miRNA的功能及其在退行性骨關(guān)節(jié)疾病和骨質(zhì)疏松癥中的研究進(jìn)展

孫浩遠(yuǎn)，劉寧

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，哈爾濱 150001)

退行性骨關(guān)節(jié)疾病也稱為骨性關(guān)節(jié)病或退行性骨關(guān)節(jié)炎，是一類與年齡相關(guān)的退行性病變，好發(fā)于承重關(guān)節(jié)(如髖、膝、踝關(guān)節(jié))，一般表現(xiàn)為關(guān)節(jié)軟骨磨損退變導(dǎo)致相應(yīng)關(guān)節(jié)的疼痛與功能受限，與負(fù)重活動(dòng)、季節(jié)變化、性別年齡等因素相關(guān)；主要病理變化為軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的漸進(jìn)性破壞、滑膜增生、軟骨及軟骨下骨失去原有形態(tài)等[1-2]。骨質(zhì)疏松癥是一種以低骨量和骨組織微結(jié)構(gòu)破壞為特征，導(dǎo)致骨質(zhì)脆性增加和易于骨折的全身性骨代謝性疾病，以漸進(jìn)性骨量減少、關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)受限為主要表現(xiàn)。隨著我國(guó)老齡人口不斷增加，骨質(zhì)疏松癥患者日益增多，在發(fā)病過(guò)程中骨穩(wěn)態(tài)失衡起重要作用，骨穩(wěn)態(tài)即成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)的骨吸收之間的動(dòng)態(tài)平衡[3]。微RNA(microRNA，miRNA)是一類存在于真核生物中，并通過(guò)降解靶信使RNA來(lái)調(diào)控生命過(guò)程的小分子RNA，參與了細(xì)胞的分化、凋亡及瘤變等過(guò)程[4]，尤其在退行性骨關(guān)節(jié)疾病和骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生、發(fā)展中成為研究熱點(diǎn)。有研究報(bào)道，作為調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡過(guò)程的重要成員，miRNA對(duì)關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)和軟骨細(xì)胞的代謝以及骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生、發(fā)展也有一定影響[5]?，F(xiàn)就miRNA的功能及其在退行性骨關(guān)節(jié)疾病和骨質(zhì)疏松癥中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 miRNA與退行性骨關(guān)節(jié)疾病

退行性骨關(guān)節(jié)疾病與社會(huì)人口的老齡化息息相關(guān)，主要病因?yàn)樗ダ蠈?dǎo)致的關(guān)節(jié)軟骨自我修復(fù)和分解代謝的失衡，這種變化的起始原因?yàn)槭芗?xì)胞信號(hào)通路和能量代謝介導(dǎo)的軟骨細(xì)胞的活性下降，凋亡增加，從而引起細(xì)胞外基質(zhì)的降解，最終導(dǎo)致軟骨變形、塌陷、退化[6]。隨著研究的深入，miRNA由于在基因表達(dá)后蛋白轉(zhuǎn)錄水平時(shí)所發(fā)揮的作用逐漸被學(xué)者們認(rèn)識(shí)，在一些疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中，miRNA參與了細(xì)胞的諸多生物學(xué)過(guò)程(如關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞退變)[7]。其中，部分miRNA對(duì)關(guān)節(jié)軟骨起保護(hù)作用，首先miRNA可促進(jìn)軟骨的發(fā)育，組蛋白脫乙?；?作為miRNA的作用靶點(diǎn)能夠抑制軟骨細(xì)胞退變[8]；而在退行性骨關(guān)節(jié)疾病患者中，隨著特異性miRNA表達(dá)減少，關(guān)節(jié)表面纖維化與細(xì)胞外基質(zhì)塌陷[9]。白細(xì)胞介素-1β作為炎癥因子能夠刺激人正常軟骨細(xì)胞基質(zhì)金屬蛋白酶13的表達(dá)上調(diào)，在破壞軟骨細(xì)胞的同時(shí)引起miR-27B表達(dá)下調(diào)[10]。而有些miRNA也參與了軟骨病變以及由骨關(guān)節(jié)病導(dǎo)致的疼痛，繼而損傷關(guān)節(jié)軟骨，包括影響腫瘤壞死因子-α、環(huán)加氧酶2、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶等因子的表達(dá)[11]。此外，與軟骨基質(zhì)合成密切相關(guān)的Ⅱ型膠原以及蛋白聚糖的合成與降解也能受到miRNA的正向或負(fù)向調(diào)節(jié)[12]。

miRNA也能夠通過(guò)調(diào)控細(xì)胞自噬效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)軟骨代謝。有研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞自噬效應(yīng)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞在應(yīng)激過(guò)程中具有一定的保護(hù)作用[13]，能夠緩解骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)生中的炎癥反應(yīng)[14]。另有學(xué)者報(bào)道，通過(guò)抑制miR-30b上調(diào)自噬能夠延緩軟骨的退變，并能抑制腫瘤壞死因子-α誘導(dǎo)的小鼠胚胎瘤細(xì)胞ATDC5的凋亡，故有希望通過(guò)該通路治療骨關(guān)節(jié)炎[15]。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，miR-155在骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞中過(guò)量表達(dá)，而其調(diào)控的自噬基因包括自噬相關(guān)蛋白(autophagy-related protein，ATG)1、叉頭框蛋白3、ATG14和ATG5等[16]。有文獻(xiàn)報(bào)道，軟骨低氧環(huán)境下誘導(dǎo)的miR-146a表達(dá)能對(duì)細(xì)胞自噬起正向調(diào)節(jié)作用，同時(shí)通過(guò)負(fù)向調(diào)節(jié)凋亡基因Bcl-2來(lái)保護(hù)軟骨，延緩軟骨的退變[17]。可見，miRNA在調(diào)節(jié)軟骨代謝中起重要作用，且可以通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的調(diào)節(jié)來(lái)緩解骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生、發(fā)展。目前報(bào)道認(rèn)為，氧代謝、細(xì)胞自噬、表觀遺傳學(xué)改變以及miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是骨關(guān)節(jié)炎未來(lái)的靶向治療手段[18]。miR-34a屬于miR-34s家族的成員，其主要功能為抑制靶基因的翻譯或促進(jìn)靶基因的降解，對(duì)細(xì)胞的增殖起抑制作用[19]。目前，關(guān)于miR-34a生物學(xué)及分子功能的相關(guān)研究主要集中于對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)阻滯、細(xì)胞凋亡與衰老的調(diào)控等方面[20]。尤其在腫瘤細(xì)胞的增殖方面，miR-34a的抑癌作用最早應(yīng)用于神經(jīng)母細(xì)胞瘤的研究，結(jié)果表明，miR-34a在腫瘤增殖旺盛時(shí)表達(dá)顯著減少[21]。也有研究表明，在食管癌的瘤組織中miR-34a的表達(dá)也顯著減少[22]。此外，miR-34a作為p53基因的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)能受到p53基因調(diào)節(jié)，繼而影響腫瘤細(xì)胞的增殖、凋亡過(guò)程[20]，這種現(xiàn)象被學(xué)者在肝癌、卵巢癌及腎癌等中相繼發(fā)現(xiàn)[23-24]。而在生物輻射的研究方面，miR-34a是第一個(gè)被鑒定出來(lái)的輻射誘導(dǎo)性miRNA。研究發(fā)現(xiàn)，射線照射大鼠可誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)周期內(nèi)miR-34家族的表達(dá)，并以p53基因依賴方式遞增[25]。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究揭示了miR-34a參與了軟骨細(xì)胞的凋亡，并通過(guò)影響多個(gè)信號(hào)通路成為誘導(dǎo)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生、發(fā)展的重要因素之一。在大鼠軟骨細(xì)胞中，miR-34a能夠調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶13和Ⅱ型膠原α1蛋白的平衡，過(guò)表達(dá)miR-34a能上調(diào)靶基因基質(zhì)金屬蛋白酶13，并下調(diào)Ⅲ型膠原α1蛋白基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)軟骨細(xì)胞凋亡，抑制軟骨基質(zhì)合成[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在膠原誘導(dǎo)性大鼠關(guān)節(jié)炎模型中提取的關(guān)節(jié)滑膜中存在miR-34a的表達(dá)上調(diào)，同時(shí)通過(guò)使用抑制劑的方式下調(diào)miR-34a的表達(dá)能夠有效緩解關(guān)節(jié)腫脹，并下調(diào)炎癥因子的表達(dá)，包括腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-6等[27]。此外，蛋白聚糖在關(guān)節(jié)軟骨退變及發(fā)展中也扮演重要角色。目前對(duì)ADAMTS-4(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs-4)的研究表明，ADAMTS-4誘導(dǎo)了蛋白聚糖的降解，從而導(dǎo)致退行性骨關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生及發(fā)展[28]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，富含半胱氨酸的血管生成誘導(dǎo)劑61能抑制ADAMTS-4的活性，白細(xì)胞介素-1β能通過(guò)miR-34a調(diào)控途徑抑制血管生成誘導(dǎo)劑61的表達(dá)，而抑制miR-34a能促進(jìn)軟骨細(xì)胞的增殖及分化[29]。Zhang等[30]在骨關(guān)節(jié)炎患者的關(guān)節(jié)軟骨中發(fā)現(xiàn)了miR-34a過(guò)表達(dá)，同時(shí)在兔骨關(guān)節(jié)炎模型中驗(yàn)證了磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路受miR-34a的負(fù)向調(diào)節(jié)，從而降低磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖的作用。

2 miRNA與骨質(zhì)疏松癥

據(jù)報(bào)道，miRNA在細(xì)胞增殖、凋亡和轉(zhuǎn)移中起不同的作用[31-33]，其可以與目標(biāo)基因的3′端非翻譯區(qū)結(jié)合，從而促進(jìn)目標(biāo)基因的降解或抑制其翻譯[34]。這表明，miRNA具有通過(guò)調(diào)節(jié)與破骨細(xì)胞分化相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)介導(dǎo)骨的生成與吸收平衡的作用，因此miRNA被認(rèn)為是骨穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子。miRNA網(wǎng)絡(luò)在骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制中具有重要意義。研究證實(shí)，miR-363-3p/人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因軸促進(jìn)了CD14細(xì)胞破骨細(xì)胞的分化，而抑制了c2c12細(xì)胞成骨細(xì)胞的分化；同時(shí)，在骨質(zhì)疏松癥中發(fā)揮抑制功能的miR-34a和miR-503表達(dá)被下調(diào)，而miR-214、miR-103a和miR-148a被發(fā)現(xiàn)在骨質(zhì)疏松癥患者骨組織和血清中高表達(dá)[35]。在骨質(zhì)疏松癥患者的血清中檢測(cè)出miR-217表達(dá)水平升高，而血清中環(huán)狀RNA-VANGL1和Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)的表達(dá)水平降低，環(huán)狀RNA-VANGL1通過(guò)吸收miR-217來(lái)調(diào)節(jié)RUNX2表達(dá)，從而加速成骨細(xì)胞的分化及增殖；此外，miR-217通過(guò)靶向RUNX2 3′端非翻譯區(qū)降解RUNX2來(lái)抑制成骨細(xì)胞的分化[36]。長(zhǎng)鏈非編碼RNA KCNQ1OT1可通過(guò)海綿miR-214促進(jìn)重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2的表達(dá)，以調(diào)節(jié)成骨分化，從而延緩骨質(zhì)疏松的發(fā)展[37]。而miR-21在骨質(zhì)疏松癥患者的骨組織和血清中表達(dá)水平較低，其可促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨細(xì)胞分化增殖[38]。另有研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)方黃精多糖通過(guò)基于miR-1224的Hippo信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在體外抑制破骨細(xì)胞的生成[39]。miR-10b通過(guò)抑制SMAD2基因和部分通過(guò)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β途徑作為平衡人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞成骨和脂肪形成分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，因此miR-10b可成為控制骨骼和代謝疾病的新靶點(diǎn)[40]。miR-130a和miR-27b通過(guò)特異性下調(diào)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ增強(qiáng)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨作用[41]。有學(xué)者通過(guò)Ras相關(guān)蛋白1/促分裂原活化的蛋白激酶靶向腺苷酸環(huán)化酶異構(gòu)體6，研究了miR-182-5p對(duì)阿侖膦酸鈉治療后骨質(zhì)疏松大鼠成骨細(xì)胞增殖和分化的影響，結(jié)果表明，下調(diào)miR-182-5p通過(guò)上調(diào)腺苷酸環(huán)化酶異構(gòu)體6激活Ras相關(guān)蛋白1/促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路，進(jìn)而激活骨質(zhì)疏松大鼠成骨細(xì)胞的增殖和分化[42]。在骨質(zhì)疏松癥大鼠中，通過(guò)靶向抑制絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶和激活Hedgehog信號(hào)通路，miR-874可促進(jìn)骨質(zhì)疏松大鼠成骨細(xì)胞的增殖和分化[43]。在骨性關(guān)節(jié)炎患者中，絕經(jīng)后女性的發(fā)病率較高，miRNA在雌激素介導(dǎo)的各種細(xì)胞過(guò)程的反應(yīng)中起重要作用，包括細(xì)胞分化和增殖，在雌激素減少的破骨細(xì)胞分化過(guò)程中，miR-27a顯著增加，過(guò)表達(dá)miR-27a顯著增強(qiáng)了雌激素對(duì)破骨細(xì)胞分化和骨吸收的抑制作用，而miR-27a消除減輕了這種作用，表明miR-27a可能在雌激素抑制破骨細(xì)胞分化和功能的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[44]，這為治療女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥提供了新思路。

越來(lái)越多的研究強(qiáng)調(diào)了miRNA在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的功能和分化方面的作用，miRNA通過(guò)骨形態(tài)發(fā)生蛋白、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β和Wnt信號(hào)通路指導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化和骨形成，但由于miRNA無(wú)法抵御核酸酶，且它們?nèi)狈Π邢蛐裕砸灾Ъ転榛A(chǔ)的miRNA載體在難治性骨質(zhì)疏松性骨折的骨修復(fù)中有特殊的應(yīng)用前景[45]。在骨與關(guān)節(jié)疾病及治療領(lǐng)域，miR-34a能通過(guò)下調(diào)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β誘導(dǎo)因子2(transforming growth factor-β-induced factor 2，Tgif2)基因的表達(dá)而抑制破骨細(xì)胞的分化[46]。此外，內(nèi)源性小鼠T細(xì)胞核因子1、核因子κB的活性在Tgif2基因敲除時(shí)減少，而在miR-34a敲除時(shí)增加，這也證明了miR-34a與Tgif2基因在調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化間的相互作用[47]。同時(shí)，miR-34a能夠調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的增殖，對(duì)維持骨的穩(wěn)態(tài)具有一定的正向調(diào)節(jié)作用，具體表現(xiàn)為通過(guò)減少細(xì)胞周期蛋白1、周期蛋白依賴性激酶4及周期蛋白依賴性激酶6的聚合，抑制成骨細(xì)胞增殖和減少特異性AT序列結(jié)合蛋白2積聚來(lái)抑制成骨細(xì)胞的分化[48]。研究指出，miR-34s家族參與了成骨、破骨細(xì)胞的分化過(guò)程，其中miR-34a可通過(guò)下調(diào)Tgif2基因表達(dá)，抑制破骨細(xì)胞增殖、分化，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，且還能通過(guò)影響骨保護(hù)素/核因子κB受體活化因子/核因子κB受體活化因子配體通路、Wnt/β聯(lián)蛋白通路中相關(guān)因子的表達(dá)，影響成骨、破骨細(xì)胞的分化，從而具有抗分解及促進(jìn)合成的雙重效應(yīng)[1]。Krzeszinski等[6]通過(guò)建立miR-34a轉(zhuǎn)基因或基因敲除小鼠模型證實(shí)了miR-34a具有促進(jìn)成骨和增加骨形成的作用，miR-34a在野生型小鼠破骨細(xì)胞的分化中表達(dá)下調(diào)，而Tgif2基因表達(dá)增加；Tgif2基因敲除后，破骨細(xì)胞分化與骨吸收顯著減少，而骨量增加；Tgif2基因與miR-34a雙重敲除后，小鼠破骨細(xì)胞分化與骨吸收較單純Tgif2基因敲除無(wú)顯著變化，表明miR-34a能下調(diào)Tgif2基因的表達(dá)而抑制破骨細(xì)胞的分化。雖然miR-34a在成骨、破骨細(xì)胞增殖分化及骨質(zhì)疏松的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色，可為骨質(zhì)疏松的診斷及治療提供重要依據(jù)，但目前對(duì)miR-34a的調(diào)節(jié)機(jī)制尚不完全清楚，所以探索細(xì)胞外的刺激因素如何對(duì)miR-34a的表達(dá)產(chǎn)生影響以及miR-34a如何協(xié)調(diào)細(xì)胞內(nèi)其他miRNA共同維持細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定將成為預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的重要研究方向?？梢姡琺iRNA在骨質(zhì)疏松的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用，并可通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)的調(diào)節(jié)來(lái)緩解骨質(zhì)疏松的發(fā)展，故研究這些關(guān)鍵靶點(diǎn)的作用可為治療骨質(zhì)疏松癥的治療提供新思路及方法。

3 小 結(jié)

miRNA家族中的很多成員在退行性骨關(guān)節(jié)疾病和骨質(zhì)疏松癥發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色，對(duì)miRNA進(jìn)行深入的研究可能為退行性骨關(guān)節(jié)疾病及骨質(zhì)疏松癥提供新治療途徑。但目前研究仍處于初級(jí)階段，對(duì)miRNA的精確調(diào)節(jié)機(jī)制尚未完全清楚。在將來(lái)的研究中，探索外界刺激及細(xì)胞衰老因素如何影響miRNA的表達(dá)以及miRNA如何協(xié)調(diào)細(xì)胞內(nèi)其他信號(hào)通路共同維持骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，將成為防治疾病的重要研究方向。