MicroRNA与缺氧缺血性脑损伤.pdf

综述基金项目:长江学者和创新团队发展计划资助(IRT0935)作者简介:刘浩书，女，硕士生，研究方向为新生儿疾病，电子信箱haoshu_ liu yahoo com cn。通讯作者:母得志，男，主任医师，教授，博士学位，博士生导师，研究方向为新生儿疾病，电子信箱 dezhimu yahoo com。DOI:10 3969/j issn 1003 515X 2011 24 019MicroRNA 与缺氧缺血性脑损伤刘浩书，屈艺，母得志(四川大学华西第二医院 儿科，妇儿疾病与出生缺陷教育部重点实验室，成都 610041)摘要:MicroRNA(miRNA)是一组 20 24 个核苷酸长度的非编码单链 RNA，在转录后水平抑制或诱导靶基因表达。在缺氧缺血性脑损伤(HIBD)中，miRNA 通过缺氧诱导因子 1(HIF-1)依赖或非依赖途径，快速可逆地调控中枢神经系统损伤及修复过程。现就 HIF-1、miRNA 功能及 HIBD 后其相互作用机制作一综述，总结 miRNA 在 HIBD 诊断及治疗中发挥的重要作用。实用儿科临床杂志，2011，26(24):1890 1892关键词:microRNA;缺氧缺血性脑损伤;修复中图分类号:R729文献标识码:A文章编号:1003 515X(2011)24 1890 03MicroRNA and Hypoxia Ischemia Brain DamageLIU Hao shu，QU Yi，MU De zhi(Department of Pediatrics，West China Second University Hospital，Sichuan University，Key Laboratory of Obstetric Gynecologic and Pe-diatric Diseases and Birth Defects of Ministry of Education，Chengdu 610041，Sichuan Province，China)Abstract:MicroRNA(miRNA)are a class of 20 24 nucleotide noncoding single stranded RNAs that regulate target gene expressionat post transcriptional level Studies on hypoxia ischemia brain damage(HIBD)had shown that the rapid and reversible roles of miRNA inimpairment and repair of central nervous system act on hypoxia induced factor 1(HIF 1)dependent/independent pathway In thisstudy，the functions of HIF 1 and miRNA，their interaction mechanisms after HIBD are reviewed，as well as increasingly significant applica-tions of miRNA as diagnostic biomarkers and therapeutic targets with the further researchJ Appl Clin Pediatr，2011，26(24):1890 1892Key words:microRNA;hypoxia ischemia brain damage;repair缺氧缺血性脑损伤(HIBD)是新生儿期常见而严重的神经系统疾病，存活患儿部分留有脑性瘫痪(脑瘫)、智力障碍等后遗症，影响其儿童期的生存质量1-5。其中，缺氧诱导因子1(hypoxia induced factor 1，HIF-1)是缺氧调节的重要因子。研究发现，部分 microRNA(miRNA)可通过 HIF-1 依赖/非依赖途径，在转录后水平抑制或诱导靶基因表达，参与缺氧缺血后中枢神经系统(CNS)损伤修复过程，在 HIBD 的诊断和治疗中发挥重要作用。1HIBDHIBD 是脑血供障碍、脑组织缺氧缺血，造成神经细胞坏死、凋亡，导致一系列 CNS 的功能障碍。HIF-1 是参与缺氧调节的主要转录因子，常氧条件下，HIF-1 通过降解结构域脯氨酸残基羟基化，激活细胞内氧依赖的泛素-蛋白水解酶降解通路，迅速降解6。在 HIBD 过程中，HIF-1 的羟基化作用被扰乱，稳定性增强，通过调控血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、促红细胞生成素、促凋亡蛋白半胱天冬酰胺酶 3 等靶基因表达7，促进脑血流动力学的恢复、改善细胞能量代谢、抑制细胞凋亡，发挥缺氧缺血(HI)后的神经保护作用。研究发现，在神经元氧糖剥离(oxygen glucose depri-vation，OGD)后，磷脂酰肌醇-3 激酶/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(PI3k/Akt)信号通路可被激活，诱导 HIF-1 蛋白表达8。此外，随着 HI 持续时间及程度的不同，细胞内聚集的 HIF-1 也可通过诱导 p53、Noxa、人生长与转化依赖蛋白(human growth and transformation dependent protein，HGTD-P)等的表达，产生细胞毒性作用，促进细胞凋亡9。2miRNAmiRNA 是由 20 24 个核苷酸组成的内源性非编码单链 RNA。在细胞核内，编码 miRNA 基因经 RNA 聚合酶 转 录 为 初 级 miRNA 复 合 体(primary precursormiRNA，pri-miRNA);在核糖核酸酶 Drosha 作用下，被切割成约 70 核苷酸长度具有发夹结构的前体 miRNA;前体 miRNA 由转运蛋白 5 运输至细胞质10。作为 Dicer 酶底物，被剪切成 20 24 个核苷酸的 miRNA/miRNA 双体，随后，互补的 miRNA 链被降解，形成成熟的 miRNA。成熟的 miRNA 与 Argonaute(Ago)蛋白结合，组成 RNA-蛋白质复合物，称为 miRNA 诱导基因沉默复合物，在转录和转录后 2 个层面调控靶基因表达11。前者直接作用于转录因子，后者于靶 mRNA3-非翻译区(untranslated region，UTR)不完全互补配对，通过降低靶 mRNA 稳定性，诱导其降解或者直接抑制翻译调节基因表达12。据估计，超过 30%基因的转录受到 miRNA 的调控13。3miRNA 与 HIBD在生命的长期进化中，机体产生了一系列适应性机制应对外界及体内环境的改变，其中，氧稳态的维持是需氧生物生长发育的基础。除经典的 HIF-1 途径，研究发现，部分 miRNA 受到缺氧的影响，通过 HIF-1 依赖/非0981第 26 卷第 24 期 2011 年 12 月J Appl Clin Pediatr，Vol26 No 24，Dec2011依赖途径，快速可逆地调控靶基因表达，在 HI 后细胞凋亡、血管再生、线粒体代谢等多个方面发挥作用，参与HIBD 后 CNS 的 损 伤 和 修 复。其 中，依 赖 HIF-1 的miRNA 由 HIF-1 诱导产生，发挥转录后调控作用;非依赖 HIF-1 的 miRNA 直接由缺氧诱导产生，影响靶基因表达。31依赖 HIF 的 miRNAmiR-210 和 miR-373 是 HIF-1 依赖性 miRNA14，在缺氧状态下，由 HIF-1 诱导产生。其中，miR-373 的研究尚不深入15。miR-210 在任何缺氧缺血细胞中均有表达，人类肿瘤细胞系缺氧时，miR-210 下调线粒体硫铁支架蛋白 ISCU 的表达，降低顺乌头酸酶和 COX活性，抑制线粒体代谢，使细胞免受缺氧损伤16。但在 HI 后神经元细胞中是否存在相似保护作用还需进一步研究证实。此外，anti-miR-210 可减少细胞中超氧化物的产生，是细胞缺氧时 ROS 调节的新的机制。在大鼠的缺血脑组织中，miR-210 与 ephrin-A3 和 Neuro-nal Pentraxin 1(NPX1)的 mRNAs 3-UTR 区连接，增强EA3 和 NPX117 蛋白的表达，与传统 miRNA 介导的基因抑制作用相矛盾，推测在脑组织缺氧状态下，miR-210 可作为转录增强子行使功能18，调控脑缺血后血管的新生过程，尽管机制并不清楚。32非依赖 HIF 的 miRNAmiR-21、miR-497、miR-424等是主要的 HIF-1 非依赖性 miRNA。其中，miR-21 是已经证实的主要的抗凋亡因子。研究显示，miR-21 在神经元缺血边缘区表达上调，转录后调控 FASLG 的表达水平，降低神经元细胞对 FAS 诱导细胞凋亡的敏感性，OGD后发挥神经元保护作用19。研究显示，在缺血的小鼠心脏细胞中，miR-21 表达受抑制，FASLG 表达水平升高20，外源性 miR-21 增加，可抑制 PTEN 表达，激活 PI3k/Akt信号通路，增加 HIF-1 基因表达，发挥抗凋亡作用21。尽管 miR-145 在大鼠缺氧缺血再灌注模型中表达同样升高，但其作用与 miR-21 相反。miR-145 与超氧化物歧化酶(SOD2)的 3-UTR 靶位点区有一个 8 bp 互补序列，抑制 SOD2 蛋白表达，诱导细胞死亡22。在缺血性脑损伤中，miR-497 和 miR-15a 是 2 个研究较为透彻的、可促进细胞凋亡的 miRNA23。其中，miR-497 在短暂局部脑缺血后的小鼠皮质及在 OGD 诱导 N2A细胞死亡过程中选择性表达，其负向调控抗凋亡基因Bcl-2/-w 基因表达;若敲除小鼠 miR-497 基因，在其脑缺血区域，Bcl-2 和 Bcl-w 蛋白表达水平增加，抑制细胞凋亡，减轻脑梗死程度24。miR-15a 直接抑制 Bcl-2 表达，参与缺血性血管损伤的过程。Yin 等25 第 1 次报道了在OGD 诱导的小鼠脑血管内皮细胞死亡时，过氧化物酶体增殖 物 活 化 受 体 (peroxisome proliferator activatedreceptor，PPAR)抑制 OGD-激活的 miR-15a 在细胞内的表达，在 Bcl-2 mRNA 表达不变情况下，增加其蛋白水平，发挥血管保护作用。而 PPAR 介导的 miR-15a 抑制作用的调控可作为新的治疗方向。miR-200 家族(miR-200a、miR-200b、miR-429)和 miR-424 在缺氧缺血条件下表达增加，调控 HIF-1 水平。miRNA-200 家族在大鼠缺血预适应后表达上升，脯氨酰羟化酶 2(prolyl hydroxylase 2，PHD2)的 3-UTR 区为其与靶 mRNA 结合位点之一，在常氧下，PHD2 羟基化 HIF-1使其降解。脑缺血后 miRNA-200 家族过度表达，有效沉默了 PHD2 位点，增加了 HIF-1 的表达23。miR-424 受转录因子 PU 1 调控，在缺氧的内皮细胞中表达增加，通过调控泛素连接酶系统关键的支架蛋白 cullin 2 的表达，维持 HIF-1 缺血后的稳定性，增加其表达水平，在缺血后血管的重建及再生方面发挥了重要的生理作用26。4miRNA 诊断及治疗应用循环 miRNA 的释放受到与分泌胞外小体途径相关的依赖神经酰胺机制的调控27，其被脂质或脂蛋白包裹，对抗核糖核酸酶的消化作用，稳定存在于人体血液循环中28，作为疾病诊断的生化指标，在肿瘤及一些自身免疫性疾病的研究较为深入29-32。在 HIBD 后，循环 miRNA的诊断学意义也有研究。Tan 等33 的研究显示，外周血中的 miRNA 在正常及脑卒中时的表达不同，且在不同卒中模式中表达差异不同，认为循环 miRNA 可作为大脑缺血性卒中诊断的指标。Liu 等34 研究证实，在脑缺血后，miR-200b、miR-155、miR-210 等在脑组织和血液中表达改变一致;且在脑缺血、脑出血、红藻氨酸诱导癫发作等不同脑损伤模式中，miRNA 表达具有特异性，推测血液miRNA 可提示脑组织中相应 miRNA 变化，对 HIBD 的诊断具有提示作用。但上述 2 项研究均未提及脑脊液miRNA 的相应变化，具有一定的局限性。目前，脑脊液miRNA 表达谱的研究刚刚起步，较早的关于 CNS 病变时脑脊液 miRNA 表达改变推测，其可作为 Alzheimer 病的诊断指 标35。随 后，Baraniskin 等36 研 究 表 明，miR-21、miR-19 和 miR-92a 等 miRNAs 在脑脊液中稳定存在，可作为诊断原发性中枢神经系统淋巴瘤的检测指标。但尚无关于 HIBD 时特异性脑脊液 miRNA 变化报道，其表达谱的改变及作用机制还需进一步研究。每个 miRNA 有多个靶 mRNA，每个 mRNA 受到不同miRNA 的调控。外源性 miRNA 作用于疾病复杂的病理生理网，较传统的针对单一基因产物的治疗具有一定的优势37。但不同观点认为，过表达的 miRNA 扰乱与疾病过程无关的转录因子或蛋白表达，产生相关的不良反应38。近年来，miRNA 药物开发取得重要进展，部分miRNA 激动剂或拮抗剂在动物实验中已证实其安全性及有效 性。针 对 于 肝 炎 的 miR-12239、心 血 管 疾 病 的miR-2137 等药物已进入临床或临床前期试验。与上述疾病不同，在应用 miRNA 药物治疗 HIBD 时，除了明确其调控神经细胞损伤后死亡或修复的分子机制，如何使药物通过血脑脊液屏障有效治疗浓度也是今后研究中需要解决的问题。1981第 26 卷第 24 期 2011 年 12 月J Appl Clin Pediatr，Vol 26 No24，Dec2011参考文献:1李熙鸿 我国新生儿缺氧缺血性脑病的诊断及治疗J 实用儿科临床杂志，2010，25(14):1037 1039 2卢伟能，周伟，贺娟，等 新生儿缺氧缺血性脑病恢复期振幅整合脑电图背景活动特点J 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