MicroRNAs在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化中的作用

謝犇 楊杜斌 秦慶慶 王一坤 陽(yáng)慶林 王勇平,2*

1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000 2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院骨科，甘肅 蘭州 730000

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)最早由Friedenstein等[1]于1970年在豚鼠骨髓中發(fā)現(xiàn)，直到1991年Caplan提出了“間充質(zhì)干細(xì)胞”這一術(shù)語(yǔ)才統(tǒng)一了概念[2]。BMSCs是一種未充分分化的類中胚層細(xì)胞，在特定條件下可分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞等，具有取材方便、對(duì)機(jī)體損傷小、免疫源性小等優(yōu)點(diǎn)[3]。MicroRNA(MiR)最早由Lee等發(fā)現(xiàn)[4]，是一種大小為19到25個(gè)核苷酸的內(nèi)源性小RNA，存在于動(dòng)物、植物和一些病毒中。MiR通過(guò)堿基配對(duì)靶向mRNA的3′端，導(dǎo)致mRNA失穩(wěn)并且抑制其翻譯，一種MiR可以靶向數(shù)百個(gè)mRNA，影響許多基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控包括分化在內(nèi)的多種細(xì)胞活動(dòng)[5]。

軟骨組織沒(méi)有血液、淋巴管和神經(jīng)，其營(yíng)養(yǎng)依賴于周圍組織的擴(kuò)散，根據(jù)軟骨組織的組成和功能，可以將其分為透明軟骨、纖維軟骨以及彈性軟骨。透明軟骨廣泛存在于膝關(guān)節(jié)等滑膜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面，其基質(zhì)富含糖胺聚糖(GAGs)和高度粘附的膠原纖維(主要是II型膠原(COLII))，GAGs與核心蛋白形成蛋白多糖(主要為aggrecan)[6]。Shiraishi等[7]研究發(fā)現(xiàn)MiR-486-3p、MiR-148b等的表達(dá)水平的改變與BMSCs成軟骨分化息息相關(guān)。此外，還有大量研究表明BMSCs成軟骨分化過(guò)程中伴隨多種MiR表達(dá)水平的改變[8-12]。

1 促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化的MicroRNA

王浩等[13]發(fā)現(xiàn)MiR-23a轉(zhuǎn)染大鼠BMSCs可導(dǎo)致其軟骨分化相關(guān)基因如Sry相關(guān)高遷移率組合基因9(Sox9)、COLII、aggrecan的表達(dá)上調(diào)，而軟骨肥大相關(guān)基因COLX表達(dá)下調(diào)，進(jìn)一步研究表明MiR-23a能促進(jìn)Sox9表達(dá)而抑制Runx表達(dá)，以上結(jié)果表明MiR-23a可能通過(guò)上調(diào)Sox9及下調(diào)Runx2促進(jìn)大鼠BMSCs成軟骨分化。也有其他研究發(fā)現(xiàn)小分子物質(zhì)H-89可誘導(dǎo)MiR-23b的表達(dá)進(jìn)而抑制PKA信號(hào)通路促進(jìn)人BMSCs軟骨分化[14]。陳祁青等[15]通過(guò)預(yù)測(cè)MiR、信號(hào)通路及靶基因說(shuō)明右歸飲可能通過(guò)上調(diào)MiR-24-3p，進(jìn)而阻斷MAPK信號(hào)通路促進(jìn)大鼠BMSCs成軟骨分化。Tian等[16]使用MiR-30a模擬物轉(zhuǎn)染到大鼠BMSCs后發(fā)現(xiàn)COLII和aggrecan的mRNA和蛋白表達(dá)水平顯著升高，阿利新藍(lán)染色強(qiáng)度增強(qiáng)，MiR-30a可通過(guò)直接靶向負(fù)調(diào)控Delta-like 4(DLL4，Notch信號(hào)家族的配體)促進(jìn)大鼠BMSCs成軟骨分化。Mao等[17]發(fā)現(xiàn)在人BMSCs成軟骨分化過(guò)程中外泌體MiR-92a-3p的表達(dá)水平升高，MiR-92a-3p可使BMSCs軟骨增殖相關(guān)基因表達(dá)增高，并抑制WNT5A的表達(dá)，這表明MiR-92a-3p可能直接靶向WNT5A調(diào)控BMSCs成軟骨分化。此外該作者還發(fā)現(xiàn)MiR-95-5p可能直接靶向抑制組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)2/8促進(jìn)BMSCs成軟骨分化[18]。

Xiao等[19]發(fā)現(xiàn)在BMSCs軟骨分化過(guò)程長(zhǎng)鏈非編碼RNA HOX反義基因間RNA髓系1變體1(HOTAIRM1-1)負(fù)調(diào)控MiR-125b的表達(dá)，且HOTAIRM1-1可抑制JNK/MAPK/ERK通路的活化，而MiR-125b可靶向骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體2(bone morphogenetic protein receptor 2，BMPR2)調(diào)控BMSCs成軟骨分化。Mahboudi等[20]使用MiR-140轉(zhuǎn)染的人BMSCs中COLII和aggrecan的基因表達(dá)增加，這表明MiR-140是一種有效的BMSCs軟骨分化誘導(dǎo)因子。此外也有研究[21]表明RALA(一個(gè)小GTPase)是MiR-140的靶點(diǎn)，且RALA在蛋白水平上調(diào)控Sox9。Barter等[22]的試驗(yàn)表明MiR-140-5p是人BMSCs成軟骨分化過(guò)程中的正向調(diào)控因子，MiR-140-5p可以調(diào)控多個(gè)靶點(diǎn)并且可正向調(diào)控Wnt信號(hào)通路。劉波等[23]發(fā)現(xiàn)MiR-155轉(zhuǎn)染可升高大鼠BMSCs中Sox9、COLⅡ、aggrecan基因表達(dá)，降低COLX基因表達(dá)。Yang等[24]的研究表明MiR-210-3p可上調(diào)COLII和Sox9的mRNA和蛋白水平促進(jìn)大鼠BMSCs成軟骨分化，且與HIF-3α信號(hào)通路相關(guān)。

Lin等[25]發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)MiR-335-5p可增加小鼠BMSCs軟骨形成標(biāo)記基因的表達(dá)，MiR-335-5p靶向Sox9的負(fù)調(diào)控因子Daam1和ROCK1，同時(shí)靶向DKK1以增加β-catenin/TCF活性。Chen等[26]發(fā)現(xiàn)周期性牽張應(yīng)力(CTS)可上調(diào)大鼠BMSCs成軟骨分化過(guò)程中MiR-365表達(dá)，熒光素酶檢測(cè)顯示HDAC4是MiR-365的直接靶點(diǎn)，且有體內(nèi)研究表明CTS治療和MiR-365過(guò)表達(dá)可促進(jìn)BMSCs軟骨分化。此外，也有其他研究[27]證實(shí)MiR-365是人BMSCs成軟骨分化中的主要調(diào)控因子。

張慶金等[28]發(fā)現(xiàn)MiR-410轉(zhuǎn)染顯著增加了人BMSCs中Sox9、透明質(zhì)酸合成酶2(Has2)的mRNA和蛋白質(zhì)水平，促進(jìn)了其成軟骨分化。Zhang等[29]發(fā)現(xiàn)在人BMSCs成軟骨分化過(guò)程中MiR-410升高，MiR-410轉(zhuǎn)染后COLII、Sox9、aggrecan和Has2的mRNA和蛋白水平升高，進(jìn)一步研究表明MiR-410可直接靶向Wnt3a激活Wnt信號(hào)通路促進(jìn)人BMSCs成軟骨分化。Wu等[30]的研究說(shuō)明了褪黑素可上調(diào)MiR-526b-3p和MiR-590-5p的表達(dá)，這兩種MiR可靶向SMAD7增強(qiáng)SMAD1的磷酸化，促進(jìn)人BMSCs成軟骨分化。Li等[31]的研究表明MiR-8485可靶向抑制糖原合成酶激酶(GSK)3B的表達(dá)，并靶向DACT1激活Wnt/β-catenin通路促進(jìn)人BMSCs成軟骨分化。

2 抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成軟骨分化的MicroRNA

Shen等[32]發(fā)現(xiàn)MiR-23c模擬物轉(zhuǎn)染可使大鼠BMSCs蛋白多糖沉積減少，ACAN和COL2A1的mRNA和蛋白表達(dá)下降，MiR-23c可結(jié)合并負(fù)向調(diào)控成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)2，這表明MiR-23c可通過(guò)抑制FGF2抑制大鼠BMSCs成軟骨分化。Huang等[33]發(fā)現(xiàn)在大鼠BMSCs成軟骨分化過(guò)程中MiR-26b的表達(dá)水平顯著下調(diào)，轉(zhuǎn)染MiR-26b siRNA上調(diào)了COLII和aggrecan的表達(dá)，進(jìn)一步研究表明MiR-26b可直接靶向Wnt負(fù)調(diào)控Wnt/β-catenin信號(hào)通路抑制大鼠BMSCs成軟骨分化。Guérit等[34]發(fā)現(xiàn)MiR-29a是人BMSCs成軟骨分化過(guò)程中下調(diào)最多的MiR之一，MiR-29a過(guò)表達(dá)抑制了軟骨細(xì)胞特異性標(biāo)志物的表達(dá)，熒光素酶檢測(cè)發(fā)現(xiàn)FOXO3A蛋白是MiR-29a的直接靶點(diǎn)。Zhang等[35]的試驗(yàn)表

表1 促進(jìn)BMSCs成軟骨分化的MicroRNATable 1 microRNAs that stimulating the differentiation of BMSCs

明MiR-30a可通過(guò)靶向Sox9對(duì)BMSCs軟骨分化起負(fù)向調(diào)控作用。陳松等[36]發(fā)現(xiàn)MiR-90a轉(zhuǎn)染可導(dǎo)致大鼠BMSCs中GAG明顯減少，這表明MiR-90a可能抑制大鼠BMSCs成軟骨分化。Zhou等[37]發(fā)現(xiàn)MiR-99a在大鼠BMSCs早期軟骨分化過(guò)程中增加，MiR-99a敲低可促進(jìn)蛋白多糖沉積并增加ACAN和COL2A1的表達(dá)；進(jìn)一步研究表明MiR-99a通過(guò)早期靶向BMPR2負(fù)調(diào)控大鼠BMSCs成軟骨分化。

Shu等[38]發(fā)現(xiàn)lncRNA UCA1可下調(diào)MiR-145-5p和MiR-124-3p的表達(dá)并促進(jìn)BMSCs成軟骨分化，結(jié)合熒光素酶檢測(cè)提示MiR-145-5p和MiR-124-3p可能分別靶向SMAD5和SMAD4抑制人BMSCs成軟骨分化。Zhang等[39]發(fā)現(xiàn)在大鼠BMSCs軟骨分化過(guò)程中MiR-130b首先增加，然后急劇減少，MiR-130b抑制劑可促進(jìn)BMSCs成軟骨分化，其研究表明MiR-130b可能通過(guò)靶向Sox9抑制大鼠BMSCs軟骨分化。Xu等[40]發(fā)現(xiàn)MiR-134在大鼠BMSCs成軟骨分化過(guò)程顯著下調(diào)，抑制MiR-134可促進(jìn)BMSCs成軟骨分化，后續(xù)試驗(yàn)表明MiR-134可能通過(guò)靶向SMAD6負(fù)調(diào)控大鼠BMSCs成軟骨分化。Tian等[41]的研究表明MiR-143-3p模擬物轉(zhuǎn)染可導(dǎo)致大鼠BMSCs蛋白多糖沉積及ACAN、COL2A1水平降低，且MiR-143-3p可靶向并負(fù)向調(diào)控BMPR2。Yang等[42]發(fā)現(xiàn)在小鼠BMSCs軟骨分化過(guò)程中MiR-145降低，過(guò)表達(dá)MiR-145后COLII、aggrecan等的mRNA水平降低，結(jié)合熒光素酶檢測(cè)說(shuō)明MiR-145可靶向Sox9負(fù)調(diào)控因子小鼠BMSCs成軟骨分化。

Lolli等[43]發(fā)現(xiàn)MiR-221表達(dá)水平降低可增加人BMSCs中軟骨形成標(biāo)志物的表達(dá)，且MiR-221受到Slug轉(zhuǎn)錄因子的正向調(diào)控。閆繼紅等[44]發(fā)現(xiàn)MiR-221-3p/222-3p在人BMSCs軟骨分化后期表達(dá)明顯降低，使用反義MiR-221-3p/222-3p轉(zhuǎn)染人BMSCs可導(dǎo)致硫酸軟骨素以及COLⅡ蛋白及mRNA表達(dá)明顯上調(diào)，這表明MiR-221-3p/222-3p可能抑制人BMSCs成軟骨分化。Yoshizuka等[45]的研究表明抑制MiR-222可促進(jìn)人BMSCs中COL2A1、aggrican和Sox9的表達(dá)促進(jìn)成軟骨分化，即MiR-222可能抑制人BMSCs成軟骨分化。Zheng等[46]發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)circATRNL1可逆轉(zhuǎn)了MiR-338-3p抑制人BMSCs的軟骨分化的作用。

Baek等[47]的研究表明MiR-449a可能通過(guò)靶向sirtuin 1(SIRT1)和淋巴增強(qiáng)結(jié)合因子-1(LEF-1)抑制人BMSCs成軟骨分化。Anderson等[48]發(fā)現(xiàn)在肥大軟骨細(xì)胞中MiR-483顯著下調(diào)，MiR-483過(guò)表達(dá)降低了人BMSCs軟骨細(xì)胞基因表達(dá)，并導(dǎo)致TGF-β通路成員SMAD4下調(diào)，以上結(jié)果表明MiR-483可能通過(guò)抑制SMAD4負(fù)調(diào)控人BMSCs成軟骨分化。Chen等[49]發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)MiR-485-5p可減少小鼠BMSCs軟骨表面標(biāo)記基因的表達(dá)，而當(dāng)MiR-485-5p被抑制時(shí)，則出現(xiàn)相反的結(jié)果，這表明MiR-485-5p可抑制小鼠BMSCs成軟骨分化。Lee等[50]的研究表明MiR-495可直接靶向Sox9抑制人BMSCs成軟骨分化。Zhou等[51]發(fā)現(xiàn)MiR-615-3p在大鼠BMSCs成軟骨分化過(guò)程中表達(dá)下調(diào)，過(guò)表達(dá)MiR-615-3p后COL2A1、COL10A1等的mRNA表達(dá)量降低，且Sox9蛋白表達(dá)下調(diào)，這表明MiR-615-3p可能通過(guò)下調(diào)Sox9抑制大鼠BMSCs成軟骨分化。

表2 抑制BMSCs成軟骨分化的MicroRNATable 2 microRNAs that inhibiting the differentiation of BMSCs

3 其他

除上述對(duì)BMSCs成軟骨分化作用較為明確的MiR外，Guérit等[52]發(fā)現(xiàn)MiR-574-3p在人BMSCs成軟骨分化過(guò)程的早期上調(diào)，且其與Sox9直接結(jié)合，隨后的研究證實(shí)體外和體內(nèi)操縱MiR-574-3p表達(dá)的上調(diào)和下調(diào)均抑制了人BMSCs成軟骨分化。此外，也有研究表明MiR-29b對(duì)BMSCs成軟骨分化既有支持作用，也可能有抑制作用[53]。

4 總結(jié)

綜上所述，MiR作為調(diào)控因子在BMSCs成軟骨分化過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，不同的MiR作用于不同的靶點(diǎn)進(jìn)而起到促進(jìn)或抑制BMSCs成軟骨分化的作用，在BMSCs成軟骨分化過(guò)程中涉及多種MiR，其作用的靶點(diǎn)與通路互相交織，形成了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)。因此進(jìn)一步研究MiR的靶基因及BMSCs成軟骨分化的分子機(jī)制有著重要意義，同時(shí)應(yīng)對(duì)MiR的上游調(diào)控因素有更加深入的研究，以在MiR水平精準(zhǔn)調(diào)控BMSCs成軟骨分化。隨著分子生物學(xué)的不斷發(fā)展以及基礎(chǔ)研究的不斷深入，MiR調(diào)控BMSCs成軟骨分化的作用及具體機(jī)制將會(huì)更加清晰，這將為軟骨損傷等疾病的提供理論依據(jù)和治療措施，即MicroRNA靶向治療。