重視非編碼RNA在中樞神經(jīng)再生與修復(fù)中的作用研究

賀曉生 蘇鑫洪 (第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

賀曉生，第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)外科第二病區(qū)主任，教授、主任醫(yī)師，博士研究生導(dǎo)師。從事神經(jīng)外科專業(yè)臨床、科研和教學(xué)工作20余年。研究方向：中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤、顱腦損傷、小兒神經(jīng)外科。在腦損傷再生與修復(fù)方面，以創(chuàng)傷性腦損傷的分子機(jī)制為研究重點(diǎn)，從減輕神經(jīng)元損傷、調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞再生、促進(jìn)神經(jīng)軸突再生與致靶等方面進(jìn)行了深入的研究。承擔(dān)科技國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目3項(xiàng)、其他軍隊(duì)、省部級(jí)等課題基金項(xiàng)目10余項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文90余篇，其中在Journal ofNeurosurgery 等SCI期刊發(fā)文20余篇。獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。任中華醫(yī)學(xué)會(huì)神經(jīng)外科分會(huì)神經(jīng)生理監(jiān)測(cè)學(xué)組副主任委員，中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)神經(jīng)損傷培訓(xùn)委員會(huì)委員，中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)神經(jīng)外科醫(yī)師分會(huì)小兒神經(jīng)外科專家委員會(huì)副主任委員、委員，中國(guó)神經(jīng)科學(xué)會(huì)神經(jīng)損傷與修復(fù)分會(huì)委員，中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)陜西分會(huì)顱腦損傷專業(yè)委員會(huì)副主任委員，全軍戰(zhàn)創(chuàng)傷專業(yè)委員會(huì)副主任委員，兼任《中華神經(jīng)外科疾病研究雜志》編委、編輯部主任，以及《中華神經(jīng)醫(yī)學(xué)雜志》、《臨床神經(jīng)外科雜志》編委。教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心通訊評(píng)議專家，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)醫(yī)學(xué)科學(xué)部通訊評(píng)審專家。先后在香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院Queen Mary醫(yī)院、美國(guó)紐約州Rochester大學(xué)醫(yī)學(xué)院Strong紀(jì)念醫(yī)院、德克薩斯州A&M大學(xué)醫(yī)學(xué)院Scott & White紀(jì)念醫(yī)院、賓夕法尼亞州Pittsburgh大學(xué)醫(yī)學(xué)中心(UPMC)Presbyterian醫(yī)院顱底外科中心、南弗羅里達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院Tampa總醫(yī)院做高級(jí)訪問(wèn)學(xué)者。4次分赴澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)出席國(guó)際神經(jīng)創(chuàng)傷學(xué)術(shù)會(huì)議。

·述評(píng)·

重視非編碼RNA在中樞神經(jīng)再生與修復(fù)中的作用研究

賀曉生*蘇鑫洪
(第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院神經(jīng)外科，陜西 西安 710032)

非編碼RNA; 神經(jīng)再生; 神經(jīng)修復(fù)

腦與脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)，其損傷極為常見(jiàn)，致死率和致殘率居各類創(chuàng)傷之首；相比于周圍神經(jīng)系統(tǒng)損傷，中樞神經(jīng)受損后恢復(fù)困難，目前治療仍缺乏突破[1]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)細(xì)胞受損、缺失或死亡,常導(dǎo)致諸多神經(jīng)功能障礙，引起偏癱、失語(yǔ)、智力障礙、昏迷甚至死亡等。其不良預(yù)后與損傷后神經(jīng)再生和修復(fù)能力不足有關(guān)。研究影響中樞神經(jīng)再生與修復(fù)的因素，促進(jìn)損傷后神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)重建和功能修復(fù)，是神經(jīng)科學(xué)研究亟待解決的問(wèn)題之一。

非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)是指一類不被翻譯成蛋白質(zhì)的RNA分子，主要包括微RNA(microRNA，miRNA)、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(long non-coding RNA, lncRNA)、環(huán)狀RNA(circular RNA, circRNA)等多種RNA。人類基因組研究計(jì)劃表明[2]，在組成人類基因組的約30億個(gè)堿基對(duì)中，僅有1.5%的核酸序列是用于蛋白質(zhì)的編碼，75%的基因組序列能夠被轉(zhuǎn)錄成RNA，其中近74%的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為ncRNA。ncRNA的表達(dá)具有典型的時(shí)空特異性和環(huán)境敏感性,參與了表觀遺傳調(diào)節(jié)中的分子募集, 并且在神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)再生、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)連接和突觸可塑性等過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]。上述三種ncRNA在中樞神經(jīng)再生與修復(fù)中的作用，目前已獲得一定關(guān)注；闡明其作用機(jī)理并開(kāi)展臨床應(yīng)用，還需強(qiáng)化認(rèn)識(shí)，深入研究和探討。

一、miRNA

miRNA是一類內(nèi)源性非編碼小單鏈RNA，長(zhǎng)度約20 23個(gè)核苷酸。miRNA通過(guò)與靶基因mRNA的3'非翻譯區(qū)域(3' untranslational region, 3'UTR)結(jié)合，引起目標(biāo)mRNA降解或者轉(zhuǎn)錄后翻譯抑制，從而在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控編碼基因的表達(dá)。雖然miRNA數(shù)量微小，僅占真核生物全部基因組的1%，但調(diào)控的靶基因數(shù)卻可以達(dá)到10%～30%。眾多miRNA中，來(lái)自同一個(gè)基因簇中的miRNA具有較強(qiáng)的同源性，基因結(jié)構(gòu)和功能在進(jìn)化中呈現(xiàn)保守性，在發(fā)育時(shí)間空間上呈現(xiàn)特異性[4]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)，miRNA廣泛參與調(diào)控神經(jīng)發(fā)育的多個(gè)階段，包括神經(jīng)模式?jīng)Q定、神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells, NSCs)分化的命運(yùn)、神經(jīng)元細(xì)胞的特化和同一性維持、軸突生長(zhǎng)錐的引導(dǎo)及路徑發(fā)現(xiàn)等。在成熟的神經(jīng)元中，miRNA也有重要的調(diào)節(jié)作用，包括突觸可塑性和長(zhǎng)期記憶的維持等。目前的研究多集中在miRNA對(duì)神經(jīng)元軸突再生和生長(zhǎng)錐引導(dǎo)上，miRNA-21在損傷后的DRG(dorsal root ganglia)神經(jīng)元中迅速上調(diào)，可通過(guò)靶向調(diào)節(jié)Sprouty2 促進(jìn)DRG神經(jīng)突起的再生[5]。miRNA-124下游的神經(jīng)元限制性沉默因子(repressor element silencing transcription factor, REST)通過(guò)與其共抑制因子CoREST結(jié)合，形成REST/CoREST調(diào)節(jié)子，共同抑制神經(jīng)元特異性基因的表達(dá)，在引導(dǎo)軸突生長(zhǎng)錐的導(dǎo)向致靶過(guò)程中發(fā)揮重要作用[6,7]。同時(shí)，miRNA-124還參與調(diào)控NSCs的分化潛能，可定向誘導(dǎo)NSCs向神經(jīng)元分化，減少其向膠質(zhì)細(xì)胞方向分化，主要涉及的靶基因有REST/CoREST、RNA聚合酶Ⅱ的C端結(jié)構(gòu)域的多肽磷酯酶1、多聚嘧啶通道結(jié)合蛋白1和果蠅zeste基因增強(qiáng)子同源物2等[8～10]。miRNA-222通過(guò)磷酸酶-同源性張力蛋白調(diào)節(jié)cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)磷酸化，強(qiáng)化神經(jīng)元興奮性遞質(zhì)傳遞，促進(jìn)突觸連接的建立和新生神經(jīng)元整合入宿主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]。此外， miRNA-145、miRNA-138和miRNA-132 等分別可通過(guò)下游Robo2、Sirtuin type 1和Rasa1靶基因參與調(diào)控軸突再生[12～14]。

二、lncRNA

lncRNA是一類轉(zhuǎn)錄后長(zhǎng)度在200 至數(shù)千個(gè)核苷酸，且不表現(xiàn)任何蛋白質(zhì)編碼潛能的ncRNA。lncRNA在轉(zhuǎn)錄起始與延伸過(guò)程中,由RNA聚合酶Ⅱ合成,并經(jīng)組蛋白修飾后產(chǎn)生。具有5'末端甲基鳥(niǎo)苷帽式結(jié)構(gòu)和多聚腺嘌呤尾結(jié)構(gòu)，缺乏可延伸的開(kāi)放閱讀框是lncRNA 的一個(gè)基本特征[15]。它是ncRNA家族中最大的一類RNA。

研究發(fā)現(xiàn)：多種lncRNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)呈特異性表達(dá)[16]，并且lncRNA在不同類型和不同發(fā)育階段的中樞神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)呈差異化表達(dá)[17]，參與調(diào)控神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中蛋白編碼基因，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞固有形態(tài)和特征的維持具有重要作用[18]，這些都表明lncRNA在中樞神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中扮演重要作用。此外，lncRNA不僅能夠調(diào)控NSCs的干性，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)再生過(guò)程中的靶蛋白來(lái)調(diào)控NSCs的增殖與分化。在Hjelm 等[19]的研究中，采用RNA測(cè)序技術(shù)，分析了具有多向分化潛能的神經(jīng)前體細(xì)胞(induced pluripotent stem cells-neural progenitor cells，IPS-NPCs)、IPS-NPCs分化產(chǎn)生的未成熟神經(jīng)元、大腦皮質(zhì)成熟神經(jīng)元等三種細(xì)胞內(nèi)的lncRNA表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)大腦皮質(zhì)成熟神經(jīng)元的70余 種lncRNA 較IPS-NPCs明顯下調(diào)，其中86%的lncRNA 變化趨勢(shì)與IPS-NPCs及未成熟神經(jīng)元中l(wèi)ncRNA 的變化趨勢(shì)相同。同時(shí)，成熟神經(jīng)元有148 種lncRNA較IPS-NPCs顯著上調(diào)，其中，有64% 的lncRNA變化趨勢(shì)與IPS-NPCs及未成熟神經(jīng)元中l(wèi)ncRNA 的變化趨勢(shì)相同。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些上調(diào)的lncRNA 與新生神經(jīng)元之間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系密切，表明lncRNA的激活與失活參與調(diào)控NSCs向神經(jīng)元的分化過(guò)程。

目前對(duì)lncRNA的研究還比較困難，主要原因在于lncRNA的表達(dá)豐度很低；序列的保守性差，在不同物種間其功能不能類推；其表達(dá)易受大環(huán)境和微環(huán)境因素的影響；作用的方式具有多樣性和復(fù)雜性。同時(shí)，研究lncRNA的技術(shù)手段也存在局限性，比如對(duì)lncRNA高級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)尚無(wú)可靠的技術(shù)方案；對(duì)RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體的鑒定和功能研究也存在技術(shù)操作復(fù)雜、敏感性和成功率低的特點(diǎn)；且相當(dāng)比例的lncRAN存在于細(xì)胞核中，如何高效抑制這部分基因表達(dá)是目前研究的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

三、circRNA

circRNA是近幾年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一類新型閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)非編碼RNA分子。它是由特定的剪接機(jī)制形成的包含一個(gè)以上外顯子環(huán)化構(gòu)成環(huán)狀RNA，大量存在于真核轉(zhuǎn)錄組，是目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)分子[20]。circRNA在神經(jīng)系統(tǒng)的組織特異性、時(shí)序特異性和高穩(wěn)定性等特征，使其在神經(jīng)再生與修復(fù)的研究中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[21]。

circRNA分子中含有miRNA結(jié)合位點(diǎn)，一旦它們發(fā)生相互作用，形成circRNA-miRNA-mRNA作用網(wǎng)絡(luò)，可抵消miRNA對(duì)靶基因的抑制作用，并增加靶基因的表達(dá)水平[22]。Hansen等[23]與Rajewsky等[24]研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚(yú)過(guò)表達(dá)對(duì)miRNA-7具有海綿作用的circRNA(circular RNA sponge for miRNA-7 ，ciRS-7)后，與敲除miRNA-7的效果類似，可改變大腦發(fā)育速度和方向。circRNA在對(duì)miRNA發(fā)揮的海綿作用過(guò)程中，實(shí)際扮演著競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(competing endogenous RNAs, ceRNA)的角色，可競(jìng)爭(zhēng)性抑制miRNA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，發(fā)揮生物學(xué)功能[25]。這種作用實(shí)際上代表了一類新型的ceRNA調(diào)節(jié)物。相比較于其他類型的ceRNA調(diào)節(jié)物，它又具有在細(xì)胞中高表達(dá)和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能提供更多的miRNA結(jié)合位點(diǎn)，能更加快速、有效和穩(wěn)定地調(diào)控miRNA的作用，這為研究miRNA調(diào)控神經(jīng)再生與修復(fù)的機(jī)理提供了新的思路和方法。

雖然環(huán)狀RNA不被RNA酶降解，比線性RNA具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，其分離、鑒定和檢測(cè)較為容易可靠，但目前的研究大多處于起步階段，其命名系統(tǒng)也尚無(wú)明確規(guī)定。circRNA的具體生成機(jī)制仍不明確，涉及到的剪切信號(hào)及穩(wěn)定性調(diào)控等仍有待進(jìn)一步探究。circRNA在發(fā)揮miRNA“海綿”作用的吸附及釋放過(guò)程中的信號(hào)調(diào)控尚不清楚。circRNA是否可以作為理想的新型臨床診斷生物標(biāo)記物，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷還不為人知。關(guān)于circRNA的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)尚未完全建立，因此導(dǎo)致circRNA的研究進(jìn)展比較緩慢。

綜上所述，越來(lái)越多的證據(jù)表明，ncRNA在調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、穩(wěn)態(tài)、可塑性和多種疾病的病理生理過(guò)程中具有重要的作用。然而，目前對(duì)ncRNA在中樞神經(jīng)再生與修復(fù)中的作用研究尚處于起步階段，絕大部分ncRNA的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能尚未闡明。深入研究神經(jīng)損傷后的ncRNA表達(dá)變化和相互之間的作用機(jī)理，可為中樞神經(jīng)再生與修復(fù)提供新的研究思路和治療策略。相信隨著ncRNA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中作用的不斷揭示，將有助于深入了解調(diào)控神經(jīng)再生與修復(fù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，并終將為人類中樞神經(jīng)損傷的康復(fù)帶來(lái)福音。

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1671-2897(2016)15-193-03

R 651

C

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81471264)

賀曉生，教授、主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師， E-mail: hexiaos@fmmu.edu.cn

*通訊作者：賀曉生，教授、主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師， E-mail: hexiaos@fmmu.edu.cn

2016-01-10；

2016-05-23)

文章編號(hào)：1671-2897(2016)15-196-05