MicroRNA在骨骼發育與修復中的功能研究進展＊

裴欣 楊天雄 武世瑤 吳盡 劉學東

（東北林業大學野生動物與自然保護地學院，黑龍江哈爾濱 150040）

0.引言

骨骼是由骨、軟骨、脂肪、成纖維細胞、神經、血管和造血細胞等組成的器官，它不僅為哺乳動物身體提供了物理支架，還可以通過再生來修復使其恢復完全功能狀態。骨的細胞在不停地進行著細胞代謝，在骨代謝中有兩種細胞起著重要的作用，一種是吸收骨基質的破骨細胞，另一種是合成骨基質的成骨細胞。成骨細胞的骨生成與破骨細胞的骨吸收相互協調使得哺乳動物得以保持正常骨量及骨骼完整性[1]。

MicroRNA（miRNA）是由真核細胞產生的一類，長約19nt～24nt，具有調節功能的、保守的、單鏈非編碼RNA，對基因表達進行轉錄中或者轉錄后調節。近年來，隨著對miRNA包括其靶基因涉及信號通路研究的深入，發現越來越多的miRNA及靶基因在哺乳動物生理過程中具有重要功能，在骨骼發育與修復上更具有不可忽視的作用。

1.miRNA調控骨骼細胞生長發育

1.1 miRNA調控成骨細胞

成骨細胞是骨骼發育的重要細胞，miRNA與成骨細胞分化及骨形成有著密不可分的聯系。miRNA在干細胞成骨分化過程中發揮了重要作用[2]，已經被廣泛用于骨再生方面的研究，多種miRNA對間充質干細胞及骨髓干細胞的成骨分化具有調控作用。

研究表明，部分miRNA能抑制骨分化，逆轉骨丟失：miR-146a能抑制骨髓間充質干細胞的成骨分化[3]，而miR-214抑制人脂肪干細胞的成骨分化過程[4]。隨著對miRNA及骨骼發育與修復相關生理過程研究的深入，miRNA對成骨細胞分化的影響呈現出多維度、多角度的特點。Pei通過細胞實驗證明在骨髓間充質干細胞的表達下調的miR-22可以促進成骨細胞的形成。隨后驗證miR-22的antagomir將前成骨細胞轉化為更分化和礦化的表型，ALP、CBFA1和COL1A1蛋白表達水平的上調。同時miR-22的拮抗因子抑制YWHAZ，增強CBFA1穩定性，促進成骨細胞分化。一些體內實驗表明，miR-22的antagomir可以促進成骨細胞的形成，提高骨強度，逆轉卵巢切除術介導的假小鼠骨丟失[5]。

另一些miRNA對成骨分化具有正調控。研究表明miR-101在人牙囊細胞(DFCs)中通過調節關鍵轉錄因子SATB2表達促進成骨分化過程[6]。Zheng將miR-181a/b-1過表達，發現磷酸酶和緊張素同源物(PTEN)水平被抑制，而PI3K/AKT信號隨后增加。后續研究發現PTEN過表達可減弱miR-181a/b-1的增強作用，進一步證明miR-181a/b-1通過調控PTEN/PI3K/AKT軸增強成骨分化[7]。miR-497通過激活TGF-β1/Smads信號通路促進成骨細胞活力和膠原合成[8]。miR-208a-3p通過靶向ACVR1抑制成骨細胞分化并抑制骨形成，隨后發現通過antagomiR-208a-3p抑制miRNA-208a-3p可能是種改善骨丟失的潛在治療[9]。

信號通路的調節在成骨細胞分化中也有著至關重要的作用，Wnt/β-catenin信號通路在調節成骨細胞分化和成骨基質形成中發揮重要作用[10]。Tang首先通過細胞實驗證明miR-144通過靶向Sfrp1來調控骨髓間充質干細胞增殖，抑制細胞凋亡，誘導成骨分化。隨后在蛋白表達水平上證明了miR-144可能通過激活Wnt/β-catenin通路幫助調節骨質疏松癥[11]。

1.2 miRNA調控破骨細胞

miRNA同樣可以調控破骨細胞的分化。miR-185-3p能夠促進破骨細胞的形成[12]，miR-92-a-1-5p直接靶向COL1A1下調I型膠原的表達，從而促進破骨細胞分化[13]。在人骨質疏松癥患者血液的巨噬細胞中miR-503可使RANK的表達顯著降低，此外，miR-503拮抗劑則通過使小鼠卵巢RANK的表達水平上調從而促進破骨細胞分化[14]。Cheng等在對進行小鼠體外實驗表明miR-21在調節破骨細胞分化、破骨細胞生成的基礎上，通過體內實驗進一步揭示miR-21缺乏可抑制破骨細胞功能，防止小鼠骨丟失。此外，在病理狀態下，敲除miR-21的小鼠對骨量的保護作用顯著。Cheng的實驗首次證明了miR-21作為一種在體內具有促進破骨細胞功能的miRNA，使研究者在miRNA的功能研究上有了更多的思路和突破[15]。

骨骼穩態需要成骨細胞和破骨細胞動態平衡來實現，研究表明破骨細胞可以直接形成成骨細胞。Li發現破骨細胞來源的外泌體miR-214-3p轉移到成骨細胞抑制骨形成，而在破骨細胞中抑制miR-214-3p可能是一種治療骨形成減少的骨骼疾病的策略[16]。Minamizaki 也通過細胞實驗證明miR-125b是小鼠成骨細胞-破骨細胞通信的調節元件，骨基質提供miR-125b的細胞外存儲，在骨吸收中具有功能活性[17]。

MicroRNA通過多種途徑調控成骨細胞以及破骨細胞的形成和分化，影響骨骼發育和修復過程，將成為骨骼相關疾病的潛在治療靶點。

2.miRNA在骨修復及再生中的研究現狀

假體周圍骨溶解（PPO）引起的無菌性松動是一期人工關節置換術的主要原因。研究表明miR-106b抑制磨損顆粒誘導的骨溶解和骨破壞，因此miR-106b可能作為PPO和無菌性松動的潛在治療方法，放療對骨再生能力有負面影響，使腫瘤切除后骨缺損重建困難。用miR-34a模擬物轉染輻射受損的BMSCs，發現miR-34a在照射后的骨形成過程中上調，并且miR-34a通過靶向NOTCH1增強其體外成骨分化，而過表達miR-34a可增強照射后骨髓間充質干細胞的異位骨形成[18]。破骨細胞分化過程中miR-128通過靶向SIRT1抑制其表達，而對小鼠骨丟失起到保護作用[19]，RANKL是一種表達于成骨細胞表面的跨膜蛋白。研究發現抑制miR-182可以使過度的骨形成得以抑制，但并不完全阻斷骨分化和骨重塑，這一過程是通過miR-182直接靶向EIF2AK2，從而調節破骨形成中RANKL實現的[20]。

3.miRNA對相關骨疾病的調控作用

Liu等構建了miR-26a的慢病毒穩株，并通過細胞實驗證明過表達miR-26a可以促進小鼠顱骨骨缺失的骨再生[21]。miR-200c直接靶向SOX2并上調Sox2抑制的Wnt信號通路活性，這表明miR-200c可能作為一種獨特的骨誘導劑應用于骨骼修復和再生[22]。Cui通過熒光素酶報告基因檢測發現biglycan（Bgn）是miR-185的直接靶點，miR-185可通過BMP/Smad途徑促進骨形成，而阻斷miR-185的表達可增加骨質疏松癥期間的骨形成，這一過程是miR-185通過調節Bgn表達和BMP/Smad信號通路來實現的[23]。Saferding發現miR-146a直接靶向WNT1和WNT5a，使與骨合成代謝相關的WNT信號通路在衰老過程中持續激活，導致成骨細胞的生成和活性增加，從而導致骨量增加[24]。Guo發現miR-206-3p是GATA4的重要下游因子，它可以調控口腔頜面間充質干細胞（OMSCs）和破骨細胞的功能[25]。

4.結語

骨代謝是維持骨骼穩態的重要部分，骨相關的生理過程如骨骼的生長發育，骨骼損傷后的修復等都需要對骨代謝相關的基因表達進行精確調控。miRNA及其靶基因作為表觀遺傳學的重要部分，在骨代謝中所發揮的功能也隨著骨及與骨相關疾病研究的深入而愈加直觀。無論是miRNA本身或miRNA之間，或是miRNA通過靶基因調控信號通路調節骨骼相關生理過程，都直接或間接通過哺乳動物成骨細胞、破骨細胞、相關信號通路及細胞因子對骨代謝進行調節。隨著對MicroRNA與骨代謝相關研究的進展，MicroRNA將為骨骼生長、發育和修復提供新思路，MicroRNA靶向藥物也將在各種骨疾病的治療和預后方面有所突破。