微RNA調(diào)控突觸可塑性的研究進(jìn)展

周芮，郝雷，王帆

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，呼和浩特 010110； 2.北京回龍觀醫(yī)院精神醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100096)

微RNA(microRNA，miRNA)是一小段非編碼RNA，在基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中起重要作用。目前已知超過1 000多種miRNA控制著50%以上蛋白質(zhì)編碼基因。隨著對miRNA研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)miRNA參與突觸可塑性的復(fù)雜調(diào)節(jié)過程[1]。突觸可塑性是神經(jīng)可塑性的一種表現(xiàn)形式，在維持正常神經(jīng)生理功能中起重要作用。突觸可塑性主要分為結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性，結(jié)構(gòu)可塑性主要指突觸通過主動適應(yīng)動態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變化來調(diào)節(jié)突觸形態(tài)和數(shù)量，包括樹突棘形態(tài)的修飾等。樹突棘是大腦信息連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其兩種形態(tài)(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動態(tài)改變會導(dǎo)致突觸可塑性的異常[2]。微管解聚的動態(tài)變化是樹突棘兩種形態(tài)之間快速變化的分子機制[3]，而miRNA通過調(diào)控樹突棘形態(tài)影響突觸可塑性[4]。功能可塑性主要指突觸神經(jīng)元的神經(jīng)活動，如長時程增強(long-term potentiation，LTP)等。miRNA通過N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑-丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid，AMPA)受體等蛋白調(diào)控樹突棘上鈣離子通道開放和關(guān)閉，并維持LTP[5]。另外，miRNA可通過腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)/原肌球蛋白受體激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)以及BDNF/p75非翻譯區(qū)(untranslated region，UTR)兩種傳導(dǎo)通路調(diào)節(jié)突觸可塑性[6]?，F(xiàn)對miRNA調(diào)控突觸可塑性的研究進(jìn)展予以綜述，以期為miRNA針對突觸可塑性功能失調(diào)所致相關(guān)疾病的研究提供新的理論依據(jù)。

1 miRNA概述

非編碼RNA在基因組中占據(jù)很大比例，其中miRNA(大約22個核苷酸長度)存在廣泛且進(jìn)化保守，是參與基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的一類非編碼RNA。miRNA轉(zhuǎn)錄與信使RNA(messenger RNA，mRNA)結(jié)合的過程[7]如下：miRNA首先在細(xì)胞核中被RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄為較長的初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，隨后由Drosha/DiGeorge酶及其輔因子DGCr8亞基組成的復(fù)合物切割為前體miRNA，前體miRNA通過exportin-5/RanGTP酶以鳥嘌呤依賴方式從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)，并被RNA聚合酶Ⅲ Dicer切割為成熟miRNA；成熟miRNA解旋雙鏈，其中一鏈與Argonaute蛋白結(jié)合，另一鏈則被降解；Argonaute蛋白和miRNA結(jié)合形成的復(fù)合物被稱為RNA沉默復(fù)合物，其可以很容易地與靶mRNA的3′UTR片段配對，從而發(fā)揮基因表達(dá)沉默劑的作用[8]。

miRNA對mRNA的作用機制有兩種：切割降解靶mRNA或抑制蛋白翻譯。目前認(rèn)為，miRNA與mRNA完全互補會導(dǎo)致靶mRNA降解，而不完全互補會導(dǎo)致翻譯受阻[9]，表明miRNA以“開啟”或“關(guān)閉”的二元方式靶向基因表達(dá)的沉默作用。而另有觀點認(rèn)為，各種類型細(xì)胞中miRNA對mRNA的沉默作用很少符合“開或關(guān)”二分法。miRNA不會完全沉默靶mRNA，而是降低其表達(dá)[7]。由于miRNA結(jié)合mRNA的不完全互補性，單個miRNA有可能與數(shù)百種靶mRNA配對并調(diào)控基因表達(dá)。因此，需要一種同時操縱多個miRNA靶向表達(dá)的技術(shù)，以全面了解單個miRNA的功能。

2 miRNA與突觸可塑性

大腦中的miRNA參與了多種神經(jīng)元發(fā)生過程，包括樹突形成及突觸可塑性功能的調(diào)節(jié)等。已有多項實驗證實，miRNA與突觸可塑性密不可分。研究表明，抑制miR-219表達(dá)可以修復(fù)輻射所致的突觸可塑性功能損傷[10]。目前尚無實驗證明miRNA以成熟miRNA的形式直接靶向并運輸?shù)綐渫荒┥叶l(fā)揮作用。有研究認(rèn)為，miRNA以前體miRNA的形式轉(zhuǎn)運，前體miRNA是成熟miRNA在特定位置儲存的一種方式[11]。樹突末梢中前體miRNA轉(zhuǎn)運的優(yōu)點是可在需要時局部快速轉(zhuǎn)化為成熟miRNA。此外，深入了解miRNA的相關(guān)生物學(xué)特性可為miRNA參與并調(diào)節(jié)突觸可塑性(如樹突棘密度和形態(tài)、LTP以及突觸可塑性相關(guān)蛋白)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.1miRNA對樹突棘形態(tài)的影響 突觸可塑性即神經(jīng)元突觸數(shù)量和形態(tài)的改變能力，指神經(jīng)系統(tǒng)基本組成細(xì)胞之間信息傳遞程度的可調(diào)節(jié)性(包括結(jié)構(gòu)可塑性與傳遞效能)。星形膠質(zhì)細(xì)胞是參與結(jié)構(gòu)可塑性調(diào)節(jié)的主要細(xì)胞，其功能包括與突觸廣泛接觸、釋放可溶性因子及增加突觸數(shù)量[12]，并通過建立突觸屏障限制神經(jīng)遞質(zhì)向鄰近突觸傳播以及促進(jìn)樹突棘的發(fā)育與成熟。樹突棘是樹突分支末梢伸向遠(yuǎn)端的細(xì)小凸起，其密度和形態(tài)呈高度動態(tài)改變[13]。樹突棘中miRNA含量豐富，可通過調(diào)控樹突棘形態(tài)變化影響突觸可塑性功能[14]。miR-34c表達(dá)可以調(diào)控樹突棘兩種形態(tài)(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動態(tài)變化[15]。同樣，miR-132和miR-134均參與樹突棘形態(tài)變化的調(diào)節(jié)[16]，其中miR-134可由Limk1蛋白介導(dǎo)調(diào)節(jié)絲狀偽足和蘑菇型棘刺的數(shù)量?？梢姡琺iR-134過表達(dá)可顯著影響樹突棘密度及突觸傳遞效率，并可在樹突棘發(fā)育及突觸可塑性中起負(fù)性調(diào)節(jié)作用[17]。絲狀偽足是最小的樹突棘形態(tài)結(jié)構(gòu)，常處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，可在數(shù)小時內(nèi)形成并消失，而較大蘑菇型棘刺可在數(shù)月甚至數(shù)年內(nèi)保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。上述兩種獨特形態(tài)的互相轉(zhuǎn)化取決于細(xì)胞骨架的重塑作用，其中Rho GTP酶在調(diào)控細(xì)胞骨架的重組方面起重要作用[18]。Rho GTP酶超家族(包括Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1和細(xì)胞分裂周期蛋白42等)在調(diào)節(jié)神經(jīng)元細(xì)胞遷移、神經(jīng)突生長以及突觸可塑性中起關(guān)鍵作用。miR-124可通過減少Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1和細(xì)胞分裂周期蛋白42信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制樹突棘形成，影響突觸可塑性[19]?？梢姡琺iRNA可通過Rho GTP酶調(diào)控細(xì)胞骨架重塑作用，從而改變樹突棘棘刺形態(tài)影響突觸可塑性。

2.2miRNA對細(xì)胞骨架重塑的影響 細(xì)胞骨架幫助生命體建立穩(wěn)定的細(xì)胞形狀并維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性。微管聚合和解離的動態(tài)變化對細(xì)胞骨架重塑有重要影響，在維持細(xì)胞眾多生理方面都是必需的[20]。真核生物具有豐富且復(fù)雜的細(xì)胞骨架成分，其中包括肌動蛋白絲、中間絲和微管等聚合物等。微管是細(xì)胞中普遍存在的由重復(fù)亞基組成的細(xì)胞骨架聚合物，主要包括αβ-微管蛋白二聚體(110 ku)的極性聚合物，其在γ-微管蛋白復(fù)合物的幫助下圍繞中心體首尾相連形成微管蛋白原纖維。微管時刻處于聚合和解離的高度不穩(wěn)定狀態(tài)中，具有生長快且解離慢的(+)端和生長慢且解離快的(-)端。微管聚集和解離具有動態(tài)不穩(wěn)定性，整個過程受到微管相關(guān)蛋白的調(diào)控[21]。微管相關(guān)蛋白至少包含一個結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個向外突出的結(jié)構(gòu)域(如Tau蛋白)與質(zhì)膜等其他細(xì)胞成分結(jié)合。Tau蛋白在神經(jīng)元中高度表達(dá)，可直接與微管結(jié)合并動態(tài)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和功能[22]。miRNA可通過影響微管聚集和解聚的動態(tài)過程影響突觸可塑性。miR-425-5p表達(dá)上調(diào)可激活Tau蛋白磷酸化表達(dá)，影響微管動態(tài)平衡及突觸可塑性[23]。相關(guān)研究表明，miR-326可抑制Tau蛋白磷酸化，阻斷c-Jun氨基端激酶信號通路，激活改善小鼠突觸可塑性功能[24]。miR-200a-3p通過抑制蛋白激酶A信號通路使Tau蛋白過度磷酸化，從而改善突觸可塑性[25]。

樹突和軸突均含有大量的微管，而樹突中含微管更多。但并不意味著多量的微管一定會聚集為樹突棘棘刺。目前大部分觀點認(rèn)為，樹突棘兩種不同形態(tài)之間的快速變化是大量微管在肌動蛋白幫助下靶向聚合為不同形狀棘刺的結(jié)果[26]。

2.3miRNA對LTP的影響 LTP是突觸傳遞效能的調(diào)節(jié)方式之一，也是功能可塑性的表現(xiàn)形式之一。LTP電生理機制可促進(jìn)樹突棘棘刺增大和新棘形成，表明高頻刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生LTP是樹突棘形態(tài)和功能變化的關(guān)鍵[27]。LTP對樹突棘密度及棘刺形態(tài)的影響與突觸后致密蛋白(postsynaptic density protein，PSD)密切相關(guān)[28]。成熟樹突棘為球狀小頭，PSD是樹突棘小頭上具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和接收功能的興奮性突觸后膜電子致密結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于PSD的研究包含上千種不同蛋白質(zhì)，包括NMDA、AMPA和PSD95等，這些蛋白成分可使神經(jīng)沖動由電信號轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號，影響樹突棘棘刺形成和成熟發(fā)育[29]。

miRNA可影響PSD家族的表達(dá)，前體miRNA不會在神經(jīng)元胞體中加工為成熟miRNA，而是被運送到樹突棘中儲存，故推測前體miRNA是miRNA的儲存形式，且與PSD密切相關(guān)[30]。miR-485對PSD95水平和樹突棘形態(tài)產(chǎn)生重要影響[31]?，F(xiàn)有研究表明，CA1錐體神經(jīng)元中產(chǎn)生LTP的機制是Schaffer側(cè)支束高頻刺激誘導(dǎo)的鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ激活細(xì)胞內(nèi)Ca2+離子通路引發(fā)的一系列級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致AMPA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流增強[32]。動物研究表明，APP23/PS45轉(zhuǎn)基因阿爾茨海默病模型小鼠腦中瞬時受體電位香草酸亞型1表達(dá)上調(diào)可抑制AMPAR內(nèi)吞作用，有助于改善認(rèn)知功能和突觸可塑性[33]。miR-132和miR-212均源自同一個非編碼基因內(nèi)含子，可作用于影響突觸可塑性的共同靶標(biāo)，并可抑制LTP和海馬突觸傳遞，這可能與AMPA受體減少有關(guān)[34]。另外，AMPA受體的活性可能受到NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流激活的影響[35]。

目前認(rèn)為，LTP調(diào)控肌動蛋白池是微管聚合或解離為樹突棘棘刺的關(guān)鍵。樹突棘上存在兩種肌動蛋白池，即穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)，穩(wěn)態(tài)可在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持樹突棘棘刺的穩(wěn)定，激發(fā)態(tài)肌動蛋白池可瞬間改變樹突棘形態(tài)[26]。LTP誘導(dǎo)樹突棘棘刺頭部增大的同時刺激NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+門控通道內(nèi)流增強，促使穩(wěn)態(tài)肌動蛋白池迅速轉(zhuǎn)為激發(fā)態(tài)，幫助改變樹突棘棘刺的形態(tài)[36]。在LTP繼續(xù)維持過程中，NMDA受體引起的Ca2+門控通道內(nèi)流會很快恢復(fù)至基礎(chǔ)水平，進(jìn)而AMPA受體逐步增加內(nèi)吞作用回收細(xì)胞內(nèi)的Ca2+，使肌動蛋白池從激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)[37]。這一過程伴隨著微管的迅速聚合和解聚，可在短時間內(nèi)形成不同形狀樹突棘棘刺，故認(rèn)為NMDA受體及AMPA受體介導(dǎo)的Ca2+門控通道在維持樹突棘形態(tài)正常功能中起重要作用。

2.4miRNA對BDNF蛋白通路的影響 BDNF是一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在并表達(dá)的神經(jīng)營養(yǎng)蛋白。胞質(zhì)中BDNF轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物首先由高爾基體加工為BDNF前體，隨后進(jìn)一步裂解形成成熟BDNF。出生早期，BDNF前體濃度較高；而成年期，成熟BDNF濃度較高，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)和突觸可塑性的重要作用[38]。成熟BDNF和BDNF前體分別分泌到細(xì)胞外與其同源受體結(jié)合啟動相應(yīng)的生理學(xué)功能。生理情況下，BDNF前體優(yōu)先與其腫瘤壞死因子家族中p75 UTR結(jié)合并相互作用。動物研究表明，敲除p75 UTR基因突變雄性小鼠突觸可塑性的維持依賴于海馬環(huán)腺苷酸(cyclic adenylic acid,cAMP)-cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白-BDNF通路傳導(dǎo)的增強[39]。此外，BDNF/p75 UTR/sortilin信號通路的激活可影響Rho GTP酶水平以及細(xì)胞骨架蛋白的形成[40]。而成熟BDNF通過結(jié)合TrkB受體使其磷酸化，并可激活多種酶，如磷脂酰肌醇-3-激酶和Rho GTP酶，其中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路可調(diào)節(jié)NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流，影響LTP的維持與發(fā)生[41]，而Rho GTP酶可通過刺激肌動蛋白和微管合成影響樹突棘形態(tài)[42]。持續(xù)激活TrkB通路可促進(jìn)樹突的穩(wěn)定形成，而瞬時激活TrkB可促進(jìn)樹突棘棘刺形態(tài)發(fā)生偽狀絲足。LTP高頻刺激可誘導(dǎo)BDNF/TrkB傳導(dǎo)通路由瞬時態(tài)轉(zhuǎn)換為持續(xù)態(tài)，樹突棘棘刺形態(tài)由絲狀偽足變?yōu)槟⒐叫图蘙43]。NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流異?？纱龠M(jìn)cAMP-cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白-BDNF通路的活化，引起B(yǎng)DNF/TrkB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路失調(diào)，降低BDNF表達(dá)水平[44]。麻醉和手術(shù)引起的神經(jīng)炎癥使NMDA受體過度活化，進(jìn)而引發(fā)依賴性鈣通道酶的過度活化，BDNF/TrkB通路信號失調(diào)導(dǎo)致樹突棘丟失、突觸可塑性受損及認(rèn)知障礙[45]。故推測，樹突棘的發(fā)育過程是不穩(wěn)定絲狀偽足發(fā)育為成熟穩(wěn)定的蘑菇型棘刺并反復(fù)強化刺激的過程，其實質(zhì)是將短期記憶轉(zhuǎn)為長期記憶的過程?；谏鲜隼碚撜J(rèn)為，BDNF是海馬長期記憶形成的重要調(diào)節(jié)劑，而長期記憶的形成有賴于穩(wěn)定的蘑菇型棘刺。

BDNF通過作用于特定miRNA調(diào)節(jié)mRNA的翻譯。BDNF和miRNA之間存在負(fù)反饋回路調(diào)節(jié)，并在正常細(xì)胞中保持平衡狀態(tài)。海馬CA1區(qū)中miR-134的過度表達(dá)導(dǎo)致cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和BDNF水平降低，損害LTP和長期記憶形成[46]。在卵巢切除術(shù)后睡眠不足母鼠海馬中，miR-191a可能會調(diào)節(jié)BDNF的水平[47]。嗅球、海馬和紋狀體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過激活cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白/BDNF通路調(diào)控miR-132水平，進(jìn)而影響突觸可塑性相關(guān)蛋白的合成，改善突觸可塑性及學(xué)習(xí)記憶功能[48]。miR-146a和miR-181a通過復(fù)雜的通路調(diào)節(jié)BDNF的表達(dá)，在突觸可塑性中起重要作用[49]。miRNA與mRNA的結(jié)合不完全互補，故miRNA可以調(diào)控BDNF的許多不同靶標(biāo)，并精細(xì)調(diào)控BDNF的表達(dá)。

3 小 結(jié)

成熟miRNA可能以前體miRNA形式運輸?shù)缴窠?jīng)元樹突棘并儲存在特定位置。miRNA與mRNA的結(jié)合存在不完全互補性，單個miRNA可能靶向調(diào)控數(shù)百種mRNA的表達(dá)。因此，需要同時操縱多個 miRNA靶向表達(dá)技術(shù)(即高通量技術(shù))才能了解單個miRNA的功能。miRNA可通過3種方式(調(diào)控微管動態(tài)聚集和解離、LTP誘導(dǎo)樹突棘突觸后致密蛋白介導(dǎo)的Ca2+門控通道、BDNF/TrkB傳導(dǎo)通路從瞬時態(tài)轉(zhuǎn)為持續(xù)態(tài))影響樹突棘密度和形態(tài)，進(jìn)而影響突觸可塑性，而BDNF/TrkB傳導(dǎo)通路從瞬時態(tài)轉(zhuǎn)為持續(xù)態(tài)可能是短期記憶轉(zhuǎn)為長期記憶的理論依據(jù)。通過對miRNA在突觸可塑性中作用機制的研究，擴大了miRNA對突觸可塑性疾病發(fā)病機制問題及臨床治療相關(guān)策略的理論研究，為miRNA影響突觸可塑性導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶功能障礙提供了新思路。