP-1通過(guò)與MAPKs家族蛋白的結(jié)合位點(diǎn)應(yīng)激活化蛋白激酶(c-Jun N-terminal Kinase, JNK)、p38及細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)酶(Extracellular Regulated Kinase, ERK)結(jié)合，來(lái)調(diào)節(jié)MAPKs的功能，通過(guò)這3種信號(hào)通路家族蛋白與MKP-1的交互作用，共同形成了一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)[6]。國(guó)外多項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)抑郁癥患者和抑郁動(dòng)物模型存在明顯的小膠質(zhì)細(xì)胞炎性活化，且與MKP-1表達(dá)水平調(diào)控的MAPKs信號(hào)通路密切相關(guān)[6，12]。此外，國(guó)內(nèi)也有研究發(fā)現(xiàn)慢性不可預(yù)見(jiàn)性應(yīng)激(Chronic Unpredictable Mild Stress, CUMS)抑郁模型大鼠海馬區(qū)MKP-1表達(dá)及其啟動(dòng)子區(qū)H3組蛋白乙酰化水平升高，在使用抗抑郁劑氟西汀后，MKP-1表達(dá)水平降低[13]。大鼠受到CUMS時(shí)海馬區(qū)ERK磷酸化程度降低，應(yīng)用抗抑郁藥物可以顯著減弱其MKP-1表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)了ERK的磷酸化，逆轉(zhuǎn)抑郁樣行為[14]。發(fā)表在國(guó)外期刊的一項(xiàng)研究顯示[15]MKP-1抑制劑可以降低由于長(zhǎng)期服用嗎啡所致抑郁樣小鼠海馬區(qū)MKP-1的表達(dá)，同時(shí)升高ERK的磷酸化程度。由于靶基因MKP-1在人體的研究中尚未深入開(kāi)展，目前關(guān)于MKP-1與抑郁癥的發(fā)病機(jī)制的研究?jī)H在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)MKP-1是抑郁癥發(fā)病的關(guān)鍵因子之一[16]，且microRNAs參與調(diào)控MKP-1這一重要環(huán)節(jié)。

2 microRNAs在抑郁癥發(fā)生中的研究

自從20世紀(jì)90年代初，microRNAs首次被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其生物學(xué)方面的研究越來(lái)越熱門(mén)。microRNAs為一短單鏈RNA，僅18～25個(gè)核苷酸序列，通常位于真核生物基因間或編碼蛋白基因的內(nèi)含子中[17]，能夠與特定基因作用，阻礙其mRNA 3’UTR翻譯，降低其功能，在轉(zhuǎn)錄后和/或翻譯水平上非編碼負(fù)調(diào)控基因的表達(dá)[18]。它是多細(xì)胞生物體中數(shù)量較多的基因調(diào)控分子之一，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控哺乳動(dòng)物體內(nèi)約60%基因組的表達(dá)[19]。

目前也有越來(lái)越多的研究認(rèn)為抑郁癥的發(fā)病受到表觀遺傳學(xué)影響，且microRNAs作為參與基因表達(dá)調(diào)控的一項(xiàng)主要因素與抑郁癥的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[20，21]。miRBase數(shù)據(jù)庫(kù)顯示有來(lái)自223個(gè)物種的28 645種莖環(huán)結(jié)構(gòu)和35 828種成熟microRNAs，可能近90%的人類(lèi)基因受到microRNAs調(diào)控，當(dāng)改變某一個(gè)microRNA水平時(shí)，其所調(diào)控的基因功能則會(huì)相應(yīng)地減弱或增強(qiáng)[20]。研究者們發(fā)現(xiàn)了許多以前未被鑒定的microRNAs，并明確它們可能在發(fā)生翻譯的多核糖體部分的定位，發(fā)現(xiàn)隨著神經(jīng)元的分化，特定腦區(qū)內(nèi)microRNA的表達(dá)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化，與最早發(fā)現(xiàn)的lin-4和let-7 microRNA一樣，一些哺乳動(dòng)物神經(jīng)元microRNA可能通過(guò)調(diào)控靶mRNA的翻譯來(lái)調(diào)控物種的序列[21]。與抑郁癥相關(guān)的microRNA：let-7a-5p和miR-101a-3p的靶點(diǎn)基因是MKP-1，其在體內(nèi)參與MKP-1細(xì)胞信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，自身還受到多種信號(hào)通路的調(diào)控，從而交織成一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，精確調(diào)節(jié)與抑郁相關(guān)的病理生理變化[7,8,22]。

3 microRNAs與靶基因MKP-1之間的調(diào)控關(guān)系

在闡明microRNAs的功能方面，目前一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是如何識(shí)別它們所調(diào)控的特定目標(biāo)基因。microRNAs與靶基因MKP-1之間的調(diào)控可以通過(guò)利用生物信息學(xué)預(yù)測(cè)方法和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)建立聯(lián)系，兩種方法相結(jié)合可以很大程度上提高準(zhǔn)確率。

生物信息學(xué)能夠根據(jù)基因的相互作用特性較為精確地預(yù)測(cè)靶點(diǎn)基因。預(yù)測(cè)方法主要有：評(píng)分法和篩選法。文獻(xiàn)報(bào)道，不同的物種間microRNAs和靶基因MKP-1間的作用存在一定的特性且有規(guī)律可循，主要的規(guī)律性特點(diǎn)有：互補(bǔ)性，保守性，熱穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單二級(jí)結(jié)構(gòu)，3’UTR結(jié)合力強(qiáng)[23]。這些規(guī)律變化特點(diǎn)使得物種間microRNAs和靶基因MKP-1結(jié)合準(zhǔn)確而可靠，隨著生物信息學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，靶基因預(yù)測(cè)的方法也在增加并且更加優(yōu)化[24，25]。目前常用的靶基因預(yù)測(cè)方法是數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，常用的數(shù)據(jù)庫(kù)包括4種：組合靶位點(diǎn)的概率識(shí)別(Probabilistic identification of combina-tions of Target sites, PicTar)、miRanda、TargetScan和miRBase[26，27]。

PicTar(http://pictar.mdc-berlin.de/)網(wǎng)站提供了各種microRNAs與靶基因預(yù)測(cè)網(wǎng)站公共數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接，利用一種識(shí)別microRNAs靶基因的算法，與TargetScan算法近似，PicTar更進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)在靶位點(diǎn)識(shí)別及在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中的關(guān)鍵作用，也注重microRNA和靶基因結(jié)合的自由能在靶基因翻譯抑制中的關(guān)鍵作用，從而精準(zhǔn)識(shí)別結(jié)合序列，有效地降低了假陽(yáng)性率[28]。

MiRanda(又稱(chēng)mirSVR)(http://www.MicroRNA.org/MicroRNA/home.do)是最早出現(xiàn)的預(yù)測(cè)靶點(diǎn)基因的工具，MiRanda對(duì)3’UTR的篩選能夠嚴(yán)格遵循生物間信息的規(guī)律性，首先選取每一個(gè)microRNA相對(duì)的3’UTR中排名前10位的靶點(diǎn)基因作為候選靶點(diǎn)基因，對(duì)于多個(gè)microRNAs對(duì)應(yīng)于同一靶位點(diǎn)的情況，MiRanda則使用“貪婪”算法選取其中得分最高且自由能最低的那一對(duì)，保證了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性[26]。在MiRanda上查取到靶基因是MKP-1的microRNAs分值由高到低排列的有miR-495、miR-292-5p、miR-411、miR-101b、miR-101a、miR-200b、miR-200c、miR-429、miR-326、miR-330、miR-874、miR-431、miR-328、miR-33、miR-133a、miR-133b、miR-7d、miR-7f、miR-7i、miR-7a、miR-7b、miR-7c、miR-7e、miR-98、miR-200a、miR-141、miR-340-5p、miR-381共28個(gè)。

TargetScan軟件(http://www.targetscan.org/)涉及到了熱力學(xué)、保守性規(guī)律，能夠?qū)Y(jié)合序列進(jìn)行精準(zhǔn)比對(duì)，基本做到零失誤，該靶點(diǎn)基因預(yù)測(cè)軟件還選出了microRNA 5’UTR與靶點(diǎn)基因的3’UTR結(jié)合序列中的保守序列，并認(rèn)為靶點(diǎn)基因數(shù)目少則預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性就高，功能發(fā)揮就強(qiáng)。與此同時(shí)，該預(yù)測(cè)軟件還總結(jié)延伸出了一種新的算法-信號(hào)噪聲比，信號(hào)噪聲比即用已知(信號(hào)組)和隨機(jī)生成的microRNAs(噪聲組)分別對(duì)mRNA的3’UTR進(jìn)行預(yù)測(cè)，所得靶基因數(shù)目的比值。這將更進(jìn)一步增加了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率[29]。在TargetScan上查尋到靶基因是MKP-1的microRNAs包含rno-let-7a-5p、rno-miR-101a-3p等。

miRBase(http://mirbase.org/)為研究者提供更詳細(xì)的microRNAviewer、microRNA序列注釋、靶標(biāo)基因等信息，采用-5p/-3p為microRNA成熟體命名[30]。在miRBase上查詢(xún)靶基因是MKP-1的microRNAs包含hsa-let-7a-5p、hsa-miR-101-3p、mmu-miR-101a-3p等。

microRNAs的檢測(cè)經(jīng)常用到的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法是莖環(huán)法及加尾法實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，前者針對(duì)性檢測(cè)單個(gè)microRNA，后者用于批量檢測(cè)多個(gè)microRNA。靶基因的檢測(cè)常用到Western blot方法和熒光定量PCR技術(shù)。microRNA靶基因的鑒定最常用的方法是雙熒光素酶基因報(bào)告實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前已普遍應(yīng)用[31]。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終確定microRNAs與靶基因MKP-1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而鑒定出microRNAs與MKP-1的靶位點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)microRNAs能夠調(diào)控MKP-1蛋白水平，其中l(wèi)et-7a-5p microRNA表達(dá)水平在抑郁癥和雙相情感障礙患者的外周血中發(fā)生明顯下降[32]，CUMS大鼠前額葉皮層miR-101a-3p microRNA表達(dá)水平較正常組下降[6]。

當(dāng)前抑郁癥的發(fā)病機(jī)制尚不清楚，隨著人們對(duì)抑郁癥發(fā)病機(jī)制研究的不斷深入，普遍認(rèn)為抑郁癥的發(fā)病機(jī)制與表觀遺傳學(xué)有關(guān)，是一種在受到應(yīng)激因素影響后所誘發(fā)的精神神經(jīng)免疫紊亂性疾病[33]。microRNAs作為參與靶基因表達(dá)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子可能會(huì)參與抑郁癥的發(fā)病過(guò)程，近75%的microRNAs在人腦組織中表達(dá)，當(dāng)過(guò)表達(dá)或抑制某一個(gè)microRNA時(shí)，其所被調(diào)控的靶基因功能則會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變[20，34]。

3.1 miR-101介導(dǎo)調(diào)控MKP-1在抑郁癥中的研究 miR-101靶基因包含MKP-1。microRNAviewer提供了miR-101的7種同源microRNA，其中人類(lèi)基因組中已發(fā)現(xiàn)的包含miR-101-1、miR-101-2、miR-101a。大小鼠基因組中已發(fā)現(xiàn)miR-101-1、miR-101a、miR-101b。miRBase v.22采用一種microRNAs表達(dá)分析方法，同時(shí)檢測(cè)423只大鼠的microRNAs，對(duì)MDD基因大鼠模型[弗林德斯敏感系(FSL)]的前額葉皮質(zhì)和對(duì)照組[弗林德斯耐藥系(FRL)]進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，F(xiàn)SL模型的前額葉皮質(zhì)中miR-101a和miR-101b microRNA均下調(diào)，且經(jīng)鑒定得知miR-101a在大鼠和人類(lèi)之間高度保守，最近發(fā)現(xiàn)其在抑郁癥自殺受試者的前額葉皮質(zhì)下調(diào)，結(jié)合體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)miR-101b靶向調(diào)控神經(jīng)元谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC1A1(也稱(chēng)為EAAC1或EAAT3)。因此，在FSL模型的前額葉皮質(zhì)中發(fā)現(xiàn)SLC1A1的mRNA和蛋白水平均上調(diào)，臨床前數(shù)據(jù)也支持谷氨酸能失調(diào)與抑郁癥病因有關(guān)的假說(shuō)[35]。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在對(duì)照組和CUMS組大鼠前額葉皮層區(qū)檢測(cè)miR-101[6]，發(fā)現(xiàn)CUMS組miR-101表達(dá)水平較對(duì)照組下降，MKP-1 mRNA水平及蛋白水平較對(duì)照組升高；而在CUMS組大鼠前額葉皮層給與miR-101 mimic干預(yù)，安全注射7 d后，進(jìn)行動(dòng)物行為學(xué)評(píng)估發(fā)現(xiàn)大鼠類(lèi)似抑郁樣行為有所減輕[6]?？梢?jiàn)，CUMS抑郁模型大鼠前額葉皮質(zhì)中miR-101水平的降低可能介導(dǎo)調(diào)控MKP-1參與了抑郁癥的發(fā)生過(guò)程。

3.2 let-7a介導(dǎo)調(diào)控MKP-1在抑郁癥中的研究 let-7a是let-7家族中的成員，也是microRNAviewer提供的let-7的28種同源microRNA之一，靶基因包含MKP-1。let-7家族是2000年在線蟲(chóng)內(nèi)被發(fā)現(xiàn)的在物種間高度保守的廣泛性表達(dá)microRNA，具有多個(gè)家族成員，let-7a的功能已經(jīng)在多個(gè)腫瘤領(lǐng)域研究中得以證實(shí)，但在抑郁癥中的表達(dá)和作用的研究相對(duì)較少。自2010年以來(lái)，臨床研究發(fā)現(xiàn)在抑郁癥患者血清中l(wèi)et-7a表達(dá)上調(diào)[36]，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)let-7a在應(yīng)激抑郁模型中起著重要的作用，如Rinaldi A等[36]的研究提示，在遭受急性束縛應(yīng)激后，小鼠額葉皮層中的let-7a表達(dá)升高。Bai M等[22]的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提示在經(jīng)歷急性及慢性束縛應(yīng)激后，大鼠中央杏仁核let-7a的表達(dá)升高。此外，關(guān)于抑郁癥的臨床研究顯示：在抑郁癥患者外周血液中存在hsa-let-7a-5p表達(dá)下降[32，37]。有學(xué)者認(rèn)為抑郁癥的核心癥狀“快感缺失和興趣缺乏”與海馬區(qū)let-7a的上調(diào)密切相關(guān)，let-7a能夠通過(guò)介導(dǎo)MKP-1調(diào)控免疫和炎性反應(yīng)[34]。研究發(fā)現(xiàn)let-7a基因敲除后的大鼠，小膠質(zhì)細(xì)胞的炎性活化及p38、ERK1/2、JNK磷酸化活性均受到抑制，且體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明小膠質(zhì)細(xì)胞的炎性活化與let-7a的表達(dá)密切相關(guān)[7，8]?？梢?jiàn)，let-7a可能介導(dǎo)調(diào)控MKP-1參與抑郁癥的發(fā)生過(guò)程。

4 小結(jié)與展望

MKP-1是一種應(yīng)激反應(yīng)的MAPKs磷酸酶，通過(guò)其N(xiāo)端定位于細(xì)胞核，去磷酸化激活ERK1/2、JNK和p38[10]，引起下游蛋白激酶和轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生磷酸化，同時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理活動(dòng)，從而參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元的可塑性、功能和存活狀態(tài)[10]。let-7a-5p與miR-101a-3p microRNA作用于MKP-1 mRNA 3’UTR區(qū)，調(diào)控其轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程，此外，MKP-1作為MDD病理生理的關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子和治療干預(yù)的潛在靶點(diǎn)，這一探索將有助于抑郁癥病因的研究。

隨著microRNAs在抑郁癥中研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)其與應(yīng)激因素相關(guān)聯(lián)，這將可能使let-7a-5p與miR-101a-3p microRNA成為抑郁癥診斷、治療、預(yù)后的新的生物標(biāo)記物，為更進(jìn)一步理解抑郁癥的發(fā)病機(jī)理開(kāi)拓了新的研究前景[24，38]。