microRNAs在中樞神經系統疾病神經炎癥中的研究進展

向成明,周桂銀,侯小紅,樊銀春,姚聲濤

(遵義醫科大學附屬醫院腦血管病科,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,可通過結合靶mRNA的互補3′非翻譯區(3′UTR)序列在轉錄后水平上調節基因表達,從而抑制基因表達。研究表明miRNAs在多種疾病的發生和發展中扮演者重要角色,特別是在中樞神經系統疾病(central nervous system disease)中產生相應的作用。中樞神經系統疾病嚴重影響人類健康及生活質量,給社會和醫療衛生系統帶來了嚴重的經濟負擔。神經炎癥在中樞神經系統疾病的發生發展中發揮著重要作用,而某些miRNAs的失調可導致小膠質細胞過度激活,持續性神經發炎和大腦中異常的巨噬細胞極化。這些異常狀況可以支持中樞神經系統疾病中神經炎癥的發病機制。在這篇綜述中,我們將討論microRNAs在中樞神經系統疾病神經炎癥中的研究進展。

1 miRNA的產生和作用

1993年在秀麗隱桿線蟲中發現了第一個miRNA[1]。第一個人類miRNA,let-7于2000年被發現。自那以后,它們被進一步表征為影響100多種動物基因表達譜的基因抑制。microRNAs(miRNAs)是在動物、植物和一些病毒中發現的一類重要的非編碼RNA,在信使RNA(mRNA)水平上負調控基因表達。大多數miRNAs基因被RNA聚合酶Ⅱ(Pol-Ⅱ)轉錄為pri-miRNAs的初級轉錄本。在細胞核中,pri-miRNAs被Drosh切割成稱為前體miRNAs(pre-miRNAs)的干環結構。通過Exportin 5將pre-miRNAs導出到細胞質后,它們在環附近被Dicer切割成小的雙鏈RNA(dsRNAs)。miRNA雙鏈然后被裝載到RNA誘導沉默復合物(RISC)。在RISC復合體中,miRNA雙鏈體的一條鏈具有結合3′UTR中互補序列的功能,從而抑制靶基因,而另一條鏈則被降解[2]。miRNA的一部分受RNA結合蛋白的調節,這些蛋白可幫助確定miRNAs可用于靶基因抑制的環境。成熟的miRNAs通過堿基配對被引導到靶mRNA的3′端,導致mRNA的失穩和翻譯抑制。據估計,miRNAs調節大約三分之一的蛋白質編碼基因的表達。它們既被視為表觀遺傳變化(即DNA甲基化)的靶點,又被視為DNA甲基轉移酶等表觀遺傳修飾物的調節者[3]。近年來的研究發現,miRNA let-7b可以與TLR7結合以引發神經變性。因此,在神經病理學過程中釋放miRNAs可能會影響炎癥反應。接下來,我們將詳細討論miNRAs在中樞神經系統疾病神經炎癥中的作用。

2 microRNAs在多種中樞系統疾病神經炎癥中的作用

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由實質內血液激活,其特征就在于炎癥細胞的動員和激活[4]。小膠質細胞是中樞神經系統的固有免疫細胞。腦出血引起的炎癥反應激活小膠質細胞。活化的小膠質細胞可以吞噬血腫和細胞碎片,從而維持組織穩態,并促進神經功能恢復,同時其可以產生多種有害細胞因子,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對腦出血的影響,結果表明miRNAs廣泛參與腦出血后的病理生理,在腦出血后繼發性腦損傷神經炎癥中有著積極或消極的作用。研究表明Toll樣受體4(TLR4)介導的神經炎癥在腦出血后繼發性腦損傷中起關鍵作用。在大鼠腦出血模型中,發現miR-140-5p與腦出血后血腫周圍紋狀體內TLR4的表達呈負相關。在體外,miR-140-5p直接靶向TLR4并抑制其在大鼠神經元PC12細胞系中的表達。表明miR-140-5p可抑制TLR4的表達,提示抑制TLR4介導的神經炎癥至少部分是miR140-5對腦出血所致腦損傷起到神經保護作用的機制之一。腦室注射miR-140-5p可減少腦出血后限制炎性細胞因子的產生,表明miR-140-5p可減輕體內的腦損傷和神經炎癥[6]。在實驗性腦出血模型中,富含miR-146a-5p的BMSCs-Exos通過下調IRAK1和NFAT5的表達,減少神經細胞凋亡,減少炎癥相關的小膠質細胞M1極化,從而提供腦出血后的神經保護和功能改善[7]。miR-183-5p通過抑制血紅素加氧酶-1的表達減輕腦出血后的早期損傷[8]。miR-222下調靶向整合素亞單位β8(ITGB8)上調抑制紅細胞裂解液誘導的小膠質細胞的炎癥反應,抑制炎癥反應,抑制腦含水量,改善神經功能[9]。在氯化血紅素刺激的BV2小膠質細胞中,發現miR-23b通過靶向肌醇多磷酸多激酶(IPMK)抑制BV2細胞的炎癥反應,并通過Akt/mTOR通路的自噬調節參與了miR-23b調節的腦出血后炎癥反應,發揮保護作用[10]。miR-93、TLR4和NF-κB在大鼠腦出血模型中均有高表達,降低miR-93,抑制TLR4/NF-κB信號通路可改善神經功能,抑制腦出血后炎癥反應[11]。綜上所述,miRNAs在腦出血發生發展中發揮損傷或保護作用。

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

2.3 miRNAs與膠質細胞瘤

膠質細胞瘤屬于惡性上皮性腫瘤,惡性程度高,即使經手術、放射治療及烷化類化療藥物系統化療,其中位生存期也僅為1年。在惡性神經膠質瘤組織中,神經膠質瘤細胞通過與其他腦細胞(包括巨噬細胞和小膠質細胞)的相互作用,促進了對腫瘤有利的微環境[18]。RNAs在腫瘤的發生發展中有著重要作用。包括細胞的增殖、血管的形成、細胞分化等。近年來的研究表明miRNAs在膠質細胞瘤的發生發展和治療中扮演重要的角色。膠質瘤微環境內或附近的不同細胞成分之間的細胞內串擾通過致癌因子(包括miRNA)的轉移發生[18]。在小鼠神經膠質瘤模型中,在T細胞中過表達miR-124發現其具有保護作用的效應表型(即由miR-124激活的T細胞有助于清除神經膠質瘤)[19]。膠質瘤細胞釋放的miR-124-5p通過靶向CXCR5調節脂多糖刺激小膠質細胞后的炎癥反應,促進原代小膠質細胞對內毒素攻擊的炎癥反應[20]。通過實時熒光定量技術,研究發現在膠質細胞瘤組織中miR-223-3p表達降低,NLRP3表達增加,miR-223-3p通過降低多種炎癥相關細胞因子,包括白介素-1β、單核細胞趨化蛋白-1、IL-8、IL-18來抑制細胞增殖和遷移。NLRP3的過表達也可以減弱miR-223-3p誘導的上述效應。表明miR-223-3p可能作為膠質瘤的抑制因子和潛在的治療靶點[21]。進一步提示了miRNAs在中樞神經系統神經炎癥中發揮著重要作用。

2.4 miRNAs與神經退行性疾病

神經退行性疾病是由神經元和/或其髓鞘的喪失所致,隨著時間的推移而惡化,出現功能障礙。阿爾茨海默病(AD)是以神經炎癥和氧化應激為特征的最常見的神經退行性疾病。在衰老的動物和人類的大腦中,炎癥刺激引起小膠質細胞的過度反應[22]。神經炎癥促進了與年齡相關的認知能力下降[23]。在體外AD模型中miR-125b的表達水平明顯高于正常對照組。過表達miR-125b可顯著促進淀粉樣前體蛋白和β-分泌酶1的表達,抑制鞘氨醇激酶1(SphK1)蛋白的表達,通過抑制細胞增殖,誘導凋亡,增強炎癥和氧化應激,來調節炎癥因子和氧化應激等在AD中發揮作用[24]。miR-338-5p是一種新的針對BACE1的miRNAs,與AD的神經病理有關。在AD患者和5XFAD轉基因(TG)小鼠(AD動物模型)海馬中的miRNA-338-5p表達明顯下調。并且在TG小鼠海馬區過表達miR338-5p可減少BACE1的表達、Aβ的形成和神經炎癥[25]。帕金森病(PD)是一種部分由神經系統炎癥引起的神經退行性疾病。在小鼠帕金森病模型和體外α-Syn誘導的BV-2小膠質細胞中發現miR-let-7a過表達可以抑制α-Syn誘導的BV-2小膠質細胞活化和促炎細胞因子的產生,向小鼠紋狀體注射miR-7類似物過表達miR-let-7a時發現其抑制了小膠質細胞的激活,減少了促炎細胞因子的產生,并伴有α-Syn誘導的帕金森病小鼠運動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展過程中的神經炎癥[27]。miR-190可以通過Nlrp3減輕MPTP誘導的帕金森病小鼠模型神經元損傷并抑制神經炎癥[28]。miR-195以Rho相關激酶1依賴的方式觸發帕金森病的神經炎癥[29]。這些都提示了miRNAs在中樞神經系統退行性疾病神經炎癥中的的重要作用。

2.5 miRNAs與其他中樞神經系統疾病

創傷性腦損傷(TBI)是指外部物理因素所造成的頭部損傷,TBI與腦內免疫活性細胞的病理激活有關,導致慢性炎癥和膠質增生。TBI后,小膠質細胞激活,發展出混合的促炎和抗炎表型,隨著時間的流逝,極化趨向于促炎激活[30]。人體TBI后,小膠質細胞/巨噬細胞激活和神經病理學常在損傷后持續數年[31]。研究表明,在大鼠TBI模型中,miR-155和miR-142在側向液壓沖擊傷大鼠的皮質區有較高的表達。在人的病灶周圍皮質,miR-155主要由活化的星形膠質細胞表達,而miR-142主要由小膠質細胞、巨噬細胞和淋巴細胞表達。巨噬細胞樣細胞的促炎介質刺激了星形膠質細胞miR-155的表達,而miR-142在這些細胞中的過表達進一步加強了激活的星形膠質細胞的促炎狀態,從而導致神經炎癥的發生[32]。隨著經濟水平的發展,脊髓損傷發生率呈現逐年增高的趨勢,脊髓損傷往往導致損傷階段以下肢體嚴重的功能障礙,炎癥是脊髓損傷繼發性損害中的重要組成部分。創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,從而促進了外周免疫細胞向病變中心和病變周圍區域的浸潤。引起常駐中樞神經細胞(星形細胞,小膠質細胞)的激活[33]。在LPS誘導的脊髓損傷大鼠脊髓組織和HAPI細胞中,TUSC7表達降低,miR-449a表達增加。過表達TUSC7可通過miR-449a調節PPAR-γ抑制小膠質細胞活化和炎性因子的表達[34]。癲癇是大腦神經元突發性異常放電,導致短暫的大腦功能障礙的一種慢性疾病,炎癥在癲癇的發病中扮演特定的角色。研究發現miR-22通過抑制神經炎性信號來保護致癇腦網絡的發展[35]。在體內和體外癲癇模型中發現miR-27A-3p下調通過上調癲癇患者絲裂原活化蛋白激酶4(MAP2K4)的表達抑制炎癥反應[36]。miR-125a-5p過表達抑制其靶基因CAMK4降低海馬炎性因子水平,減輕戊四氮致癇大鼠海馬區癲癇發作[37]。越來越多的證據表明,神經炎癥在顳葉癲癇(TLE)的發病機制中起著重要作用。研究發現,增強miR-146a可上調慢性顳葉癲癇模型大鼠海馬IL-1β的表達,下調CFH的表達,而抑制miR-146a可下調IL-1β的表達,上調CFH的表達。同時,增強miR-146a可增加慢性TLE模型大鼠的異常波形。此外,增強IL-1β反饋性下調慢性TLE大鼠模型CFH的表達,上調miR-146a的表達,增加異常波形。增強miR-146a可通過下調CFH上調慢性TLE炎癥因子IL-1β,IL-1β上調在miR-146a和CFH的表達中起著重要的反饋調節作用,形成miR-146a-CFH-IL-1β環路,啟動炎癥級聯反應,最終導致TLE的持續性炎癥[38]。

3 總結與展望

隨著現代科技的發展,人們對中樞神經系統疾病的了解越來越深入,發現神經炎癥在中樞神經系統疾病中扮演重要角色。miRNAs是目前研究熱門領域,隨著miRNAs的不斷研究,miRNAs在中樞神經系統疾病中的研究價值日益凸顯。miRNAs與中樞神經系統疾病神經炎癥之間的研究,對了解中樞神經系統疾病的演變過程有著重要作用,為中樞神經系統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展,但是仍處于初級階段。研究結果轉換到臨床應用仍然具有挑戰性,部分原因是由于當前的研究的局限性以及對復雜疾病的病理生理學的不完全了解及掌握。為此我們需要進一步系統的研究miRNAs在中樞神經系統疾病中的作用機制,早日為人類健康做出貢獻。