MicroRNAs 參與慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

彭玲 綜述 周超 審校

引 言

一、慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease COPD)俗稱慢阻肺，最早由 Briscoe等在“慢性支氣管炎、肺氣腫、哮喘”的基礎(chǔ)上提出，將其定義為一種以持續(xù)氣流受限為特征的，可以預(yù)防和治療的疾病[1]。臨床上主要以異常的慢性氣道炎癥、小氣道重塑、肺泡破壞為病理特征。

二、MicroRNAs(miRNAs)是一類小的非編碼RNA,一般由 18～25個(gè)核苷酸組成，可通過抑制信使RNA(mRNA)的翻譯或誘導(dǎo)其降解而影響調(diào)控機(jī)體幾乎所有的生物過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，miRNAs調(diào)控人體幾乎60%的基因[2]。以往研究發(fā)現(xiàn)miRNAs在由單核細(xì)胞向多核細(xì)胞進(jìn)化前就已出現(xiàn)，其產(chǎn)生可通過膜囊泡包裹主動分泌、蛋白miRNAs復(fù)合體及脂蛋白復(fù)合體主動分泌、外泌體主動分泌、細(xì)胞凋亡裂解后被動分泌[3]。此外，人們普遍認(rèn)為miRNAs不僅可在某一特定的細(xì)胞或組織中起作用，而且可在細(xì)胞外囊泡(ExtracellularVesicles, EVs)中活躍地轉(zhuǎn)運(yùn)。EVs是細(xì)胞旁分泌產(chǎn)生的一種亞細(xì)胞成分，包括外泌體、微囊泡、凋亡小體等組分，可來源于幾乎所有細(xì)胞類型(如上皮細(xì)胞源性EVs、巨噬細(xì)胞源性EVs、內(nèi)皮細(xì)胞源性EVs等)。因miRNAs可廣泛且穩(wěn)定地存在于血清、血漿、關(guān)節(jié)液、唾液等體液中[4-5]?，F(xiàn)階段研究已證實(shí)miRNAs主要通過與靶基因 mRNAs結(jié)合抑制其翻譯或促進(jìn)其降解，對機(jī)體 mRNA的穩(wěn)定及翻譯效率起重要調(diào)節(jié)作用。目前的諸多研究表明，miRNAs可通過多種途徑參與慢阻肺的發(fā)生與發(fā)展(見圖1)。

MicroRNAs與慢阻肺的病理生理

一、miRNAs與煙霧暴露

煙霧暴露是目前公認(rèn)的與慢阻肺發(fā)病相關(guān)的主要危險(xiǎn)因素之一，經(jīng)研究證實(shí)，重度吸煙人群，慢阻肺的發(fā)病率是不吸煙人群的5倍。首先煙霧吸入會刺激肺上皮細(xì)胞，導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的釋放，從而引發(fā)先天和獲得性炎癥反應(yīng)(innate and adaptive inflammatory responses)。其次，煙霧刺激肺部炎癥反應(yīng)，可增加機(jī)體活性氧(ROS)的產(chǎn)生，從而促進(jìn)與慢阻肺有關(guān)的病理生理變化，這最終將導(dǎo)致鱗狀化生、成纖維細(xì)胞活化、粘液產(chǎn)生和氣道重塑[4]。

目前，包括miRNAs在內(nèi)的表觀遺傳學(xué)機(jī)制已受到廣泛學(xué)者的關(guān)注，其中組蛋白乙?；腿ヒ阴；腔蜣D(zhuǎn)錄的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，若兩者表達(dá)失衡，則易導(dǎo)致吸煙者慢阻肺人群的基因表達(dá)譜發(fā)生改變。Stolzenburg LR等人也發(fā)現(xiàn)吸煙者肺中miR-223升高，而miR-223表達(dá)的升高與組蛋白去乙酰化酶 2(HDAC 2)表達(dá)降低有關(guān)，HDAC 2活性的降低會導(dǎo)致炎癥和皮質(zhì)激素抵抗的擴(kuò)大化。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)吸入香煙煙霧后，呼吸道組織樣本中的miR-101也有所增加[4,6]。Graff JW 等比較吸煙者與不吸煙者肺泡巨噬細(xì)胞miRNAs的表達(dá)情況后發(fā)現(xiàn)，吸煙者肺泡巨噬細(xì)胞中有包括 miR-132、miR-139 在內(nèi)的11個(gè) miRNAs的表達(dá)升高，有包括 miR-452、miR-129-3p在內(nèi)的 43 個(gè) miRNAs表達(dá)降低。這種差異性表達(dá)，提示我們 miRNAs可能在慢阻肺的發(fā)生發(fā)展及表觀遺傳機(jī)制中存在潛在的致病作用[7]。

另一項(xiàng)關(guān)于健康受試者、吸煙無癥狀者及慢阻肺患者體內(nèi)miRNAs表達(dá)差異的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)表明，在慢阻肺患者和無癥狀吸煙者中,血清miR-21的表達(dá)水平明顯升高，而miR-181a的表達(dá)水平則明顯下降。并推測 miR-21與 miR-181a的比值升高可作為重度吸煙者罹患慢阻肺的早期診斷標(biāo)志[8]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)慢阻肺吸煙患者痰中l(wèi)et-7c靶基因(腫瘤壞死因子受體II 型(TNFRII))表達(dá)增加，且與let-7c表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，并證實(shí)煙草提取物可引起人支氣管上皮細(xì)胞中miR-200c表達(dá)的下調(diào)，誘導(dǎo)人支氣管平滑肌細(xì)胞 miR-7表達(dá)及miR-135b過表達(dá)，參與體內(nèi)炎癥反應(yīng)的發(fā)生[9-10]。一項(xiàng)基于煙霧暴露小鼠戒煙前后miRNAs變化趨勢的研究發(fā)現(xiàn)，煙霧誘導(dǎo)的 miRNAs變化是劑量依賴性的，且只有部分miRNAs可逆，大多無法恢復(fù)到基礎(chǔ)水平，比如 miR-34b、miR-345、miR-421、miR-450B、miR-466 和 miR-469在戒煙1周后均未出現(xiàn)明顯改變[11]。因此，miRNAs譜的變化可能與煙霧暴露所致的肺組織損傷和炎癥程度相關(guān)。

以上多項(xiàng)研究結(jié)果表明，煙霧暴露與體內(nèi)miRNAs的差異表達(dá)密切相關(guān)，然而有趣的是，miRNAs不僅調(diào)控正常的基因表達(dá)，還越來越多地被發(fā)現(xiàn)參與表觀遺傳機(jī)制。進(jìn)一步對miRNAs與表觀遺傳學(xué)聯(lián)系的研究也發(fā)現(xiàn)，miRNAs 與經(jīng)典表觀遺傳學(xué)機(jī)制(如DNA 甲基化與去甲基化、組蛋白乙酰化與去乙?；?之間存在復(fù)雜的相互作用，最新的研究亦證實(shí)在慢阻肺患者血液、痰和肺組織中，DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNAs都存在明顯的異常表達(dá)，提示miRNAs具有調(diào)節(jié)表觀遺傳機(jī)制的潛力[10]，或許可作為吸煙患者罹患慢阻肺的早期預(yù)測因子。然而就目前研究可知，戒煙雖可以延緩疾病的發(fā)展，但現(xiàn)在還沒有治愈慢性阻塞性肺疾病的方法，而且目前的藥物也無法逆轉(zhuǎn)長期的肺功能下降。所以，進(jìn)一步研究miRNAs和表觀遺傳機(jī)制之間復(fù)雜的相互作用及其在體液、組織中的改變或許能夠提示慢阻肺患者吸煙劑量并作為罹患或預(yù)后的預(yù)測因子。

二、miRNAs與炎癥反應(yīng)

小氣道持續(xù)且過度的炎癥反應(yīng)是慢阻肺的主要病理特征之一。正常生理情況下，機(jī)體對外界的有害物質(zhì)或有害氣體的刺激會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)难装Y反應(yīng)(一種保護(hù)性反應(yīng))，而在這種適當(dāng)?shù)钠胶鉅顟B(tài)中，反饋調(diào)節(jié)的存在至關(guān)重要。近年來隨著人們對于miRNAs探索發(fā)現(xiàn)，miR-135可通過3'UTR降低白介素-1 受體(IL-1R)的表達(dá)和抑制白介素-1(IL-1)信號傳遞靶點(diǎn)參與機(jī)體炎癥反應(yīng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[2]。

為進(jìn)一步了解miRNAs與炎癥反應(yīng)的關(guān)系，一項(xiàng)轉(zhuǎn)染 miR-21的 T細(xì)胞亞群的研究發(fā)現(xiàn)， miR-21的轉(zhuǎn)染可導(dǎo)致腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和干擾素-γ(IFN-γ)表達(dá)上調(diào)，加重機(jī)體炎癥反應(yīng)[6]。此外，miR-218可與腫瘤壞死因子受體1(TNF-R1)的3'UTR結(jié)合，阻斷TNF-R1 所誘導(dǎo)的 IL-6、IL-8的釋放及核轉(zhuǎn)錄因子kappa B(NF-κB)活性增強(qiáng)而減輕毛細(xì)支氣管炎癥反應(yīng)。miR-146也被證實(shí)參與 NF-κB 信號通路的調(diào)控，當(dāng) miR-146低表達(dá)時(shí)， NF-κB 過度活化，導(dǎo)致環(huán)氧化酶-2(COX-2)半衰期延長，降解減少，(COX-2 是前列腺素E2(PGE2)生物合成的關(guān)鍵酶，而 PGE2 是中性粒細(xì)胞合成的啟動子)中性粒細(xì)胞產(chǎn)生增多， 從而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的不平衡化[12]。Park H 等人也證實(shí) miR-146a和 miR-146b的過表達(dá)可靶向作用于 TRAF 6 和 IRAK 1蛋白，從而抑制炎癥細(xì)胞因子(如 IL-12p70、IL-6、TNF-a 和 IFN-g)的分泌[13]。

正常情況下，人體在發(fā)生炎癥時(shí)，炎癥因子可通過Toll樣受體 4(TLR4)信號通路，激活凝脂?；技っ?(PIK3)，將蛋白激酶 B(PKB)磷酸化為磷酸化絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(PAKt)從而抑制miR-199的表達(dá)。而過度的炎癥刺激則會抑制機(jī)體TLR4信號通路，導(dǎo)致 miR-199表達(dá)上調(diào)，由此我們猜測miR-199或許可作為炎癥反應(yīng)強(qiáng)度的預(yù)測因子[14]。MiR-181c的高表達(dá)被證實(shí)可通過靶向富半胱氨酸肝素結(jié)合蛋白61抗體(CCN1),減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)，減少中性粒細(xì)胞的浸潤，減少活性氧的生成，提示其很有可能作為靶向治療的目[2]。

因此，miRNAs 可通過多種途徑參與慢阻肺患者炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)過程，這將為我們提供靶向改善機(jī)體異常炎癥反應(yīng)的切入點(diǎn)。

三、miRNAs與氣道重塑

氣道重塑是機(jī)體在反復(fù)炎癥刺激下氣管壁的自我修復(fù)功能紊亂的結(jié)果，主要以小氣道重塑為主，進(jìn)而出現(xiàn)管腔狹窄，氣流受限。目前研究顯示氣道重塑的主要機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：蛋白酶-抗蛋白酶失衡、自身免疫機(jī)制、氧化應(yīng)激、氣道平滑肌功能失調(diào)[15-16]。

α1-抗胰蛋白酶是一種廣譜的蛋白酶抑制劑，對炎癥反應(yīng)有一定的限制作用。研究發(fā)現(xiàn)，慢阻肺患者血清中miR-132和miR-212表達(dá)上調(diào)，而α1-抗胰蛋白酶mRNA與miR-132、miR-212的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，表明α1-抗胰蛋白酶mRNA為 miR-132、miR-212的作用靶點(diǎn)[17]。SMAD是TGF-β超家族成員信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的關(guān)鍵分子，與氣道平滑肌增殖和氣道重塑關(guān)系密切。miR-145已被證明不僅具有調(diào)節(jié)肌成纖維細(xì)胞分化和肺纖維化的作用，還可負(fù)向調(diào)節(jié)并釋放前炎細(xì)胞因子，前炎細(xì)胞因子可通過促發(fā)慢性阻塞性肺病患者氣道平滑肌細(xì)胞中SMAD3的釋放，從而加速氣道重塑[12]。而miR-23b可通過 TGF-β2、磷酸化SMAD3(PSMAD3)等信號通路調(diào)控 TGF-β1 所誘導(dǎo)的氣道重塑，即 miR-23b可負(fù)反饋調(diào)節(jié) TGF-β2，抑制氣道重塑[17]。此外，一項(xiàng)敲除 miR-155的小鼠實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，miR-155的缺失會導(dǎo)致B淋巴細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞的反應(yīng)喪失，以及輔助性T細(xì)胞向Th2型細(xì)胞分化缺失，表現(xiàn)為免疫缺陷和大量氣道重塑，加快慢阻肺患者病情的發(fā)展[18]。研究發(fā)現(xiàn)miR-145可參與平滑肌細(xì)胞的分化、可塑性、表型分化，參與嗜酸性粒細(xì)胞炎癥的調(diào)節(jié)及過敏性氣道炎癥性疾病粘液的分泌調(diào)節(jié)。miR-145的高表達(dá)可促進(jìn)α-平滑肌蛋白(α-SAM)的表達(dá)，增強(qiáng)肺成纖維細(xì)胞的收縮能力，促進(jìn)局部纖維粘連，而miR-210可通過自噬和促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞分化促進(jìn)氣道重塑，相反，miR-438-5p可能具有逆轉(zhuǎn) TGF-β介導(dǎo)的肺上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞增殖的作用[19]。同樣有趣的是，miR-21過表達(dá)亦可促進(jìn)氣道平滑肌細(xì)胞(ASM)增殖與遷移，加速病情進(jìn)展，而MiR-138可抑制ASM細(xì)胞增殖與遷移，緩解病情進(jìn)展[17]。所以，miRNAs即可作為疾病發(fā)生發(fā)展的始動者，又可作為抑制其發(fā)生發(fā)展的保護(hù)者，在疾病的診治和預(yù)防方面值得我們進(jìn)行更深一步的探索。

圖1 miRNAs表達(dá)譜在慢阻肺各病理生理過程中的差異性表達(dá)。長期煙霧刺激導(dǎo)致支氣管異常炎癥反應(yīng)，持續(xù)的炎癥刺激及組織異常修復(fù)可導(dǎo)致小氣道狹窄及氣流受限，最終形成肺氣腫，當(dāng)細(xì)菌或病毒入侵時(shí)可誘發(fā)慢阻肺急性加重。

四、miRNAs與肺氣腫

肺氣腫主要以肺泡組織的破壞、丟失以及肺泡彈性回縮力的降低為病理表現(xiàn)。目前對其 發(fā)病機(jī)制還不明確，大多學(xué)者認(rèn)為其發(fā)生發(fā)展與機(jī)體蛋白酶-抗蛋白酶失衡關(guān)系密切，且目前研究發(fā)現(xiàn)，miRNA的異常表達(dá)與肺氣腫的嚴(yán)重程度密切相關(guān)。

一項(xiàng) Spiral與 H合作的研究顯示，有63種 miRNAs的異常表達(dá)與肺氣腫嚴(yán)重程度相關(guān)， 其中 miR-638,miR-30c、miR181d被認(rèn)為是最具相關(guān)性的靶基因。另一項(xiàng)探討miRNAs在 慢阻肺患者肺氣腫性肺破壞的特殊作用的研究指出，miR-638可促進(jìn)肺氣腫肺組織和肺纖維瘤的成熟，進(jìn)一步研究也證實(shí)，miR-638具有至少 50個(gè)靶點(diǎn)參與肺氣腫的調(diào)控[20]。miR-34可抑制 慢阻肺患者CD80和 CD86的表達(dá)及干擾素-α(INF-α)的分泌，從而影響SERPMΕ1蛋白酶抑制劑的表達(dá)，參與機(jī)體蛋白酶-抗蛋白酶失衡，影響肺氣腫的嚴(yán)重程度[21]。miR-452被發(fā)現(xiàn)其表達(dá)與其預(yù)測靶點(diǎn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-12的表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，而(MMP)-12被認(rèn)為是肺氣腫發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制之一，由此可知 miR-452與肺氣腫嚴(yán)重程度密切相關(guān)[22]。

此外，慢阻肺患者長期存在缺氧現(xiàn)象，導(dǎo)致體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)，P53表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致 miR-199上調(diào)，抑制缺氧誘導(dǎo)因子-α(HIF-α)表達(dá)，血管內(nèi)皮生長因子(VEGE)生成減少，從而導(dǎo)致肺的持續(xù)性損害[2]。Ezzie ME等證實(shí) miR-15b可通過抑制 TGF-β1下調(diào)重度肺氣腫患者中成纖維細(xì)胞蛋白多糖的表達(dá)而抑制肺氣腫的發(fā)展[23]。以上結(jié)果提示 miRNAs或許可作為減緩肺氣腫發(fā)生發(fā)展的切入點(diǎn)，為我們臨床治療提供新的方向。

五、miRNAs與慢性阻塞性肺疾病急性加重 (AECOPD)

對于慢性阻塞性肺疾病患者來說，急性加重是導(dǎo)致患者病情惡化甚至死亡的主要原因之一，遺憾的是，到目前為止，我們還沒有有效預(yù)防性阻塞性肺疾病急性加重的方法，目前主要的治療藥物僅有支氣管擴(kuò)張藥、糖皮質(zhì)激素及抗生素等，患者預(yù)后往往不良。目前的研究發(fā)現(xiàn)， miRNAs在慢性阻塞性肺疾病急性加重過程中扮演著重要角色，有望成為慢性阻塞性肺疾病急性加重的生物標(biāo)志物。

慢性阻塞性肺疾病急性加重期，患者主要表現(xiàn)為呼吸困難明顯加重，痰量多且為膿性， 長期反復(fù)加重導(dǎo)致患者呼吸肌代償減弱，最終導(dǎo)致呼吸衰竭，甚至需呼吸肌輔助通氣治療。 目前骨骼肌耗竭已被用作慢性阻塞性肺病患者死亡率的預(yù)測指標(biāo)。有研究發(fā)現(xiàn)，全身炎癥因子，如 TNF-α、IL-6、IL-8 等表達(dá)增多可能抑制骨骼肌的收縮及蛋白的降解，從而導(dǎo)致骨骼肌衰竭。此外，核蛋白(NCL)也與肌肉功能相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，在性阻塞性肺疾病急性加重患者體內(nèi)，miR-1及 miR-206也能通過對NCL的調(diào)控而導(dǎo)致骨骼肌功能障礙[24]。

Wnt 信號通路被認(rèn)為是介導(dǎo)慢阻肺發(fā)展的重要靶點(diǎn)，其缺失可引起肺發(fā)育不全和T輔助細(xì)胞(Th)所誘導(dǎo)的肺出血。研究顯示，miR-15a、miR-16 在慢性阻塞性肺疾病急性加重患者中過表達(dá)，而 miR-15a、 miR-16可抑制 Wnt信號通路的表達(dá)，從而影響肺的發(fā)育與損害。此外，miR-146在急性期慢阻肺患者中與IL-1β、LTB4呈負(fù)相關(guān)，而在穩(wěn)定期慢阻肺中僅與TNF-α呈負(fù)相關(guān)[25-26]。因此， miR-146 可作為預(yù)測穩(wěn)定期慢阻肺和 性阻塞性肺疾病急性加重的生物標(biāo)志物。

miR-125b是一種由低氧調(diào)節(jié)的miRNA,早期研究即表明，miR-125a與系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)炎癥趨化因子途徑有關(guān)。目前研究發(fā)現(xiàn) miR-125b可通過調(diào)節(jié)氣道上皮細(xì)胞的凋亡而引起肺組織的損傷，也可以抑制巨噬細(xì)胞的經(jīng)典活化，抵抗炎癥反應(yīng)，同時(shí)又可促進(jìn)巨噬細(xì)胞的活化，幫助炎癥擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致阻塞性肺疾病急性加重。研究證實(shí)，miR-125b在慢性阻塞性肺疾病急性加重患者血清中的表達(dá)水平明顯高于穩(wěn)定期慢阻肺患者與健康對照者，而在穩(wěn)定期慢阻肺患者與健康對照組之間則未見明顯差異。為進(jìn)一步了解其差異，一組關(guān)于miR125b在慢性阻塞性肺疾病急性加重患者治療前后的比較中發(fā)現(xiàn)，miR-125b表達(dá)水平在慢性阻塞性肺疾病急性加重患者治療后的第 7 天、第 14 天、第 28 天呈逐漸下降趨勢，且與穩(wěn)定期慢阻肺患者相比，慢性阻塞性肺疾病急性加重患者血清 TNF-α、IL-6、IL-1β和 LTB4 水平明顯升高[27-28]，由此可知，miR-125b可能是一種促炎因子，可作為一種新的診斷AECOPD的有前景的生物標(biāo)志物。

結(jié) 語

慢阻肺是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，無論從其高發(fā)病率或是高致殘率角度考慮， 都迫切需要尋找一種新方法、新手段來提供更好的預(yù)防與診療策略。目前諸多研究表明，多種 miRNA 參與了慢阻肺的炎癥反應(yīng)、氣道重塑、肺氣腫嚴(yán)重程度及其急性加重過程，故而猜測 miRNAs 或許可作為新一代治療靶向藥物，在慢阻肺預(yù)防、臨床癥狀緩解或者逆轉(zhuǎn)疾病進(jìn)展等方面發(fā)揮作用。

依據(jù)當(dāng)前對表觀遺傳學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，miRNAs與表觀遺傳機(jī)制之間存在復(fù)雜的相互作用。一方面，miRNA的時(shí)空表達(dá)受到表觀遺傳機(jī)制的嚴(yán)格控制，如啟動子區(qū)域的DNA甲基化或組蛋白去乙?；?；另一方面，mirRNAs還可通過調(diào)節(jié)表觀遺傳機(jī)制的單個(gè)組分的表達(dá)如組蛋白去乙?；富駾NA甲基轉(zhuǎn)移酶來影響表觀遺傳機(jī)制，并且兩者間復(fù)雜的相互作用都參與了人類不同疾病的發(fā)生發(fā)展。所以，未來的研究應(yīng)該解決miRNAs和表觀遺傳機(jī)制之間復(fù)雜的相互作用，畢竟每一個(gè)miRNAs都身處于一個(gè)龐大的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)之中。