MicroRNA在骨骼發(fā)育與修復(fù)中的功能研究進展＊

裴欣 楊天雄 武世瑤 吳盡 劉學(xué)東

（東北林業(yè)大學(xué)野生動物與自然保護地學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

0.引言

骨骼是由骨、軟骨、脂肪、成纖維細胞、神經(jīng)、血管和造血細胞等組成的器官，它不僅為哺乳動物身體提供了物理支架，還可以通過再生來修復(fù)使其恢復(fù)完全功能狀態(tài)。骨的細胞在不停地進行著細胞代謝，在骨代謝中有兩種細胞起著重要的作用，一種是吸收骨基質(zhì)的破骨細胞，另一種是合成骨基質(zhì)的成骨細胞。成骨細胞的骨生成與破骨細胞的骨吸收相互協(xié)調(diào)使得哺乳動物得以保持正常骨量及骨骼完整性[1]。

MicroRNA（miRNA）是由真核細胞產(chǎn)生的一類，長約19nt～24nt，具有調(diào)節(jié)功能的、保守的、單鏈非編碼RNA，對基因表達進行轉(zhuǎn)錄中或者轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)。近年來，隨著對miRNA包括其靶基因涉及信號通路研究的深入，發(fā)現(xiàn)越來越多的miRNA及靶基因在哺乳動物生理過程中具有重要功能，在骨骼發(fā)育與修復(fù)上更具有不可忽視的作用。

1.miRNA調(diào)控骨骼細胞生長發(fā)育

1.1 miRNA調(diào)控成骨細胞

成骨細胞是骨骼發(fā)育的重要細胞，miRNA與成骨細胞分化及骨形成有著密不可分的聯(lián)系。miRNA在干細胞成骨分化過程中發(fā)揮了重要作用[2]，已經(jīng)被廣泛用于骨再生方面的研究，多種miRNA對間充質(zhì)干細胞及骨髓干細胞的成骨分化具有調(diào)控作用。

研究表明，部分miRNA能抑制骨分化，逆轉(zhuǎn)骨丟失：miR-146a能抑制骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化[3]，而miR-214抑制人脂肪干細胞的成骨分化過程[4]。隨著對miRNA及骨骼發(fā)育與修復(fù)相關(guān)生理過程研究的深入，miRNA對成骨細胞分化的影響呈現(xiàn)出多維度、多角度的特點。Pei通過細胞實驗證明在骨髓間充質(zhì)干細胞的表達下調(diào)的miR-22可以促進成骨細胞的形成。隨后驗證miR-22的antagomir將前成骨細胞轉(zhuǎn)化為更分化和礦化的表型，ALP、CBFA1和COL1A1蛋白表達水平的上調(diào)。同時miR-22的拮抗因子抑制YWHAZ，增強CBFA1穩(wěn)定性，促進成骨細胞分化。一些體內(nèi)實驗表明，miR-22的antagomir可以促進成骨細胞的形成，提高骨強度，逆轉(zhuǎn)卵巢切除術(shù)介導(dǎo)的假小鼠骨丟失[5]。

另一些miRNA對成骨分化具有正調(diào)控。研究表明miR-101在人牙囊細胞(DFCs)中通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SATB2表達促進成骨分化過程[6]。Zheng將miR-181a/b-1過表達，發(fā)現(xiàn)磷酸酶和緊張素同源物(PTEN)水平被抑制，而PI3K/AKT信號隨后增加。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)PTEN過表達可減弱miR-181a/b-1的增強作用，進一步證明miR-181a/b-1通過調(diào)控PTEN/PI3K/AKT軸增強成骨分化[7]。miR-497通過激活TGF-β1/Smads信號通路促進成骨細胞活力和膠原合成[8]。miR-208a-3p通過靶向ACVR1抑制成骨細胞分化并抑制骨形成，隨后發(fā)現(xiàn)通過antagomiR-208a-3p抑制miRNA-208a-3p可能是種改善骨丟失的潛在治療[9]。

信號通路的調(diào)節(jié)在成骨細胞分化中也有著至關(guān)重要的作用，Wnt/β-catenin信號通路在調(diào)節(jié)成骨細胞分化和成骨基質(zhì)形成中發(fā)揮重要作用[10]。Tang首先通過細胞實驗證明miR-144通過靶向Sfrp1來調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細胞增殖，抑制細胞凋亡，誘導(dǎo)成骨分化。隨后在蛋白表達水平上證明了miR-144可能通過激活Wnt/β-catenin通路幫助調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松癥[11]。

1.2 miRNA調(diào)控破骨細胞

miRNA同樣可以調(diào)控破骨細胞的分化。miR-185-3p能夠促進破骨細胞的形成[12]，miR-92-a-1-5p直接靶向COL1A1下調(diào)I型膠原的表達，從而促進破骨細胞分化[13]。在人骨質(zhì)疏松癥患者血液的巨噬細胞中miR-503可使RANK的表達顯著降低，此外，miR-503拮抗劑則通過使小鼠卵巢RANK的表達水平上調(diào)從而促進破骨細胞分化[14]。Cheng等在對進行小鼠體外實驗表明miR-21在調(diào)節(jié)破骨細胞分化、破骨細胞生成的基礎(chǔ)上，通過體內(nèi)實驗進一步揭示miR-21缺乏可抑制破骨細胞功能，防止小鼠骨丟失。此外，在病理狀態(tài)下，敲除miR-21的小鼠對骨量的保護作用顯著。Cheng的實驗首次證明了miR-21作為一種在體內(nèi)具有促進破骨細胞功能的miRNA，使研究者在miRNA的功能研究上有了更多的思路和突破[15]。

骨骼穩(wěn)態(tài)需要成骨細胞和破骨細胞動態(tài)平衡來實現(xiàn)，研究表明破骨細胞可以直接形成成骨細胞。Li發(fā)現(xiàn)破骨細胞來源的外泌體miR-214-3p轉(zhuǎn)移到成骨細胞抑制骨形成，而在破骨細胞中抑制miR-214-3p可能是一種治療骨形成減少的骨骼疾病的策略[16]。Minamizaki 也通過細胞實驗證明miR-125b是小鼠成骨細胞-破骨細胞通信的調(diào)節(jié)元件，骨基質(zhì)提供miR-125b的細胞外存儲，在骨吸收中具有功能活性[17]。

MicroRNA通過多種途徑調(diào)控成骨細胞以及破骨細胞的形成和分化，影響骨骼發(fā)育和修復(fù)過程，將成為骨骼相關(guān)疾病的潛在治療靶點。

2.miRNA在骨修復(fù)及再生中的研究現(xiàn)狀

假體周圍骨溶解（PPO）引起的無菌性松動是一期人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的主要原因。研究表明miR-106b抑制磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解和骨破壞，因此miR-106b可能作為PPO和無菌性松動的潛在治療方法，放療對骨再生能力有負面影響，使腫瘤切除后骨缺損重建困難。用miR-34a模擬物轉(zhuǎn)染輻射受損的BMSCs，發(fā)現(xiàn)miR-34a在照射后的骨形成過程中上調(diào)，并且miR-34a通過靶向NOTCH1增強其體外成骨分化，而過表達miR-34a可增強照射后骨髓間充質(zhì)干細胞的異位骨形成[18]。破骨細胞分化過程中miR-128通過靶向SIRT1抑制其表達，而對小鼠骨丟失起到保護作用[19]，RANKL是一種表達于成骨細胞表面的跨膜蛋白。研究發(fā)現(xiàn)抑制miR-182可以使過度的骨形成得以抑制，但并不完全阻斷骨分化和骨重塑，這一過程是通過miR-182直接靶向EIF2AK2，從而調(diào)節(jié)破骨形成中RANKL實現(xiàn)的[20]。

3.miRNA對相關(guān)骨疾病的調(diào)控作用

Liu等構(gòu)建了miR-26a的慢病毒穩(wěn)株，并通過細胞實驗證明過表達miR-26a可以促進小鼠顱骨骨缺失的骨再生[21]。miR-200c直接靶向SOX2并上調(diào)Sox2抑制的Wnt信號通路活性，這表明miR-200c可能作為一種獨特的骨誘導(dǎo)劑應(yīng)用于骨骼修復(fù)和再生[22]。Cui通過熒光素酶報告基因檢測發(fā)現(xiàn)biglycan（Bgn）是miR-185的直接靶點，miR-185可通過BMP/Smad途徑促進骨形成，而阻斷miR-185的表達可增加骨質(zhì)疏松癥期間的骨形成，這一過程是miR-185通過調(diào)節(jié)Bgn表達和BMP/Smad信號通路來實現(xiàn)的[23]。Saferding發(fā)現(xiàn)miR-146a直接靶向WNT1和WNT5a，使與骨合成代謝相關(guān)的WNT信號通路在衰老過程中持續(xù)激活，導(dǎo)致成骨細胞的生成和活性增加，從而導(dǎo)致骨量增加[24]。Guo發(fā)現(xiàn)miR-206-3p是GATA4的重要下游因子，它可以調(diào)控口腔頜面間充質(zhì)干細胞（OMSCs）和破骨細胞的功能[25]。

4.結(jié)語

骨代謝是維持骨骼穩(wěn)態(tài)的重要部分，骨相關(guān)的生理過程如骨骼的生長發(fā)育，骨骼損傷后的修復(fù)等都需要對骨代謝相關(guān)的基因表達進行精確調(diào)控。miRNA及其靶基因作為表觀遺傳學(xué)的重要部分，在骨代謝中所發(fā)揮的功能也隨著骨及與骨相關(guān)疾病研究的深入而愈加直觀。無論是miRNA本身或miRNA之間，或是miRNA通過靶基因調(diào)控信號通路調(diào)節(jié)骨骼相關(guān)生理過程，都直接或間接通過哺乳動物成骨細胞、破骨細胞、相關(guān)信號通路及細胞因子對骨代謝進行調(diào)節(jié)。隨著對MicroRNA與骨代謝相關(guān)研究的進展，MicroRNA將為骨骼生長、發(fā)育和修復(fù)提供新思路，MicroRNA靶向藥物也將在各種骨疾病的治療和預(yù)后方面有所突破。