microRNA在ALI/ARDS發病機制中調節作用的研究進展

孫博睿 張文美 朱光發

首都醫科大學附屬北京安貞醫院呼吸與危重癥醫學科100029

急性肺損傷 (acute lung injury,ALI)/ARDS是一種除心源性因素以外的肺內外因素導致的急性進展性呼吸衰竭,表現為頑固性低氧血癥、呼吸窘迫、嚴重的氧合功能障礙、雙肺廣泛肺水腫、彌漫性肺泡透明膜形成[1]。其發生發展過程十分復雜,具體發生機制目前尚不完全清楚。近期不少研究表明microRNA 與ALI/ARDS的發生發展密切相關。

1 microRNA概述

micro RNA 是一種高度保守的小非編碼RNA,長度常為18～25個核苷酸。其在細胞核內經RNA 聚合酶Ⅱ轉錄為長度約2 000 bp的原始microRNA,并通過核轉運受體蛋白5及核蛋白Ran-GTP轉運到胞質,最終在胞質中被核糖核酸酶ⅢDicer處理為成熟的microRNA。其能通過堿基互補配對特異性結合于目標m RNA 的3'-UTR,誘導其降解或抑制其翻譯,從而間接地調節基因的表達。第22 版microRNA 數據庫包含2 300個成熟microRNA,其中1 115個已被研究[2],其在心血管系統、呼吸系統、消化系統、免疫系統等諸多領域展現出廣闊的前景。深入研究lncRNA、microRNA、circRNA 等非編碼RNA 對于了解許多疾病的分子機制具有重要意義。

2 microRNA在ALI/ARDS中的表達概述

研究證實microRNA 在ALI/ARDS進程中發揮重要作用。既往關于ALI/ARDS 的研究發現在不同的模型中miR-7b、miR-21、miR-25等27 種不同microRNA 表達上調,miR-16、miR-23a、miR-24等10種不同microRNA 表達下調,參與調節ALI/ARDS進程[3]。近年來,隨著研究的深入,人們在ALI/ARDS 模型中發現更多表達改變的microRNA。Rogers等[4]在放射誘導的小鼠肺損傷模型中發現,miR-7b-5p、miR-196b-5p、miR-10b-5p、miR-21a、miR-335-5p、 miR-34a-5p 表 達 上 調, miR-448-3p、miR-676-3p表達下調。Liang等[5]在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導的小鼠ALI/ARDS模型中發現miR-124-3p表達下調。miR-17、miR-221、miR-320a、miR-222等也被不同研究證實在ALI/ARDS進程中表達上調[6]。這些結果更加證實了microRNA 在ALI/ARDS中發揮著重要作用,值得進一步探究。

3 microRNA在炎癥信號通路中的作用

過度的炎癥反應是ALI/ARDS發生發展的重要機制之一。而炎癥相關信號通路的異常在炎癥-抗炎失衡中具有重要意義。既往許多研究證實Toll樣受體通路、MAPK 通路、TGF-β通路、VEGF 通路、鈣信號通路等經典通路在ALI/ARDS進展及恢復過程中發揮重要作用。近年來不少研究表明,紅系衍生核因子2 相關因子2 (nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)/血紅素加氧酶1 (heme oxygenase 1,HO-1)信號通路、核轉錄因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)通 路、PI3K/Akt/m TOR 通 路 等其他通路亦與ALI/ARDS進程密切相關,同時micro RNA可調控這些炎癥相關信號通路參與ALI/ARDS發生,下面介紹幾個具有代表性的通路。

3.1 Nrf2/HO-1通路 Nrf2/HO-1通路在ARDS進展中發揮重要作用[7]。Liu等[8]發現紫堇醇靈堿能夠通過激活Nrf2途徑減輕LPS誘導的小鼠ALI。最新的研究證實,許多microRNA 能夠通過調節Nrf2/HO-1信號通路水平參與ALI/ARDS發展進程。Huang等[9]在LPS誘導的小鼠模型中發現miR-27b的下調能夠增加Nrf2、HO-1的表達,抑制NF-κB途徑,減弱炎癥反應,為深入探究ARDS發生機制提供了新的參考。Ling等[10]在膿毒癥相關的ARDS小鼠模型中發現miR-494負向調控NPO1,進而阻斷Nrf2信號通路,加重肺損傷。

3.2 NF-κB通路 NF-κB通路是經典的信號轉導通路,其在許多生理過程、疾病進程中發揮重要作用。Azizoˇglu等[11]通過LPS誘導的小鼠ALI模型對已知與NF-κB 通路相關的microRNA 進行評價,推論miR-7a-5p、miR-7b、miR-9a-5p、miR-21-5p、miR-124-3p、miR-138-5p 可能加重NF-κB介導的ARDS。Kong等[12]通過收集120 例嚴重肺炎患者血標本分析及動物實驗,發現miR-216a 調節NF-κB通路減輕ALI。Yang等[13]在LPS誘導的ALI模型中發現miR-182負性調節Toll樣受體 (Toll-like receptors,TLR)/NF-κB通路,改善LPS誘導的ALI。

3.3 Akt通路 Akt通路也是ALI/ARDS 的研究熱點之一。Xu等[14]在LPS誘導肺泡表皮細胞A549ALI模型中發現miR-92a抑制劑通過Akt/m TOR 通路在LPS誘導的細胞損傷中起到保護作用。Zhou 等[15]在LPS 誘導的小鼠ARDS 模 型 中 發 現,間 質 細 胞 TCs (Telocytes) 中miR-21a-3p可調節PI3K (p110α)/Akt/m TOR 途徑,促進肺組織修復及血管生成,利于ARDS 的恢復。Xu 和Zhou[16]通過LPS 誘導人肺微血管上皮細胞損傷模擬ARDS,發現miR-92a可通過PI3K/Akt途徑作用于整聯蛋白α5 加重人肺微血管上皮細胞在ARDS 中的屏障功能紊亂。

3.4 信號通路的負反饋機制 信號轉導通路中存在的負反饋機制在ALI/ARDS的治療方向上具有一定參考價值。研究表明,miR-106a、miR-146、miR-155、miR-210 等均可作為信號轉導通路的負反饋調節因子,負反饋調節TLR、Akt通路,或將為藥物治療提供新靶點[17-18]。

4 microRNA在免疫反應調節中的作用

免疫反應包括固有免疫和適應性免疫,在機體受到損傷刺激后激活。micro RNA 在免疫細胞中具有獨特的表達譜,表明其在免疫應答中具有潛在作用。免疫系統細胞中有100種不同microRNA 表達,它們不僅可以調節免疫系統的發育,還可以調控免疫細胞的激活、增殖和分化以及免疫分子的產生。免疫反應紊亂是ARDS的重要發生機制之一,與免疫物質表達異常、免疫細胞和免疫組織的功能失調密切相關。

固有免疫是機體先天具有的防御屏障,由組織屏障(如皮膚黏膜等)、固有免疫細胞 (巨噬細胞、樹突狀細胞、自然殺傷細胞、中性粒細胞等)、固有免疫分子 (補體等)構成,為抵抗各種感染、炎癥、損傷等入侵的第一道防線。研究表明,miR-146、miR-155、miR-125、miR-9、let-7以及miR-181b等的表達改變參與了ARDS進程中固有免疫的調節[3]。在LPS誘導的小鼠ARDS模型中,miR-124-3p靶向結合p65,促進巨噬細胞凋亡,在ARDS中起到保護作用[5]。He等[19]發現miR-146b過表達抑制LPS 處理的肺泡巨噬細胞釋放腫瘤壞死因子α、IL-1β等炎癥因子,減輕炎癥反應。Goodwin 等[20]發現miR-887-3p 促進中性粒細胞的遷移,加劇ARDS 免疫炎癥發展。此外miR-181b可抑制NF-κB,調控促炎因子釋放,參與免疫細胞遷移、組織重構等,在固有免疫調控中發揮重要作用[3]。

microRNA 在適應性免疫過程中也發揮重要作用。適應性免疫是機體后天獲得的抵抗感染的能力,對特定抗原發生特異性反應。主要涉及到T 細胞、B細胞的擴增與激活,及其引發細胞毒作用或抗體的合成分泌增加。研究表明,miR-126、miR-155等諸多microRNA 可調控適應性免疫[3]。Wang 等[21]選取發病6 周內影像學評分改善的COVID-19感染者以及影像學評分未改善的COVID-19 感染者各6例進行病例對照研究,發現T 細胞免疫的減弱與COVID-19所引發的ARDS病情嚴重密切相關。譚雯[22]在LPS誘導的小鼠ARDS模型中發現調節性T 細胞對ARDS具有保護作用。但目前關于microRNA 對能夠緩解ARDS損傷的淋巴細胞的調控作用研究尚顯缺乏,有待進一步探索。

5 microRNA的調控

隨著分子生物學飛速發展,越來越多的RNA 被發現。非編碼RNA 已成為研究熱點,比如線性RNA 中的長鏈非編碼RNA (long non-coding RNA,lncRNA) (＞200 nt)和小非編碼RNA (＜200 nt),以及環狀RNA (circular RNA,circRNA)等。目前多項研究表明非編碼RNA 可作為競爭性內源 RNA (competing endogenous RNA,ceRNA),負性調節microRNA 表達,從而參與疾病進程[23]。ceRNA 機制是一種重要的轉錄后調控機制,即lncRNA、circRNA 等ceRNA 含有某些相同的micro RNA結合位點,可通過競爭性結合共同的microRNA 減弱其對靶基因的抑制,提高靶基因的表達水平,進而調控疾病進程。因其能可逆結合microRNA,起到暫時儲存游離microRNA 的作用,故又稱這類分子為 “microRNA 海綿”。多項研究表明非編碼RNA 可通過 “microRNA 海綿”作用與microRNA 相互作用,調控免疫炎癥反應,參與ALI/ARDS發生發展。

5.1 lncRNA 調控microRNA 作用 lncRNA 是最常見的非編碼RNA,長度大約200～100 000 bp,目前已從人類基因組中確定了9 640種lncRNA,其在劑量補償效應、表觀遺傳調控、細胞周期調控、細胞分化調控等諸多方面發揮重要作用。近年來不少研究表明,lncRNA 通過ceRNA機制參與ARDS的炎癥反應調節。Yang等[24]通過對比102例ARDS患者與100 名健康成人的臨床觀察性研究發現lncRNA-NEAT1抑制下游保護性miR-125a增加ARDS風險。lncRNA MALAT1作為ceRNA,可直接結合并抑制多種microRNA,在ARDS進展中發揮重要作用。Yao等[25]通過ARDS 患者血液樣本分析及細胞實驗發現lncRNA MALAT1抑制下游miR-150-5p,上調ICAM-1的表達,加重ARDS。Liu 等[26]發 現lncRNA MALAT1/miR-125a 軸對膿毒癥的嚴重程度、組織損傷、炎癥水平的評估具有重要 意 義。Zhang 等[27]在LPS 誘 導 的ALI 模 型 中 發 現lncRNA XIST 可減弱miR-370-3p 對TLR4/JAK/STAT/NF-κB通路的抑制,加重LPS誘導的人胚肺成纖維細胞凋亡和炎癥反應。

5.2 circRNA 通 過 “microRNA 海 綿” 作 用 調 控microRNA circRNA 是一種特殊的非編碼RNA,與線性RNA 不同,不含5'端帽子和3'端多聚A 尾巴,其分子呈封閉環狀結構,不受RNA 外切酶影響,表達更穩定,不易降解。在LPS誘導的小鼠ALI研究中,研究者發現小鼠肺 組 織 中 mmu-circRNA-42341、mmu-circRNA-44122、mmu-circRNA-44123 表 達 上 調,mmu-circRNA-010498、mmu-circRNA-25030表達下調。同時發現circRNA 的表達改變與細胞代謝等活動密切相關,并且主要調控MAPK、黏著斑、神經營養因子、Wnt 等信號通路參與ALI 進程[28]。在膿毒癥小鼠ALI模型中,研究者發現肺組織中11個circRNA 表達上調及126個circRNA 表達下調,其中3 個 候 選circRNA:chr17:71273374-71275287-、chr14:57733878-57734418-、chr18:10119885-10132272-分別抑制mmu-miR-7c-5p、mmu-miR-132-3p、mmu-miR-124-3p 促進巨噬細胞分化,加重炎癥反應,參與ALI的發生[29]。因而,circRNA 可 通 過 “microRNA 海 綿”的 作 用 改 變microRNA 的功能,廣泛參與到代謝過程、翻譯后修飾等生物學過程,亦可參與到信號通路的調節,最終影響引發ALI/ARDS的瀑布樣炎癥反應。

6 小結與展望

綜上所述,在ALI/ARDS 的發病進程中,microRNA能夠調控Nrf-2、ICAM-1、Akt、PI3K 等多種基因表達及NF-κB、Akt、Nrf2/HO-1等信號通路,進而調節肺內和全身的炎癥反應和巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞等免疫細胞的分化和凋亡,影響ALI/ARDS 的發生和發展。microRNA 種類繁多,其表達又受到lncRNA、circRNA 等其他多種非編碼RNA 的調節,形成十分復雜的調控網絡。對microRNA 在ALI/ARDS發生發展過程中起到的調控機制的深入探究不僅能夠幫助人們進一步了解ALI/ARDS的發生機制,還可能為其治療尋找到新的藥物,因而具有重要意義。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突