miR-138在神經系統疾病中的研究進展

余劍芒，杭黎華

(江蘇大學附屬昆山醫院麻醉科，江蘇 昆山 215300)

微RNA(microRNA，miRNA/miR)是非編碼RNA超家族中分子最小的成員，長18～24個核苷酸。據報道，約60%的人類基因表達受miRNA的調控[1]。miRNA主要是對轉錄后的基因進行調控。miRNA通過RNA聚合酶Ⅱ轉錄產生初級miRNA(pri-miRNA)，經一系列分子處理成為一個長度約70個核苷酸的莖環結構，稱為前體miRNA，之后在細胞質中被Dicer酶剪切生成2個產物，其中靠近5′端莖部的miRNA加工成熟即為miR-5p，從3′端加工成熟即為miR-3p[2]。miRNA可形成一個RNA誘導的沉默復合物，并被引導到靶信使RNA的3′非翻譯區，與之發生不完全性互補結合，在轉錄水平調控基因的表達與蛋白合成[3]。miRNA可表現出與干擾小RNA類似的RNA干擾現象，兩者均是由雙鏈RNA引發的靶向信使RNA的降解或翻譯抑制[4]，區別是干擾小RNA干擾現象是由外源性引入的雙鏈RNA引起，如基因工程、病毒感染，其與靶信使RNA是完全互補結合的，而miRNA干擾現象屬于內源性調控機制，與靶信使RNA不一定是完全互補結合。研究顯示，miR-138通過作用于多靶點參與改變腫瘤局部微環境、抑制腫瘤細胞增殖、誘導凋亡、抑制轉移和侵襲、增強腫瘤細胞對放化療的敏感性，是多種惡性腫瘤非常重要的抑制分子[5-7]，其也可作為腫瘤的生物標志物和預后指標[8-9]。miR-138在多種神經系統疾病中差異表達，參與調控神經元、膠質細胞以及神經干細胞的生長活動，以及神經系統腫瘤細胞的增殖、侵襲、遷移、凋亡、血管生成等生物學行為[10-13]?，F就miR-138在多種神經系統疾病發生發展中的作用進行綜述，以期為相關神經系統疾病的診斷及新藥研究奠定基礎。

1 miR-138的基本特性

miR-138起源于兩個初級轉錄本pri-miR-138-1和pri-miR-138-2。這兩個初級轉錄本分別定位于第3號染色體(Ch3p21.32) 和16號染色(Ch16q13)，經過一系列作用后形成成熟的miR-138[14]。在大腦中富集的miR-138能調控大鼠海馬神經元樹突棘形態發生[15]。miR-138在大鼠腦額葉組織中的表達升高，且與額葉的突觸可塑性和微管組織結構穩定性密切相關，可能影響相關腦區支配的認知和運動功能[16]。研究發現，miR-138-5p能調節神經干細胞的增殖與分化[10]，而神經干細胞在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、亨廷頓病和神經損傷等疾病的治療上表現出巨大潛力[17-19]。隨著研究的深入，未來miR-138極有可能成為中樞神經系統疾病早期診斷、臨床藥物治療、預后判斷的重要指標。

2 miR-138在神經系統疾病中的作用

研究證實，miR-138通過作用于神經炎癥活動與損傷修復、神經系統細胞的增殖與凋亡、腫瘤細胞的增殖與耐藥等廣泛參與神經系統疾病的發生發展[20-23]。

2.1miR-138與腦卒中 據報道，全球每年約有1 500萬人罹患腦卒中[24],隨著人口的老齡化，腦卒中的發病率和病死率日趨升高。缺血性腦卒中是腦卒中最常見的類型，約占腦卒中總數的85%[25]，其特征是大腦血液供應不足，隨后氧氣和營養物質供應不足，繼而觸發解剖改變，如血腦屏障通透性增加[26]、神經興奮性毒性、氧化應激、線粒體功能障礙、炎癥，最終導致神經元細胞死亡[27]以及重要的感覺、運動、認知功能改變[28]。在大鼠腦缺血再灌注損傷模型中，miR-138表達顯著降低,通過抑制其表達可改善大鼠的學習和記憶能力；用氧-糖剝奪/再氧合處理大鼠海馬神經元后，海馬區自噬相關的標記蛋白水平升高，而抑制miR-138的表達可逆轉這一現象[21]。提示miR-138可能通過阻止自噬發揮神經保護作用。沉默信息調節因子1(silent information regulation 1,SIRT1)是miR-138的下游靶標，其在腦梗死、PD等動物模型中通過降低氧化應激、抑制細胞凋亡等發揮神經保護作用[21]。炎癥反應通過激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)通路參與缺血性腦卒中的神經損傷，NF-κB的持續性激活是缺血再灌注損傷腦卒中患者發生梗死和細胞死亡的主要原因之一，抑制NF-κB可以保護大腦免受缺血性損傷[29]。而Li等[20]研究發現，在缺血再灌注損傷動物及細胞模型中miR-138-5p的表達降低，但過表達miR-138-5p后，通過靶向抑制NF-κB p65可減少炎癥因子的表達，促進細胞增殖，減少細胞凋亡，最終改善神經系統功能障礙。星形膠質細胞能為神經元提供營養，調節水電解質平衡及腦血流穩定，維持血腦屏障正常功能，影響缺血性腦卒中的預后。Deng等[11]研究發現，在氧-糖剝奪處理的星形膠質細胞、小鼠模型的腦組織中過表達miR-138-5p后，能促進細胞增殖，抑制星形膠質細胞炎癥反應，從而減少神經元損傷。這一系列研究成果可為缺血性腦卒中提供新的治療靶點。

出血性腦卒中包括大腦內出血和蛛網膜下腔出血，蛛網膜下腔出血雖只占全部腦卒中的5%，但其發病兇險，致死率高[30]。Hou等[31]在蛛網膜下腔出血大鼠中發現，miR-138的表達顯著升高，其通過靶向作用于內皮型一氧化氮合酶，參與蛛網膜下腔出血大鼠的血管痙攣。綜上，miR-138能通過調節神經細胞及神經膠質細胞的增殖、凋亡、自噬，調節炎癥與氧化應激，改善血管痙攣等方面參與腦卒中的發生發展。因此，對miR-138的深入研究將有助于為腦卒中提供新的治療策略。

2.2miR-138與神經系統腫瘤 最常見的神經系統腫瘤是膠質瘤、腦膜瘤，其中膠質瘤約占所有原發性腦和其他神經腫瘤的25.1%，占惡性腫瘤的81.1%[32]。研究顯示，miR-138-2-3p在人膠質瘤細胞中表達降低，上調其表達可通過抑制三結構域蛋白24的表達及其下游Wnt/β聯蛋白信號通路，最終抑制膠質瘤細胞增殖、侵襲、遷移，并促進細胞凋亡[33]。膠質母細胞瘤(glioblastoma，GBM)是最常見的原發性腦瘤，屬于膠質瘤分類中的星形膠質細胞瘤，其發病機制復雜且極具侵襲性。檢索腫瘤基因組圖譜數據庫發現，miR-138低表達與GBM患者的生存率低有關[34]。研究還發現，Zeste同源物2、細胞分裂蛋白激酶6、E2F轉錄因子2和3[34]以及活化T細胞的核因子5[35]是miR-138的直接靶點,miR-138可通過阻斷Zeste同源物2-細胞分裂蛋白激酶4/6-pRb-E2F轉錄因子1信號通路抑制GBM的發生[34]，激活蛋白激酶B/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路誘導細胞凋亡，并通過降低基質金屬蛋白酶2的表達降低GBM細胞的侵襲性[36]。miR-138在低級別膠質瘤組織中的表達也降低，且能通過靶向胰島素樣生長因子2信使RNA結合蛋白2抑制低級別膠質瘤中上皮細胞向間充質轉化[37]。髓母細胞瘤是兒童最常見的惡性腦腫瘤，占所有兒童惡性腦腫瘤的20%～25%[38]，過表達的miR-138能通過下調細胞分裂蛋白激酶6抑制人髓母細胞瘤細胞存活、增殖、遷移，促進細胞凋亡[39]。血管生成是腫瘤進展所必需的，而過表達miR-138-5p可通過降低性別決定區Y框蛋白13[13]和靶向缺氧誘導因子-1α及其下游的血管內皮生長因子抑制膠質瘤血管生成[40]。

研究顯示，miR-138-5p在正常腦組織、低級別膠質瘤、GBM的胞外囊泡中表達依次降低；進一步研究發現，波形蛋白是miR-138-5p下游的作用靶點[41]。異檸檬酸脫氫酶是膠質瘤基因診斷的重要生物標志物，異檸檬酸脫氫酶突變會阻礙細胞新陳代謝、降低抗氧化應激能力。腫瘤基因組圖譜數據庫顯示，miR-138-5p的表達水平與攜帶異檸檬酸脫氫酶突變的GBM患者的生存時間密切相關[35]，以上提示miR-138可能作為GBM的生物標志物。當人類CD4+T細胞轉染miR-138后，miR-138可以直接下調兩個負向調節免疫檢查點(細胞毒性T淋巴細胞相關分子4和程序性細胞死亡受體1)的表達，并導致膠質瘤小鼠的中位生存時間增加43%[42]，此研究證明了miR-138具有轉化為免疫治療藥物的潛力。

化療是治療腦膠質瘤的主要手段之一,但血腦屏障和血腫瘤屏障的存在限制了抗腫瘤藥物進入中樞神經系統,嚴重影響了化療效果。研究顯示，miR-138可通過降低FOS樣抗原2的表達增加血腫瘤屏障的通透性[43]。替莫唑胺是膠質瘤化療最常用的藥物之一，但耐藥性使該藥物治療膠質瘤的效果受到限制，而miR-138可通過抑制性別決定區Y框蛋白9及生存素改善GBM細胞對替莫唑胺的耐藥性[23]。除化療外，miR-138還可通過抑制上皮-間充質轉化增強鼻咽癌細胞的放射敏感性[44]。

如前所述，miR-138在多種神經系統腫瘤患者、動物模型以及細胞模型中通過抑制腫瘤細胞增殖、遷移、侵襲，促進凋亡與自噬，抑制腫瘤血管生成等發揮抑癌作用[45]，并改善腫瘤對化療藥物的耐藥性[23,46]。但有研究報道了miR-138的促癌、促耐藥作用，如miR-138在膠質瘤干細胞中的表達升高，提高了膠質瘤干細胞的自我更新潛力，從而促進其生長與生存[47]。另外，miR-138也可通過直接靶向細胞凋亡調節器BIM(Bcl-2 interacting mediator)，促進GBM細胞生存、腫瘤進展，以及體外腫瘤細胞對替莫唑胺的耐藥性[48]。綜上，miR-138調控神經系統腫瘤的機制復雜、方式多樣。

2.3miR-138與神經退行性疾病 神經退行性疾病是一種基于原發性神經退行性病變的慢性進行性神經系統疾病，其共同的病理特征是神經元變性、缺失、膠質細胞增殖。神經退行性疾病包括PD、 AD、肌萎縮側索硬化以及亨廷頓病[49]。

AD是癡呆癥中最常見的類型，其特點是在神經元胞外形成β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)斑塊以及高度磷酸化的tau蛋白在神經元細胞內蜷曲形成纖維纏結[50]。Wang等[51]研究發現，在AD細胞模型中過表達的miR-138能通過降低視黃酸受體α的表達，促進tau蛋白的磷酸化。而在早發性AD細胞模型中，miR-138能同時促進Aβ的生成和tau蛋白的磷酸化[52]。另有研究顯示，表達升高的miR-138能靶向抑制 DNA 結合蛋白果蠅 Eph激酶/蛋白激酶B信號通路，促進AD模型中神經元凋亡[53]。在小鼠海馬神經元中，miR-138表達水平呈現月齡相關性升高，同時SIRT1作為其下游靶標表現為月齡相關性降低，且miR-138介導了AD小鼠及細胞模型中神經元突觸功能、認知功能障礙的發生，并促進淀粉樣前體蛋白和Aβ的合成[54]。

PD在神經退行性疾病發病率中居第二位，其發病機制涉及黑質中多巴胺能神經元的退行性喪失和神經元中嗜酸性包涵體的形成，癥狀包括運動障礙(緩慢、僵硬、震顫和步態變化)和認知障礙[49]。錳暴露可在體內外引起神經毒性[55]，Ma等[56]針對PD細胞模型的研究發現，錳可誘導細胞自噬，而表達升高的miR-138-5p能通過靶向下調SIRT1基因的表達，抑制錳誘發的細胞自噬。

綜上，miR-138可能是AD與PD發生發展過程中的重要致病因素，有望為這一類疾病的早期診斷和治療提供新的思路和手段。

2.4miR-138與腦脊髓損傷 創傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)對人類健康有嚴重影響，其發生率呈逐年升高趨勢，每年大約有5 000萬人死于TBI[57]，生存者往往存在身體和認知方面的障礙，且因工作能力喪失、醫療和康復費用昂貴而導致巨大的社會經濟負擔[58]。在TBI小鼠大腦皮質中miR-138的表達降低，而接受滾輪運動訓練的TBI小鼠死亡率明顯降低，且與未接受滾輪運動的TBI小鼠相比，接受滾輪運動的TBI小鼠miR-138表達水平明顯升高[59]。提示以某種方式升高體內miR-138的表達水平，有望改善臨床TBI患者的預后。

由機械或壓縮引起的脊髓損傷通常會導致感覺和運動功能障礙,可能會導致患者疼痛甚至截癱等[60]。在脊髓損傷小膠質細胞中檢測到miR-138的表達降低[23]。進一步研究發現，混合譜系酶3是miR-138的下游作用靶點，其是促分裂原活化的蛋白激酶家族的一個成員，能激活c-Jun氨基端激酶，而miR-138通過抑制混合譜系酶3/c-Jun氨基端激酶/促分裂原活化的蛋白激酶信號通路抑制氧化應激反應，發揮抗細胞凋亡作用[22]。研究顯示，脊髓損傷患者血液、大鼠脊髓、細胞模型中miR-138-5p的表達均上調，SIRT1為其下游靶蛋白，敲低miR-138-5p可上調SIRT1表達，并減輕細胞炎癥性損傷[61]?？梢?，miR-138及下游蛋白或可作為臨床上脊髓損傷早期診斷的標志物及藥物治療靶點。

2.5miR-138與其他神經系統疾病 癲癇是神經系統最常見的疾病之一，普通人群中癲癇的患病率為0.5%～2%,約1/3的癲癇患者對抗癲癇藥物耐藥，為難治性癲癇[62]。Hu等[63]通過微陣列實驗發現，顳葉癲癇大鼠中miR-138的表達下調。血腦屏障中多藥外排轉運體的過表達是癲癇耐藥的最重要機制之一，而P-糖蛋白是誘導癌癥耐藥性的多藥外排轉運體中研究最多的蛋白，在血腦屏障微血管內皮細胞中P-糖蛋白的過表達可通過限制抗癲癇藥物向腦組織的傳遞而導致耐藥性[64]。研究發現，增加miR-138的表達可抑制NF-κB通路激活及P-糖蛋白表達，最終增加耐苯妥英患者腦微血管內皮細胞內兩種抗癲癇藥物(苯妥英和苯巴比妥)的聚集[65]。因此，miR-138有望為難治性癲癇提供新的治療方案。

驚恐障礙是以驚恐發作為特征的一種急性焦慮發作，通過關聯分析和功能方法評估miRNA在驚恐障礙患者易感性中的影響發現，包括miR-138-2在內的3個miRNA抑制了30%～60%的驚恐障礙候選基因[66]。人類單純皰疹病毒Ⅰ型在感染外周組織上皮細胞后可進入神經細胞的軸突，在感覺神經元中建立長期潛伏性感染，當被某種因素激活后發生裂解增殖，重新感染宿主，早早期蛋白ICP0就是裂解早期基因表達的產物[67-68]。Sun等[69]研究發現，在神經元中高表達的miR-138通過靶向病毒ICP0信使RNA抑制人類單純皰疹病毒Ⅰ型裂解周期基因，從而抑制人類單純皰疹病毒Ⅰ型感染患者及小鼠的病毒裂解增殖。目前，miR-138在精神障礙和神經系統感染等疾病中的調控作用已初顯，但需進一步的研究予以證實。

3 小 結

miR-138在神經系統疾病中的生物學作用表現為廣泛性、復雜性和多靶向性，miR-138具有保護神經元、減輕星形膠質細胞炎癥反應、調控腫瘤發生發展、抑制血管生成、減輕血管痙攣等作用，然而其參與神經保護、神經元可塑性和軸突再生、血管重構、神經炎癥和內源性干細胞激活等的機制尚未明確，miR-138在多種神經細胞中全面的共調控網絡也有待闡明。目前，miRNA相關產品尚缺乏高效的遞送給藥方法，miR-138在多種自身免疫性疾病、精神疾病、神經性疼痛中的作用也鮮有報道。目前的研究已充分證實miR-138在神經系統疾病中有重要研究價值，可作為臨床早期診斷、疾病治療、改善預后等的重要分子，但仍有大量潛在的機制尚未明確，需要進一步研究。