microRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)炎癥中的研究進(jìn)展

向成明,周桂銀,侯小紅,樊銀春,姚聲濤

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院腦血管病科,遵義 563099;*通訊作者,E-mail:yst@zmu.edu.cn)

miRNAs是一類短的非編碼RNA分子,可通過結(jié)合靶mRNA的互補(bǔ)3′非翻譯區(qū)(3′UTR)序列在轉(zhuǎn)錄后水平上調(diào)節(jié)基因表達(dá),從而抑制基因表達(dá)。研究表明miRNAs在多種疾病的發(fā)生和發(fā)展中扮演者重要角色,特別是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病(central nervous system disease)中產(chǎn)生相應(yīng)的作用。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病嚴(yán)重影響人類健康及生活質(zhì)量,給社會(huì)和醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。神經(jīng)炎癥在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,而某些miRNAs的失調(diào)可導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞過度激活,持續(xù)性神經(jīng)發(fā)炎和大腦中異常的巨噬細(xì)胞極化。這些異常狀況可以支持中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中神經(jīng)炎癥的發(fā)病機(jī)制。在這篇綜述中,我們將討論microRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)炎癥中的研究進(jìn)展。

1 miRNA的產(chǎn)生和作用

1993年在秀麗隱桿線蟲中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)miRNA[1]。第一個(gè)人類miRNA,let-7于2000年被發(fā)現(xiàn)。自那以后,它們被進(jìn)一步表征為影響100多種動(dòng)物基因表達(dá)譜的基因抑制。microRNAs(miRNAs)是在動(dòng)物、植物和一些病毒中發(fā)現(xiàn)的一類重要的非編碼RNA,在信使RNA(mRNA)水平上負(fù)調(diào)控基因表達(dá)。大多數(shù)miRNAs基因被RNA聚合酶Ⅱ(Pol-Ⅱ)轉(zhuǎn)錄為pri-miRNAs的初級(jí)轉(zhuǎn)錄本。在細(xì)胞核中,pri-miRNAs被Drosh切割成稱為前體miRNAs(pre-miRNAs)的干環(huán)結(jié)構(gòu)。通過Exportin 5將pre-miRNAs導(dǎo)出到細(xì)胞質(zhì)后,它們?cè)诃h(huán)附近被Dicer切割成小的雙鏈RNA(dsRNAs)。miRNA雙鏈然后被裝載到RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物(RISC)。在RISC復(fù)合體中,miRNA雙鏈體的一條鏈具有結(jié)合3′UTR中互補(bǔ)序列的功能,從而抑制靶基因,而另一條鏈則被降解[2]。miRNA的一部分受RNA結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié),這些蛋白可幫助確定miRNAs可用于靶基因抑制的環(huán)境。成熟的miRNAs通過堿基配對(duì)被引導(dǎo)到靶mRNA的3′端,導(dǎo)致mRNA的失穩(wěn)和翻譯抑制。據(jù)估計(jì),miRNAs調(diào)節(jié)大約三分之一的蛋白質(zhì)編碼基因的表達(dá)。它們既被視為表觀遺傳變化(即DNA甲基化)的靶點(diǎn),又被視為DNA甲基轉(zhuǎn)移酶等表觀遺傳修飾物的調(diào)節(jié)者[3]。近年來的研究發(fā)現(xiàn),miRNA let-7b可以與TLR7結(jié)合以引發(fā)神經(jīng)變性。因此,在神經(jīng)病理學(xué)過程中釋放miRNAs可能會(huì)影響炎癥反應(yīng)。接下來,我們將詳細(xì)討論miNRAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)炎癥中的作用。

2 microRNAs在多種中樞系統(tǒng)疾病神經(jīng)炎癥中的作用

2.1 miRNAs與腦出血

腦出血是由于大腦血管破裂導(dǎo)致出血而引起的,具有高致殘率和高死亡率。腦出血后的炎癥反應(yīng)由實(shí)質(zhì)內(nèi)血液激活,其特征就在于炎癥細(xì)胞的動(dòng)員和激活[4]。小膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有免疫細(xì)胞。腦出血引起的炎癥反應(yīng)激活小膠質(zhì)細(xì)胞?；罨男∧z質(zhì)細(xì)胞可以吞噬血腫和細(xì)胞碎片,從而維持組織穩(wěn)態(tài),并促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù),同時(shí)其可以產(chǎn)生多種有害細(xì)胞因子,如促炎因子、活性氧等加重腦損傷[5]。近年來,大量研究集中在miRNAs對(duì)腦出血的影響,結(jié)果表明miRNAs廣泛參與腦出血后的病理生理,在腦出血后繼發(fā)性腦損傷神經(jīng)炎癥中有著積極或消極的作用。研究表明Toll樣受體4(TLR4)介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥在腦出血后繼發(fā)性腦損傷中起關(guān)鍵作用。在大鼠腦出血模型中,發(fā)現(xiàn)miR-140-5p與腦出血后血腫周圍紋狀體內(nèi)TLR4的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)。在體外,miR-140-5p直接靶向TLR4并抑制其在大鼠神經(jīng)元PC12細(xì)胞系中的表達(dá)。表明miR-140-5p可抑制TLR4的表達(dá),提示抑制TLR4介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥至少部分是miR140-5對(duì)腦出血所致腦損傷起到神經(jīng)保護(hù)作用的機(jī)制之一。腦室注射miR-140-5p可減少腦出血后限制炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生,表明miR-140-5p可減輕體內(nèi)的腦損傷和神經(jīng)炎癥[6]。在實(shí)驗(yàn)性腦出血模型中,富含miR-146a-5p的BMSCs-Exos通過下調(diào)IRAK1和NFAT5的表達(dá),減少神經(jīng)細(xì)胞凋亡,減少炎癥相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞M1極化,從而提供腦出血后的神經(jīng)保護(hù)和功能改善[7]。miR-183-5p通過抑制血紅素加氧酶-1的表達(dá)減輕腦出血后的早期損傷[8]。miR-222下調(diào)靶向整合素亞單位β8(ITGB8)上調(diào)抑制紅細(xì)胞裂解液誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng),抑制炎癥反應(yīng),抑制腦含水量,改善神經(jīng)功能[9]。在氯化血紅素刺激的BV2小膠質(zhì)細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)miR-23b通過靶向肌醇多磷酸多激酶(IPMK)抑制BV2細(xì)胞的炎癥反應(yīng),并通過Akt/mTOR通路的自噬調(diào)節(jié)參與了miR-23b調(diào)節(jié)的腦出血后炎癥反應(yīng),發(fā)揮保護(hù)作用[10]。miR-93、TLR4和NF-κB在大鼠腦出血模型中均有高表達(dá),降低miR-93,抑制TLR4/NF-κB信號(hào)通路可改善神經(jīng)功能,抑制腦出血后炎癥反應(yīng)[11]。綜上所述,miRNAs在腦出血發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮損傷或保護(hù)作用。

2.2 miRNAs與腦梗死

腦梗死是由各種原因所致的局部腦組織區(qū)域血液供應(yīng)障礙,導(dǎo)致腦組織缺血缺氧性病變壞死,進(jìn)而產(chǎn)生臨床上對(duì)應(yīng)的神經(jīng)功能缺失表現(xiàn)。缺血激活腦駐留細(xì)胞,包括小膠質(zhì)細(xì)胞,星形膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮。內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子和炎性細(xì)胞因子/趨化因子的產(chǎn)生增加,再加上血腦屏障的通透性增加,使缺血引起的外周免疫細(xì)胞浸潤和激活[12]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)miRNAs參與腦梗死的發(fā)生發(fā)展。腦缺血時(shí)miR-155可以通過誘導(dǎo)自噬并參與神經(jīng)損傷,miR-155誘導(dǎo)的自噬通過調(diào)節(jié)TLR4/NF-κB通路調(diào)節(jié)缺血腦組織的炎癥反應(yīng)[13]。在腦缺血中用RT-PCR檢測(cè)miR-20b的表達(dá),miR-20b的表達(dá)較對(duì)照組增加。miR-20b過表達(dá)可以通過激活NLRP3信號(hào)通路使腦缺血組IL-1、β和IL-18水平升高。相反,miRNA-20b的下調(diào)通過抑制NLRP3信號(hào)通路抑制了腦缺血時(shí)IL-1β和IL-18的水平。腦缺血時(shí)miR-20b過表達(dá)增加了ATP和活性氧(ROS)水平,隨著miR-20b表達(dá)下調(diào),ATP和ROS水平降低。抑制了腦缺血中炎癥反應(yīng)[14]。在腦梗死動(dòng)物模型中,急性缺血性卒中大鼠腦內(nèi)miR-210水平顯著升高,大腦中動(dòng)脈閉塞前后應(yīng)用miR-210抑制劑治療可明顯減少大腦中動(dòng)脈閉塞所致的腦梗死,改善大腦中動(dòng)脈閉塞所致的行為障礙。抑制miR-210可顯著降低促炎細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)和趨化因子(CCL2和CCL3)的表達(dá),而對(duì)抗炎因子(轉(zhuǎn)化生長因子-β和IL-10)的表達(dá)無明顯影響。此外,miR-210抑制劑可抑制大腦中動(dòng)脈閉塞誘導(dǎo)的腦內(nèi)巨噬細(xì)胞浸潤和小膠質(zhì)細(xì)胞活化,抑制缺血性卒中急性期的促炎反應(yīng),減輕腦損傷[15]。研究發(fā)現(xiàn)miR-216a能明顯抑制缺氧性腦缺血再灌注后的炎癥介質(zhì),包括炎性酶(誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和基質(zhì)金屬蛋白酶-9)和細(xì)胞因子(腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-1β),上調(diào)miR-216a水平可減少缺血性梗死,改善神經(jīng)功能缺損[16]。在大鼠腦缺血模型中,過表達(dá)miR-579-3p可抑制炎性細(xì)胞因子TNF-α、IL-6、COX-2和iNOS的表達(dá),提高IL-10的表達(dá)水平,從而降低腦梗死體積、腦含水量和神經(jīng)功能缺損程度[17]。

2.3 miRNAs與膠質(zhì)細(xì)胞瘤

膠質(zhì)細(xì)胞瘤屬于惡性上皮性腫瘤,惡性程度高,即使經(jīng)手術(shù)、放射治療及烷化類化療藥物系統(tǒng)化療,其中位生存期也僅為1年。在惡性神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織中,神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞通過與其他腦細(xì)胞(包括巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞)的相互作用,促進(jìn)了對(duì)腫瘤有利的微環(huán)境[18]。RNAs在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中有著重要作用。包括細(xì)胞的增殖、血管的形成、細(xì)胞分化等。近年來的研究表明miRNAs在膠質(zhì)細(xì)胞瘤的發(fā)生發(fā)展和治療中扮演重要的角色。膠質(zhì)瘤微環(huán)境內(nèi)或附近的不同細(xì)胞成分之間的細(xì)胞內(nèi)串?dāng)_通過致癌因子(包括miRNA)的轉(zhuǎn)移發(fā)生[18]。在小鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型中,在T細(xì)胞中過表達(dá)miR-124發(fā)現(xiàn)其具有保護(hù)作用的效應(yīng)表型(即由miR-124激活的T細(xì)胞有助于清除神經(jīng)膠質(zhì)瘤)[19]。膠質(zhì)瘤細(xì)胞釋放的miR-124-5p通過靶向CXCR5調(diào)節(jié)脂多糖刺激小膠質(zhì)細(xì)胞后的炎癥反應(yīng),促進(jìn)原代小膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)內(nèi)毒素攻擊的炎癥反應(yīng)[20]。通過實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù),研究發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)細(xì)胞瘤組織中miR-223-3p表達(dá)降低,NLRP3表達(dá)增加,miR-223-3p通過降低多種炎癥相關(guān)細(xì)胞因子,包括白介素-1β、單核細(xì)胞趨化蛋白-1、IL-8、IL-18來抑制細(xì)胞增殖和遷移。NLRP3的過表達(dá)也可以減弱miR-223-3p誘導(dǎo)的上述效應(yīng)。表明miR-223-3p可能作為膠質(zhì)瘤的抑制因子和潛在的治療靶點(diǎn)[21]。進(jìn)一步提示了miRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)炎癥中發(fā)揮著重要作用。

2.4 miRNAs與神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病是由神經(jīng)元和/或其髓鞘的喪失所致,隨著時(shí)間的推移而惡化,出現(xiàn)功能障礙。阿爾茨海默病(AD)是以神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激為特征的最常見的神經(jīng)退行性疾病。在衰老的動(dòng)物和人類的大腦中,炎癥刺激引起小膠質(zhì)細(xì)胞的過度反應(yīng)[22]。神經(jīng)炎癥促進(jìn)了與年齡相關(guān)的認(rèn)知能力下降[23]。在體外AD模型中miR-125b的表達(dá)水平明顯高于正常對(duì)照組。過表達(dá)miR-125b可顯著促進(jìn)淀粉樣前體蛋白和β-分泌酶1的表達(dá),抑制鞘氨醇激酶1(SphK1)蛋白的表達(dá),通過抑制細(xì)胞增殖,誘導(dǎo)凋亡,增強(qiáng)炎癥和氧化應(yīng)激,來調(diào)節(jié)炎癥因子和氧化應(yīng)激等在AD中發(fā)揮作用[24]。miR-338-5p是一種新的針對(duì)BACE1的miRNAs,與AD的神經(jīng)病理有關(guān)。在AD患者和5XFAD轉(zhuǎn)基因(TG)小鼠(AD動(dòng)物模型)海馬中的miRNA-338-5p表達(dá)明顯下調(diào)。并且在TG小鼠海馬區(qū)過表達(dá)miR338-5p可減少BACE1的表達(dá)、Aβ的形成和神經(jīng)炎癥[25]。帕金森病(PD)是一種部分由神經(jīng)系統(tǒng)炎癥引起的神經(jīng)退行性疾病。在小鼠帕金森病模型和體外α-Syn誘導(dǎo)的BV-2小膠質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)miR-let-7a過表達(dá)可以抑制α-Syn誘導(dǎo)的BV-2小膠質(zhì)細(xì)胞活化和促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,向小鼠紋狀體注射miR-7類似物過表達(dá)miR-let-7a時(shí)發(fā)現(xiàn)其抑制了小膠質(zhì)細(xì)胞的激活,減少了促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,并伴有α-Syn誘導(dǎo)的帕金森病小鼠運(yùn)動(dòng)障礙的緩解和空間記憶障礙的改善[26]。miR-124可以通過靶向p62、p38和自噬來抑制帕金森病發(fā)展過程中的神經(jīng)炎癥[27]。miR-190可以通過Nlrp3減輕MPTP誘導(dǎo)的帕金森病小鼠模型神經(jīng)元損傷并抑制神經(jīng)炎癥[28]。miR-195以Rho相關(guān)激酶1依賴的方式觸發(fā)帕金森病的神經(jīng)炎癥[29]。這些都提示了miRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病神經(jīng)炎癥中的的重要作用。

2.5 miRNAs與其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病

創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)是指外部物理因素所造成的頭部損傷,TBI與腦內(nèi)免疫活性細(xì)胞的病理激活有關(guān),導(dǎo)致慢性炎癥和膠質(zhì)增生。TBI后,小膠質(zhì)細(xì)胞激活,發(fā)展出混合的促炎和抗炎表型,隨著時(shí)間的流逝,極化趨向于促炎激活[30]。人體TBI后,小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞激活和神經(jīng)病理學(xué)常在損傷后持續(xù)數(shù)年[31]。研究表明,在大鼠TBI模型中,miR-155和miR-142在側(cè)向液壓沖擊傷大鼠的皮質(zhì)區(qū)有較高的表達(dá)。在人的病灶周圍皮質(zhì),miR-155主要由活化的星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá),而miR-142主要由小膠質(zhì)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞表達(dá)。巨噬細(xì)胞樣細(xì)胞的促炎介質(zhì)刺激了星形膠質(zhì)細(xì)胞miR-155的表達(dá),而miR-142在這些細(xì)胞中的過表達(dá)進(jìn)一步加強(qiáng)了激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞的促炎狀態(tài),從而導(dǎo)致神經(jīng)炎癥的發(fā)生[32]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展,脊髓損傷發(fā)生率呈現(xiàn)逐年增高的趨勢(shì),脊髓損傷往往導(dǎo)致?lián)p傷階段以下肢體嚴(yán)重的功能障礙,炎癥是脊髓損傷繼發(fā)性損害中的重要組成部分。創(chuàng)傷性脊髓損傷破壞了血腦屏障并形成了趨化性炎癥因子梯度,從而促進(jìn)了外周免疫細(xì)胞向病變中心和病變周圍區(qū)域的浸潤。引起常駐中樞神經(jīng)細(xì)胞(星形細(xì)胞,小膠質(zhì)細(xì)胞)的激活[33]。在LPS誘導(dǎo)的脊髓損傷大鼠脊髓組織和HAPI細(xì)胞中,TUSC7表達(dá)降低,miR-449a表達(dá)增加。過表達(dá)TUSC7可通過miR-449a調(diào)節(jié)PPAR-γ抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化和炎性因子的表達(dá)[34]。癲癇是大腦神經(jīng)元突發(fā)性異常放電,導(dǎo)致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病,炎癥在癲癇的發(fā)病中扮演特定的角色。研究發(fā)現(xiàn)miR-22通過抑制神經(jīng)炎性信號(hào)來保護(hù)致癇腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[35]。在體內(nèi)和體外癲癇模型中發(fā)現(xiàn)miR-27A-3p下調(diào)通過上調(diào)癲癇患者絲裂原活化蛋白激酶4(MAP2K4)的表達(dá)抑制炎癥反應(yīng)[36]。miR-125a-5p過表達(dá)抑制其靶基因CAMK4降低海馬炎性因子水平,減輕戊四氮致癇大鼠海馬區(qū)癲癇發(fā)作[37]。越來越多的證據(jù)表明,神經(jīng)炎癥在顳葉癲癇(TLE)的發(fā)病機(jī)制中起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn),增強(qiáng)miR-146a可上調(diào)慢性顳葉癲癇模型大鼠海馬IL-1β的表達(dá),下調(diào)CFH的表達(dá),而抑制miR-146a可下調(diào)IL-1β的表達(dá),上調(diào)CFH的表達(dá)。同時(shí),增強(qiáng)miR-146a可增加慢性TLE模型大鼠的異常波形。此外,增強(qiáng)IL-1β反饋性下調(diào)慢性TLE大鼠模型CFH的表達(dá),上調(diào)miR-146a的表達(dá),增加異常波形。增強(qiáng)miR-146a可通過下調(diào)CFH上調(diào)慢性TLE炎癥因子IL-1β,IL-1β上調(diào)在miR-146a和CFH的表達(dá)中起著重要的反饋調(diào)節(jié)作用,形成miR-146a-CFH-IL-1β環(huán)路,啟動(dòng)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終導(dǎo)致TLE的持續(xù)性炎癥[38]。

3 總結(jié)與展望

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,人們對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的了解越來越深入,發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎癥在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中扮演重要角色。miRNAs是目前研究熱門領(lǐng)域,隨著miRNAs的不斷研究,miRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究價(jià)值日益凸顯。miRNAs與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)炎癥之間的研究,對(duì)了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的演變過程有著重要作用,為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供更好的途徑。雖然目前的研究取得一定的進(jìn)展,但是仍處于初級(jí)階段。研究結(jié)果轉(zhuǎn)換到臨床應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性,部分原因是由于當(dāng)前的研究的局限性以及對(duì)復(fù)雜疾病的病理生理學(xué)的不完全了解及掌握。為此我們需要進(jìn)一步系統(tǒng)的研究miRNAs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用機(jī)制,早日為人類健康做出貢獻(xiàn)。