骨微環(huán)境中外泌體內(nèi)miRNA介導(dǎo)的細(xì)胞信號通路研究現(xiàn)狀

藺一凡 張云泉 董 偉

外泌體由Johnstone從綿羊的網(wǎng)織紅細(xì)胞中經(jīng)過離心獲取，其直徑40～150 nm，具有靶向傳遞信息的能力。外泌體是由細(xì)胞內(nèi)部的核內(nèi)體與細(xì)胞膜融合后經(jīng)胞吐作用釋放的膜性小泡，脂質(zhì)雙分子層的結(jié)構(gòu)可以保護(hù)其內(nèi)部的蛋白質(zhì)、小分子RNA(MicroRNA，miRNA)等遺傳物質(zhì)不被分解和破壞。外泌體廣泛存在于破骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)等骨改建主要效應(yīng)細(xì)胞中，通過調(diào)控骨效應(yīng)細(xì)胞中關(guān)鍵信號分子影響骨改建過程。

外泌體如同信息傳輸器，將其攜帶的各種生物分子傳送至受體細(xì)胞中，其介導(dǎo)的遺傳信息傳遞是骨效應(yīng)細(xì)胞間信號交談的重要環(huán)節(jié)。作為組成外泌體的重要內(nèi)容物質(zhì)， miRNA是其重要生物活性成分，miRNA以非編碼RNA的結(jié)構(gòu)，經(jīng)由外泌體轉(zhuǎn)運至受體細(xì)胞，與靶基因互補配對，從而調(diào)控下游靶基因表達(dá)。研究證實，miRNA可通過調(diào)控下游靶基因?qū)切?yīng)細(xì)胞的分化及功能產(chǎn)生影響，在骨改建中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。因此，本文對骨效應(yīng)相關(guān)細(xì)胞外泌體內(nèi)miRNA介導(dǎo)的信號通路作用進(jìn)行了綜述。

1 成骨細(xì)胞外泌體中miRNA調(diào)控機(jī)制

成骨細(xì)胞來源的外泌體內(nèi)含有多種miRNA，其中 miR-let-7、miR-140-3p、miR-503-3p、miR-30d-5p、miR-218、miR-335-5p分別發(fā)揮著促進(jìn)或抑制成骨分化的作用，對于骨改建的過程具有重要意義(見圖1)。作為骨骼發(fā)育的正向調(diào)節(jié)因子，miR-let-7在成骨細(xì)胞及其前體細(xì)胞產(chǎn)生的外泌體中表達(dá)上調(diào)，通過靶向作用于高遷移率蛋白A2 (high-mobility group AT-hook 2，HMGA2)，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞(stromal mesenchymal stem cells, MSCs)異位成骨，抑制其成脂能力。成骨細(xì)胞外泌體中高表達(dá)的miR-140-3p可直接抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(bone morphogenetic protein 2, BMP2)；若對人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(human mesenchymal stem cells, hMSCs)中miR-140-3p進(jìn)行阻斷，可促進(jìn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins, BMPs)信號元件和成骨分化關(guān)鍵調(diào)控因子的表達(dá)。miR-503-3p被證實在成骨細(xì)胞外泌體中存在，通過調(diào)節(jié)核因子-κB受體激活劑(receptor activator for nuclear factor-κB, RANK)的表達(dá)抑制破骨細(xì)胞的分化，為骨質(zhì)疏松的治療提供了新思路。

圖1 骨效應(yīng)細(xì)胞外泌體miRNA信號調(diào)控通路示意圖

研究表明，來源于成骨細(xì)胞外泌體的miR-30d-5p靶向作用于runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(runt-related transcription factor 2，Runx2)基因，并下調(diào)成骨細(xì)胞Runx2蛋白的表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞分化。miR-218被證實具有強(qiáng)大的成骨特性，通過下調(diào)成骨過程中3種Wnt信號抑制劑[骨硬化蛋白 (sclerostin，SOST)、DKK2、分泌型卷曲相關(guān)蛋白2(secreted frizzled-related protein2，SFRP2)]蛋白表達(dá)水平，激活Wnt信號通路，促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞分化、增強(qiáng)成骨細(xì)胞表型和成骨細(xì)胞相關(guān)腫瘤活性。體外研究發(fā)現(xiàn)， miR-335-5p降低了DKK1 (dickkopf-related protein 1)水平，激活Wnt/ β-catenin信號通路,促進(jìn)了Wnt信號傳導(dǎo)和糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase-3 beta，GSK-3β)磷酸化，β-catenin轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，促進(jìn)成骨分化。此外，Cui等研究證實，礦化成骨細(xì)胞(mineralizing osteoblasts, MOBs)來源的外泌體內(nèi)miRNAs(miR-667-3p、miR-6769b-5p、miR-7044- 5p、miR-7668-3p和miR-874-3p)通過抑制軸蛋白1(axis inhibition protein 1，Axin1)表達(dá)、促進(jìn)β-catenin表達(dá)，激活Wnt信號通路促進(jìn)骨髓基質(zhì)細(xì)胞(ST2細(xì)胞)成骨分化及基質(zhì)礦化能力。

2 破骨細(xì)胞外泌體中miRNA調(diào)控機(jī)制

破骨細(xì)胞外泌體內(nèi)存在著許多具有調(diào)控功能的miRNA，通過不同的細(xì)胞信號通路在骨微環(huán)境中發(fā)揮著重要作用(見圖1)。研究證實，miR-378在破骨細(xì)胞外泌體中表達(dá)量最高；miR-378通過靶向抑制SuFu和Fus-1基因，促進(jìn)破骨細(xì)胞周圍細(xì)胞存活和血管形成。Yosuke 等發(fā)現(xiàn)，miR-210通過靶向結(jié)合AcvR1b基因，抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)/激活素(activin)信號通路，實現(xiàn)對小鼠間充質(zhì)細(xì)胞成骨分化的正向調(diào)節(jié)。另有研究發(fā)現(xiàn)，miR-23a-5p在骨改建過程中發(fā)揮重要作用，破骨細(xì)胞來源的外泌體miR-23a-5p通過抑制Runx2基因表達(dá)同時上調(diào)YAP1介導(dǎo)的金屬硫蛋白1D假基因(metallothionein 1D pseudogene，MT1DP)基因表達(dá)，發(fā)揮對成骨細(xì)胞分化的抑制作用。

作為破骨細(xì)胞與成骨細(xì)胞信號交流的信使，miR-214在骨微環(huán)境細(xì)胞信號通路中發(fā)揮了重要調(diào)控作用。破骨細(xì)胞外泌體內(nèi)miR-214-3p的增加與血清中miR-214-3p的升高及骨形成減少密切相關(guān)，破骨細(xì)胞外泌體通過ephrinA2/EphA2被成骨細(xì)胞識別攝入，外泌體內(nèi)miR-214-3p靶向作用于成骨細(xì)胞受體 (activating transcription factor 4，ATF4)，抑制成骨細(xì)胞活性，減少體內(nèi)骨形成。成骨特異性相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子抗體Osterix對骨形成具有重要作用，miR-214-3p通過靶向作用于Osterix,參與抑制小鼠成肌細(xì)胞(C2C12細(xì)胞)的成骨分化過程。在巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony stimulating factor，M-CSF)和RANKL誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的形成過程中，miR-214-3p通過PI3K/Akt信號通路靶向作用于同源性磷酸酶(phosphatase and tensin homolog，Pten)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的增殖。上述研究結(jié)果提示，破骨細(xì)胞外泌體中的miR-214可作為潛在干預(yù)靶點，在骨代謝類疾病的治療中發(fā)揮重要作用。

3 間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體中miRNA調(diào)控機(jī)制

大量研究證實，間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體內(nèi)的miRNA通過多種信號通路對骨微環(huán)境中效應(yīng)細(xì)胞產(chǎn)生不同的調(diào)節(jié)作用(見圖1)。間充質(zhì)干細(xì)胞來源外泌體miR-181a通過抑制TGF-β信號分子，靶向作用于成骨分化的負(fù)調(diào)控因子Tgfbi和TβR-I/Alk5，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。Qin等通過體外研究發(fā)現(xiàn)，人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(human bone mesenchymal stem cells，hBMSCs)來源外泌體與成骨細(xì)胞融合，被轉(zhuǎn)移至高爾基體并釋放其內(nèi)容物，外泌體中miR-196a通過上調(diào)成骨基因ALP、骨鈣素 (osteocalcin，OCN)、 骨橋蛋白(osteopontin，OPN)和Runx2的表達(dá)促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化；同期體內(nèi)實驗建立SD大鼠顱骨臨界骨缺損動物模型，證實hBMSCs來源的外泌體具有較強(qiáng)的體外成骨潛能。

轉(zhuǎn)化蛋白1(specificity protein 1，Sp1)是轉(zhuǎn)錄因子家族一員，可調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和增殖，被認(rèn)為是軟骨細(xì)胞增殖的抑制劑。研究發(fā)現(xiàn)，TGF-β1作用于間充質(zhì)干細(xì)胞來源外泌體中miR-135b，下調(diào)軟骨細(xì)胞內(nèi)Sp1表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖，提高骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis, OA)軟骨修復(fù)作用?；らg充質(zhì)干細(xì)胞(synovial mesenchymal stem cells, SMSCs)來源的外泌體可促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖和遷移。Tao等發(fā)現(xiàn)，OA大鼠模型中，對miR-140-5p進(jìn)行過表達(dá)，可通過作用于小GTpase的Ras超家族成員 RalA，阻斷Wnt信號通路，激活轉(zhuǎn)錄共激活因子相關(guān)蛋白(yes-associated protein，YAP),阻止OA的發(fā)生并促進(jìn)軟骨組織的再生。研究證實，骨質(zhì)疏松癥患者BMSc來源的外泌體miR-21，通過與成骨分化調(diào)控基因SMAD7靶向結(jié)合，對骨形成產(chǎn)生抑制作用。miR-31a-5p以BMSCs產(chǎn)生的外泌體作為載體，激活SATB2通路，抑制E2F2的轉(zhuǎn)錄功能，抑制老年大鼠BMSCs礦物質(zhì)的沉積，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化生成。Sun等發(fā)現(xiàn)，成骨負(fù)調(diào)控因子Smurf1是miR-503的作用靶點，在大鼠BMSCs成骨過程中miR-503表達(dá)的升高抑制Smurf1表達(dá)，加速了成骨過程。

股骨頭壞死(osteonecrosis of the femoral head, ONFH)是骨骼系統(tǒng)的常見疾病，對MSCs來源的外泌體中miRNA進(jìn)行干預(yù)，可能為該疾病的治療提供新的研究方向。XU等針對BMSC外泌體miR-122-5p在ONFH的作用進(jìn)行了體內(nèi)外研究，體外研究發(fā)現(xiàn)，BMSCs外泌體中miR-122-5p激活受體酶氧酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)/Ras/絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路，下調(diào)SPRY2表達(dá)，促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化；體內(nèi)實驗同樣證實了其促進(jìn)成骨的作用，該研究提示miR-122-5p可作為ONFH治療的新靶點。除miR-122-5p外， miR-224-3p在外傷性股骨頭壞死的發(fā)生中也具有重要意義，外傷性股骨頭壞死中，miR-224-3p的下降促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和血管生成，上調(diào)其靶基因FIP200表達(dá)，過表達(dá)的FIP200同樣可促進(jìn)骨組織周圍血管形成，最終促進(jìn)成骨分化。

4 結(jié)語

近年來，隨著各專業(yè)領(lǐng)域?qū)ν饷隗w的深入研究，外泌體對骨微環(huán)境調(diào)控作用日趨受到重視。外泌體對骨微環(huán)境調(diào)控主要通過其攜帶的蛋白質(zhì)、核酸和miRAN來實現(xiàn)，其中miRNA在骨改建中建立了一種全新的細(xì)胞間信號傳導(dǎo)系統(tǒng)，骨效應(yīng)細(xì)胞以外泌體中miRNA為信息載體物質(zhì)，通過miRNA對下游信號通路的靶向作用實現(xiàn)細(xì)胞間的信號“交談”。本文通過對外泌體中miRNA介導(dǎo)骨效應(yīng)細(xì)胞間的信號通路進(jìn)行綜述，旨在為外泌體對骨組織相關(guān)疾病的診斷、治療提供了理論基礎(chǔ)。目前，外泌體并未大規(guī)模應(yīng)用于臨床中，仍存在許多問題待進(jìn)一步探究。有理由認(rèn)為，隨著研究的不斷深入，將會揭示出更多外泌體中miRNA調(diào)控骨微環(huán)境的信號通路，為醫(yī)學(xué)發(fā)展及臨床疾病的診療研究提供理論支持。