miRNAs對神經干細胞分化調控作用分子機制的研究進展

龔熒熒 儲利勝

神經干細胞是具有分化為神經元和星形膠質細胞潛能的細胞。研究發現位于海馬齒狀回顆粒下區和側腦室室管膜下區的神經干細胞極其活躍，而腦組織其他區域的神經干細胞則大多處于休眠狀態，需要一定刺激才可被激活，激活后也可分化為神經元與神經膠質細胞[1]。目前，神經干細胞的普遍定義是：一類具有強大自我更新能力且具有分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞潛力的，并能提供大量腦組織細胞的細胞群。神經干細胞具有強大的可塑性且在體外可持續擴增，為治療眾多不可治愈的神經系統疾病帶來了希望，如缺血性腦卒中、帕金森病、阿爾茨海默癥等[2]。然而，其分化過程十分復雜，受多種因子和信號通路的精確調控。但分化調控機制至今仍不明確，尤其是其定向分化的誘導方面。miRNAs是一類真核生物內源性非編碼單鏈小分子RNA，通過與mRNA的3'非編碼區結合，在轉錄后水平調節相關目的基因的表達，已成為細胞分化、增殖和存活的重要調節劑[3-4]。本文就miRNAs調控神經干細胞分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞的分子機制作一綜述，以期為神經系統疾病的治療提供新的策略。

1 miRNAs的概述

miRNAs是一類內源性非編碼單鏈小分子RNA，長約19～23個核苷酸，由70個核苷酸的前體衍生而來，在真核生物中廣泛存在，不含開放閱讀框，不能編碼蛋白質，但其可以與靶基因的3'非編碼區結合來發揮對生物體生命活動的調控作用。每個miRNA通常可以調控數百個靶基因，據估計30%以上的人類基因組受到miRNAs的調控[5-6]。目前研究顯示，miRNAs參與細胞的所有過程，包括細胞增殖、分化、凋亡、代謝以及生理和病理條件下的免疫反應[3-4，7]。由于miRNAs與多種疾病密切相關，以及其在疾病狀態與正常組織間的表達譜不同，在過去十多年，miRNAs被作為診斷和評估人類疾病的重要分子工具與治療干預的基礎[8-9]。

Giraldez等[10]通過阻斷斑馬魚Dicer基因來抑制miRNAs生物合成首次證實了miRNAs在神經發育過程中的重要性。事實上，研究也發現Dicer基因缺失的神經干細胞將不具備分化潛力[11]。目前已經檢測到存在于發育期和成年哺乳動物中樞神經系統中的數百種miRNAs，其中一些已被證明在神經系統發育中起關鍵作用。隨著對miRNAs研究的不斷深入，發現miRNAs對于神經元與神經膠質細胞的存活也是必不可少的[12]。

2 miRNAs對神經干細胞分化的調控作用

受到特異性刺激后，神經干細胞可以自我更新或向神經元、星形膠質細胞或少突膠質細胞分化。然而，神經干細胞的分化是一個精細控制的過程，受到許多影響因子與基因的調控。目前研究較多的主要影響因子包括成纖維細胞生長因子、血管內皮生長因子、神經生長因子、腦源性神經營養因子、IL、促紅細胞生成素[13]等，基因包括Notch基因、Hes基因、Wnt基因[2]。而miRNAs可通過調節細胞因子和（或）基因的表達來調控神經干細胞的分化，不同的miRNAs對神經干細胞的定向分化具有不同的調控作用。

2.1 miRNAs對神經干細胞向神經元分化的調控作用 miR-124作為最初被報道的腦特異性miRNAs之一，在大腦組織中高度表達[14]，近年來也被認為是神經元特異性miRNAs。目前研究表明miR-124對神經干細胞的分化存在多靶基因與通路調控：（1）通過抑制限制性內切酶1沉默轉錄因子（restriction endonuclease 1-silencing transcription factor，REST）可促進神經元的表達。羧基端小結構域磷酸酶1（small carboxy-terminal domain phosphatase 1，SCP1）是另一個重要的非神經因子，通過下調SCP1可促進神經干細胞向神經元方向分化。SCP1與REST調節途徑相互聯結促進神經干細胞分化為神經元[15]；（2）通過下調性別決定區域Y-盒9（sex determining region Y-box 9，Sox9）的表達促進神經干細胞向神經元分化[16]；（3）通過抑制配對盒（paired box 3，PAX3）和增強蛋白激酶B-糖原合成激酶3（protein kinase B-glycogen synthase kinase 3，Akt-GSK3）通路促進神經干細胞分化為神經元[17]；（4）通過抑制非洲爪蟾同系物 1（dapper,antagonist of beta-catenin，homolog 1 Xenopus laevis，DACT1）來激活 Wnt/β-鏈蛋白（β-catenin）途徑從而誘導神經干細胞向神經元分化[18]。此外，白威等[19]通過相關實驗證實過表達miR-124-3p會顯著降低Delta 樣配體 1（Delta-like 1，DLL1）的表達，并通過生物信息學預測與熒光素酶測定進一步確認DLL1是miR-124-3p的直接作用靶點，同時也發現miR-124-3p可以促進創傷性腦損傷后海馬神經干細胞的分化，由此認為過表達miR-124-3p通過靶向抑制DLL1阻斷了Notch信號通路的激活，從而促進神經干細胞向神經元分化。

miR-9也較早地被證實具有促進向神經元分化的作用，其主要通過與TLX的3'非翻譯區結合來抑制TLX的表達。TLX在神經干細胞中高度表達，且為miR-9的重要靶基因，與miR-9之間存在負反饋環[20]。除靶基因TLX外，miR-9還可能通過其他多個靶基因來促進神經干細胞向神經元分化，包括抑制REST、叉頭框G1（forkhead box G1，FoxG1）[21]等。miR-9 還可通過與miR-124協同抑制Ras家族小G蛋白2a（Ras family small G protein 2a，Rap2a）來促進神經干細胞的神經元分化[22]。

有關miR-17-92基因簇與神經干細胞分化的報道也較多。miR-17-92過表達可通過阻斷白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）和睫狀神經營養因子（ciliary neurotrophic factor，CNTF）介導的 Janus激酶-信號轉導子和轉錄激活子（Janus kinase-signal transducers and activators of transcription，JAK-STAT）通路的激活，從而促進神經元的體外分化[23]；切除miR-17-92基因簇將會上調謎題同源物1（enigma homolog 1，ENH1），從而顯著減少海馬齒狀回中神經干細胞增殖的數目以及神經元的分化[24]。

除此之外，近年來越來越多的miRNAs被證實可調控神經干細胞向神經元分化。例如：miR-615通過下調LRR和含Ig域的NOGO受體相互作用蛋白1（LRR and Ig domain-containing NOGO receptor interacting protein 1，LINGO-1）促進神經干細胞向神經元分化[25]；miR-153在海馬中過表達可促進神經干細胞向神經元分化[26]；miR-145通過上調let-7a和let-7b，下調性別決定區域Y-盒 2（sex determining region Y-box 2，Sox2）和 Lin28，來誘導神經干細胞向神經元分化[27]，也可通過靶向促分裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）通路來促進其向神經元分化[28]；miR-29a可通過靶向磷酸酶和張力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）促進神經元的分化[29]；miR-132 可通過調節甲基CpG結合蛋白2（methyl-CpG-binding-protein 2，Mecp2）表達而損害神經元分化[30]；miR-410-3p 可抑制神經干細胞向神經元分化[31]。

神經干細胞向神經元的定向分化對神經系統疾病的治療及康復具有重要意義。利用miRNAs調節神經干細胞的定向分化可能成為中樞神經系統疾病新的治療方向。

2.2 miRNAs對神經干細胞向膠質細胞分化的調控作用 除神經元外，神經干細胞還可向膠質細胞分化，如星形膠質細胞與少突膠質細胞。越來越多的證據表明，miRNAs在調控膠質細胞的發育中起著重要的作用。miR-124在星形膠質細胞中亦有表達，可通過下調Sox2和Sox9促進神經干細胞分化為星形膠質細胞[32]，也可通過抑制DACT1來激活Wnt/β-catenin途徑來抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化[18]。Cao等[33]通過生物學信息預測和熒光素酶測定，證實Sp1是miR-124-3p的靶基因，且發現miR-124-3p可通過靶向Sp1調控神經干細胞向星形膠質細胞分化。miR-17-92的過表達會阻斷LIF和CNTF介導的JAK-STAT通路的激活，從而抑制其分化為星形膠質細胞[23]。此外，過表達miR-21可通過Wnt/β-catenin信號傳導途徑抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化[34]；miR-148b也可通過抑制Wnt/βcatenin信號減弱神經干細胞向星形膠質細胞分化的潛能[35]。過表達miR-153可下調Notch信號通路來抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化[26]，而過表達miR-140-3p將會導致星形膠質細胞的定向分化異常[36]。

目前研究將miR-219和miR-338作為少突膠質細胞特異性miRNAs，這些miRNAs的過表達通過下調性別決定區域Y-盒 6（sex determining region Y-box 6，Sox6）、毛發和分裂同源物（hairy and Enhancer of split homolog，Hes5）等轉錄因子來促進神經干細胞向少突膠質細胞分化[37]。此外，miR-106b可通過直接抑制腫瘤蛋白p53誘導性核蛋白1和細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑1A的表達來抑制神經膠質細胞的生成[38]，miR-204也可抑制神經干細胞向膠質細胞分化[39]。

在一定條件下，星形膠質細胞與少突膠質細胞對神經元具有特異的保護作用。因此，了解miRNAs對調控神經干細胞向神經膠質細胞分化的機制也可用于神經系統疾病治療的研究。

3 miRNAs對神經干細胞分化調控的應用前景

神經干細胞分化的機制研究為開發潛在而強大的新治療策略提供了基礎，這些策略可廣泛應用于臨床疾病的治療。缺血性腦卒中是一種高死亡率的疾病，其治療方法卻十分有限。重組組織型纖溶酶原激活物（rt-PA）是目前唯一被FDA批準用于治療缺血性腦卒中的溶栓藥，然而其臨床應用也受其治療時間窗口和嚴重不良預后的限制。現有研究發現多種miRNAs可用于保護缺血性腦卒中引起的腦損傷：miR-145可通過下調程序性細胞死亡蛋白4來減少缺血性腦卒中引起的神經干細胞分化抑制[40]，也可通過靶向MAPK途徑在缺血性腦卒中的治療中起保護神經干細胞的功能[28]；抑制miR-148b的表達可促進神經干細胞分化為新生神經元和星形膠質細胞，減少缺血性病變的體積并改善神經功能[35]；電針刺激可通過調控miR-34a的表達來促進缺血再灌注損傷周邊區神經干細胞的分化[41]，也可通過激活miR-146b來促進缺血性腦卒中后內源性神經干細胞的分化[42]。

阿爾茨海默癥為世界上最常見的神經系統退行性性疾病，以進行性認知功能障礙和行為損害為特征，其典型病理改變包括大腦神經元的丟失和膠質細胞的增生。對于阿爾茲海默癥的治療，目前仍缺乏延緩或治愈此種疾病的藥物。現有研究表明上調miR-9的表達可促進淀粉樣前體蛋白的神經干細胞分化為神經元[43]，這為治療阿爾茨海默癥提供了新的思路。

4 小結

神經干細胞分化的調控需要一個非常精細的基因表達網絡，包括來自細胞內外環境的各種信號。miRNAs作為一個重要的調控因子，參與了細胞的多種生物過程。近年來研究也表明miRNAs在神經干細胞的分化過程中起著重要的調控作用，這就為神經系統疾病的治療提供了新的思路與希望。但miRNAs對神經干細胞分化的調控機制尚未完全探明，即使是前文提到的已經研究的miRNAs，其具體調控過程和機制網絡也尚未明確，因此，在這一領域仍需要大量的研究。相信，miRNAs與神經干細胞分化機制的深入研究，將對疾病的預防和治療產生長遠的影響。