微RNA調(diào)控突觸可塑性的研究進(jìn)展

周芮，郝雷，王帆

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，呼和浩特 010110； 2.北京回龍觀醫(yī)院精神醫(yī)學(xué)研究中心，北京 100096)

微RNA(microRNA，miRNA)是一小段非編碼RNA，在基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控中起重要作用。目前已知超過(guò)1 000多種miRNA控制著50%以上蛋白質(zhì)編碼基因。隨著對(duì)miRNA研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)miRNA參與突觸可塑性的復(fù)雜調(diào)節(jié)過(guò)程[1]。突觸可塑性是神經(jīng)可塑性的一種表現(xiàn)形式，在維持正常神經(jīng)生理功能中起重要作用。突觸可塑性主要分為結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性，結(jié)構(gòu)可塑性主要指突觸通過(guò)主動(dòng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變化來(lái)調(diào)節(jié)突觸形態(tài)和數(shù)量，包括樹(shù)突棘形態(tài)的修飾等。樹(shù)突棘是大腦信息連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其兩種形態(tài)(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動(dòng)態(tài)改變會(huì)導(dǎo)致突觸可塑性的異常[2]。微管解聚的動(dòng)態(tài)變化是樹(shù)突棘兩種形態(tài)之間快速變化的分子機(jī)制[3]，而miRNA通過(guò)調(diào)控樹(shù)突棘形態(tài)影響突觸可塑性[4]。功能可塑性主要指突觸神經(jīng)元的神經(jīng)活動(dòng)，如長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)等。miRNA通過(guò)N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑-丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid，AMPA)受體等蛋白調(diào)控樹(shù)突棘上鈣離子通道開(kāi)放和關(guān)閉，并維持LTP[5]。另外，miRNA可通過(guò)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)/原肌球蛋白受體激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)以及BDNF/p75非翻譯區(qū)(untranslated region，UTR)兩種傳導(dǎo)通路調(diào)節(jié)突觸可塑性[6]。現(xiàn)對(duì)miRNA調(diào)控突觸可塑性的研究進(jìn)展予以綜述，以期為miRNA針對(duì)突觸可塑性功能失調(diào)所致相關(guān)疾病的研究提供新的理論依據(jù)。

1 miRNA概述

非編碼RNA在基因組中占據(jù)很大比例，其中miRNA(大約22個(gè)核苷酸長(zhǎng)度)存在廣泛且進(jìn)化保守，是參與基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的一類非編碼RNA。miRNA轉(zhuǎn)錄與信使RNA(messenger RNA，mRNA)結(jié)合的過(guò)程[7]如下：miRNA首先在細(xì)胞核中被RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄為較長(zhǎng)的初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物，隨后由Drosha/DiGeorge酶及其輔因子DGCr8亞基組成的復(fù)合物切割為前體miRNA，前體miRNA通過(guò)exportin-5/RanGTP酶以鳥(niǎo)嘌呤依賴方式從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)，并被RNA聚合酶Ⅲ Dicer切割為成熟miRNA；成熟miRNA解旋雙鏈，其中一鏈與Argonaute蛋白結(jié)合，另一鏈則被降解；Argonaute蛋白和miRNA結(jié)合形成的復(fù)合物被稱為RNA沉默復(fù)合物，其可以很容易地與靶mRNA的3′UTR片段配對(duì)，從而發(fā)揮基因表達(dá)沉默劑的作用[8]。

miRNA對(duì)mRNA的作用機(jī)制有兩種：切割降解靶mRNA或抑制蛋白翻譯。目前認(rèn)為，miRNA與mRNA完全互補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致靶mRNA降解，而不完全互補(bǔ)會(huì)導(dǎo)致翻譯受阻[9]，表明miRNA以“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”的二元方式靶向基因表達(dá)的沉默作用。而另有觀點(diǎn)認(rèn)為，各種類型細(xì)胞中miRNA對(duì)mRNA的沉默作用很少符合“開(kāi)或關(guān)”二分法。miRNA不會(huì)完全沉默靶mRNA，而是降低其表達(dá)[7]。由于miRNA結(jié)合mRNA的不完全互補(bǔ)性，單個(gè)miRNA有可能與數(shù)百種靶mRNA配對(duì)并調(diào)控基因表達(dá)。因此，需要一種同時(shí)操縱多個(gè)miRNA靶向表達(dá)的技術(shù)，以全面了解單個(gè)miRNA的功能。

2 miRNA與突觸可塑性

大腦中的miRNA參與了多種神經(jīng)元發(fā)生過(guò)程，包括樹(shù)突形成及突觸可塑性功能的調(diào)節(jié)等。已有多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，miRNA與突觸可塑性密不可分。研究表明，抑制miR-219表達(dá)可以修復(fù)輻射所致的突觸可塑性功能損傷[10]。目前尚無(wú)實(shí)驗(yàn)證明miRNA以成熟miRNA的形式直接靶向并運(yùn)輸?shù)綐?shù)突末梢而發(fā)揮作用。有研究認(rèn)為，miRNA以前體miRNA的形式轉(zhuǎn)運(yùn)，前體miRNA是成熟miRNA在特定位置儲(chǔ)存的一種方式[11]。樹(shù)突末梢中前體miRNA轉(zhuǎn)運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)是可在需要時(shí)局部快速轉(zhuǎn)化為成熟miRNA。此外，深入了解miRNA的相關(guān)生物學(xué)特性可為miRNA參與并調(diào)節(jié)突觸可塑性(如樹(shù)突棘密度和形態(tài)、LTP以及突觸可塑性相關(guān)蛋白)的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.1miRNA對(duì)樹(shù)突棘形態(tài)的影響 突觸可塑性即神經(jīng)元突觸數(shù)量和形態(tài)的改變能力，指神經(jīng)系統(tǒng)基本組成細(xì)胞之間信息傳遞程度的可調(diào)節(jié)性(包括結(jié)構(gòu)可塑性與傳遞效能)。星形膠質(zhì)細(xì)胞是參與結(jié)構(gòu)可塑性調(diào)節(jié)的主要細(xì)胞，其功能包括與突觸廣泛接觸、釋放可溶性因子及增加突觸數(shù)量[12]，并通過(guò)建立突觸屏障限制神經(jīng)遞質(zhì)向鄰近突觸傳播以及促進(jìn)樹(shù)突棘的發(fā)育與成熟。樹(shù)突棘是樹(shù)突分支末梢伸向遠(yuǎn)端的細(xì)小凸起，其密度和形態(tài)呈高度動(dòng)態(tài)改變[13]。樹(shù)突棘中miRNA含量豐富，可通過(guò)調(diào)控樹(shù)突棘形態(tài)變化影響突觸可塑性功能[14]。miR-34c表達(dá)可以調(diào)控樹(shù)突棘兩種形態(tài)(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動(dòng)態(tài)變化[15]。同樣，miR-132和miR-134均參與樹(shù)突棘形態(tài)變化的調(diào)節(jié)[16]，其中miR-134可由Limk1蛋白介導(dǎo)調(diào)節(jié)絲狀偽足和蘑菇型棘刺的數(shù)量。可見(jiàn)，miR-134過(guò)表達(dá)可顯著影響樹(shù)突棘密度及突觸傳遞效率，并可在樹(shù)突棘發(fā)育及突觸可塑性中起負(fù)性調(diào)節(jié)作用[17]。絲狀偽足是最小的樹(shù)突棘形態(tài)結(jié)構(gòu)，常處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)形成并消失，而較大蘑菇型棘刺可在數(shù)月甚至數(shù)年內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。上述兩種獨(dú)特形態(tài)的互相轉(zhuǎn)化取決于細(xì)胞骨架的重塑作用，其中Rho GTP酶在調(diào)控細(xì)胞骨架的重組方面起重要作用[18]。Rho GTP酶超家族(包括Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1和細(xì)胞分裂周期蛋白42等)在調(diào)節(jié)神經(jīng)元細(xì)胞遷移、神經(jīng)突生長(zhǎng)以及突觸可塑性中起關(guān)鍵作用。miR-124可通過(guò)減少Ras相關(guān)的C3肉毒素底物1和細(xì)胞分裂周期蛋白42信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制樹(shù)突棘形成，影響突觸可塑性[19]。可見(jiàn)，miRNA可通過(guò)Rho GTP酶調(diào)控細(xì)胞骨架重塑作用，從而改變樹(shù)突棘棘刺形態(tài)影響突觸可塑性。

2.2miRNA對(duì)細(xì)胞骨架重塑的影響 細(xì)胞骨架幫助生命體建立穩(wěn)定的細(xì)胞形狀并維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性。微管聚合和解離的動(dòng)態(tài)變化對(duì)細(xì)胞骨架重塑有重要影響，在維持細(xì)胞眾多生理方面都是必需的[20]。真核生物具有豐富且復(fù)雜的細(xì)胞骨架成分，其中包括肌動(dòng)蛋白絲、中間絲和微管等聚合物等。微管是細(xì)胞中普遍存在的由重復(fù)亞基組成的細(xì)胞骨架聚合物，主要包括αβ-微管蛋白二聚體(110 ku)的極性聚合物，其在γ-微管蛋白復(fù)合物的幫助下圍繞中心體首尾相連形成微管蛋白原纖維。微管時(shí)刻處于聚合和解離的高度不穩(wěn)定狀態(tài)中，具有生長(zhǎng)快且解離慢的(+)端和生長(zhǎng)慢且解離快的(-)端。微管聚集和解離具有動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性，整個(gè)過(guò)程受到微管相關(guān)蛋白的調(diào)控[21]。微管相關(guān)蛋白至少包含一個(gè)結(jié)合微管的結(jié)構(gòu)域和一個(gè)向外突出的結(jié)構(gòu)域(如Tau蛋白)與質(zhì)膜等其他細(xì)胞成分結(jié)合。Tau蛋白在神經(jīng)元中高度表達(dá)，可直接與微管結(jié)合并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和功能[22]。miRNA可通過(guò)影響微管聚集和解聚的動(dòng)態(tài)過(guò)程影響突觸可塑性。miR-425-5p表達(dá)上調(diào)可激活Tau蛋白磷酸化表達(dá)，影響微管動(dòng)態(tài)平衡及突觸可塑性[23]。相關(guān)研究表明，miR-326可抑制Tau蛋白磷酸化，阻斷c-Jun氨基端激酶信號(hào)通路，激活改善小鼠突觸可塑性功能[24]。miR-200a-3p通過(guò)抑制蛋白激酶A信號(hào)通路使Tau蛋白過(guò)度磷酸化，從而改善突觸可塑性[25]。

樹(shù)突和軸突均含有大量的微管，而樹(shù)突中含微管更多。但并不意味著多量的微管一定會(huì)聚集為樹(shù)突棘棘刺。目前大部分觀點(diǎn)認(rèn)為，樹(shù)突棘兩種不同形態(tài)之間的快速變化是大量微管在肌動(dòng)蛋白幫助下靶向聚合為不同形狀棘刺的結(jié)果[26]。

2.3miRNA對(duì)LTP的影響 LTP是突觸傳遞效能的調(diào)節(jié)方式之一，也是功能可塑性的表現(xiàn)形式之一。LTP電生理機(jī)制可促進(jìn)樹(shù)突棘棘刺增大和新棘形成，表明高頻刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生LTP是樹(shù)突棘形態(tài)和功能變化的關(guān)鍵[27]。LTP對(duì)樹(shù)突棘密度及棘刺形態(tài)的影響與突觸后致密蛋白(postsynaptic density protein，PSD)密切相關(guān)[28]。成熟樹(shù)突棘為球狀小頭，PSD是樹(shù)突棘小頭上具有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和接收功能的興奮性突觸后膜電子致密結(jié)構(gòu)。目前關(guān)于PSD的研究包含上千種不同蛋白質(zhì)，包括NMDA、AMPA和PSD95等，這些蛋白成分可使神經(jīng)沖動(dòng)由電信號(hào)轉(zhuǎn)換為化學(xué)信號(hào)，影響樹(shù)突棘棘刺形成和成熟發(fā)育[29]。

miRNA可影響PSD家族的表達(dá)，前體miRNA不會(huì)在神經(jīng)元胞體中加工為成熟miRNA，而是被運(yùn)送到樹(shù)突棘中儲(chǔ)存，故推測(cè)前體miRNA是miRNA的儲(chǔ)存形式，且與PSD密切相關(guān)[30]。miR-485對(duì)PSD95水平和樹(shù)突棘形態(tài)產(chǎn)生重要影響[31]。現(xiàn)有研究表明，CA1錐體神經(jīng)元中產(chǎn)生LTP的機(jī)制是Schaffer側(cè)支束高頻刺激誘導(dǎo)的鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ激活細(xì)胞內(nèi)Ca2+離子通路引發(fā)的一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致AMPA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流增強(qiáng)[32]。動(dòng)物研究表明，APP23/PS45轉(zhuǎn)基因阿爾茨海默病模型小鼠腦中瞬時(shí)受體電位香草酸亞型1表達(dá)上調(diào)可抑制AMPAR內(nèi)吞作用，有助于改善認(rèn)知功能和突觸可塑性[33]。miR-132和miR-212均源自同一個(gè)非編碼基因內(nèi)含子，可作用于影響突觸可塑性的共同靶標(biāo)，并可抑制LTP和海馬突觸傳遞，這可能與AMPA受體減少有關(guān)[34]。另外，AMPA受體的活性可能受到NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流激活的影響[35]。

目前認(rèn)為，LTP調(diào)控肌動(dòng)蛋白池是微管聚合或解離為樹(shù)突棘棘刺的關(guān)鍵。樹(shù)突棘上存在兩種肌動(dòng)蛋白池，即穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)，穩(wěn)態(tài)可在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持樹(shù)突棘棘刺的穩(wěn)定，激發(fā)態(tài)肌動(dòng)蛋白池可瞬間改變樹(shù)突棘形態(tài)[26]。LTP誘導(dǎo)樹(shù)突棘棘刺頭部增大的同時(shí)刺激NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+門控通道內(nèi)流增強(qiáng)，促使穩(wěn)態(tài)肌動(dòng)蛋白池迅速轉(zhuǎn)為激發(fā)態(tài)，幫助改變樹(shù)突棘棘刺的形態(tài)[36]。在LTP繼續(xù)維持過(guò)程中，NMDA受體引起的Ca2+門控通道內(nèi)流會(huì)很快恢復(fù)至基礎(chǔ)水平，進(jìn)而AMPA受體逐步增加內(nèi)吞作用回收細(xì)胞內(nèi)的Ca2+，使肌動(dòng)蛋白池從激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)[37]。這一過(guò)程伴隨著微管的迅速聚合和解聚，可在短時(shí)間內(nèi)形成不同形狀樹(shù)突棘棘刺，故認(rèn)為NMDA受體及AMPA受體介導(dǎo)的Ca2+門控通道在維持樹(shù)突棘形態(tài)正常功能中起重要作用。

2.4miRNA對(duì)BDNF蛋白通路的影響 BDNF是一種在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛存在并表達(dá)的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白。胞質(zhì)中BDNF轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物首先由高爾基體加工為BDNF前體，隨后進(jìn)一步裂解形成成熟BDNF。出生早期，BDNF前體濃度較高；而成年期，成熟BDNF濃度較高，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)和突觸可塑性的重要作用[38]。成熟BDNF和BDNF前體分別分泌到細(xì)胞外與其同源受體結(jié)合啟動(dòng)相應(yīng)的生理學(xué)功能。生理情況下，BDNF前體優(yōu)先與其腫瘤壞死因子家族中p75 UTR結(jié)合并相互作用。動(dòng)物研究表明，敲除p75 UTR基因突變雄性小鼠突觸可塑性的維持依賴于海馬環(huán)腺苷酸(cyclic adenylic acid,cAMP)-cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白-BDNF通路傳導(dǎo)的增強(qiáng)[39]。此外，BDNF/p75 UTR/sortilin信號(hào)通路的激活可影響Rho GTP酶水平以及細(xì)胞骨架蛋白的形成[40]。而成熟BDNF通過(guò)結(jié)合TrkB受體使其磷酸化，并可激活多種酶，如磷脂酰肌醇-3-激酶和Rho GTP酶，其中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號(hào)通路可調(diào)節(jié)NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流，影響LTP的維持與發(fā)生[41]，而Rho GTP酶可通過(guò)刺激肌動(dòng)蛋白和微管合成影響樹(shù)突棘形態(tài)[42]。持續(xù)激活TrkB通路可促進(jìn)樹(shù)突的穩(wěn)定形成，而瞬時(shí)激活TrkB可促進(jìn)樹(shù)突棘棘刺形態(tài)發(fā)生偽狀絲足。LTP高頻刺激可誘導(dǎo)BDNF/TrkB傳導(dǎo)通路由瞬時(shí)態(tài)轉(zhuǎn)換為持續(xù)態(tài)，樹(shù)突棘棘刺形態(tài)由絲狀偽足變?yōu)槟⒐叫图蘙43]。NMDA受體介導(dǎo)的Ca2+內(nèi)流異常可促進(jìn)cAMP-cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白-BDNF通路的活化，引起B(yǎng)DNF/TrkB信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路失調(diào)，降低BDNF表達(dá)水平[44]。麻醉和手術(shù)引起的神經(jīng)炎癥使NMDA受體過(guò)度活化，進(jìn)而引發(fā)依賴性鈣通道酶的過(guò)度活化，BDNF/TrkB通路信號(hào)失調(diào)導(dǎo)致樹(shù)突棘丟失、突觸可塑性受損及認(rèn)知障礙[45]。故推測(cè)，樹(shù)突棘的發(fā)育過(guò)程是不穩(wěn)定絲狀偽足發(fā)育為成熟穩(wěn)定的蘑菇型棘刺并反復(fù)強(qiáng)化刺激的過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是將短期記憶轉(zhuǎn)為長(zhǎng)期記憶的過(guò)程。基于上述理論認(rèn)為，BDNF是海馬長(zhǎng)期記憶形成的重要調(diào)節(jié)劑，而長(zhǎng)期記憶的形成有賴于穩(wěn)定的蘑菇型棘刺。

BDNF通過(guò)作用于特定miRNA調(diào)節(jié)mRNA的翻譯。BDNF和miRNA之間存在負(fù)反饋回路調(diào)節(jié)，并在正常細(xì)胞中保持平衡狀態(tài)。海馬CA1區(qū)中miR-134的過(guò)度表達(dá)導(dǎo)致cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白和BDNF水平降低，損害LTP和長(zhǎng)期記憶形成[46]。在卵巢切除術(shù)后睡眠不足母鼠海馬中，miR-191a可能會(huì)調(diào)節(jié)BDNF的水平[47]。嗅球、海馬和紋狀體中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)激活cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白/BDNF通路調(diào)控miR-132水平，進(jìn)而影響突觸可塑性相關(guān)蛋白的合成，改善突觸可塑性及學(xué)習(xí)記憶功能[48]。miR-146a和miR-181a通過(guò)復(fù)雜的通路調(diào)節(jié)BDNF的表達(dá)，在突觸可塑性中起重要作用[49]。miRNA與mRNA的結(jié)合不完全互補(bǔ)，故miRNA可以調(diào)控BDNF的許多不同靶標(biāo)，并精細(xì)調(diào)控BDNF的表達(dá)。

3 小 結(jié)

成熟miRNA可能以前體miRNA形式運(yùn)輸?shù)缴窠?jīng)元樹(shù)突棘并儲(chǔ)存在特定位置。miRNA與mRNA的結(jié)合存在不完全互補(bǔ)性，單個(gè)miRNA可能靶向調(diào)控?cái)?shù)百種mRNA的表達(dá)。因此，需要同時(shí)操縱多個(gè) miRNA靶向表達(dá)技術(shù)(即高通量技術(shù))才能了解單個(gè)miRNA的功能。miRNA可通過(guò)3種方式(調(diào)控微管動(dòng)態(tài)聚集和解離、LTP誘導(dǎo)樹(shù)突棘突觸后致密蛋白介導(dǎo)的Ca2+門控通道、BDNF/TrkB傳導(dǎo)通路從瞬時(shí)態(tài)轉(zhuǎn)為持續(xù)態(tài))影響樹(shù)突棘密度和形態(tài)，進(jìn)而影響突觸可塑性，而B(niǎo)DNF/TrkB傳導(dǎo)通路從瞬時(shí)態(tài)轉(zhuǎn)為持續(xù)態(tài)可能是短期記憶轉(zhuǎn)為長(zhǎng)期記憶的理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)miRNA在突觸可塑性中作用機(jī)制的研究，擴(kuò)大了miRNA對(duì)突觸可塑性疾病發(fā)病機(jī)制問(wèn)題及臨床治療相關(guān)策略的理論研究，為miRNA影響突觸可塑性導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶功能障礙提供了新思路。