微RNA調控突觸可塑性的研究進展

周芮，郝雷，王帆

(1.內蒙古醫科大學基礎醫學院，呼和浩特 010110； 2.北京回龍觀醫院精神醫學研究中心，北京 100096)

微RNA(microRNA，miRNA)是一小段非編碼RNA，在基因表達轉錄后調控中起重要作用。目前已知超過1 000多種miRNA控制著50%以上蛋白質編碼基因。隨著對miRNA研究的不斷深入，發現miRNA參與突觸可塑性的復雜調節過程[1]。突觸可塑性是神經可塑性的一種表現形式，在維持正常神經生理功能中起重要作用。突觸可塑性主要分為結構可塑性和功能可塑性，結構可塑性主要指突觸通過主動適應動態的神經網絡變化來調節突觸形態和數量，包括樹突棘形態的修飾等。樹突棘是大腦信息連接的關鍵結構，其兩種形態(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動態改變會導致突觸可塑性的異常[2]。微管解聚的動態變化是樹突棘兩種形態之間快速變化的分子機制[3]，而miRNA通過調控樹突棘形態影響突觸可塑性[4]。功能可塑性主要指突觸神經元的神經活動，如長時程增強(long-term potentiation，LTP)等。miRNA通過N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑-丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid，AMPA)受體等蛋白調控樹突棘上鈣離子通道開放和關閉，并維持LTP[5]。另外，miRNA可通過腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)/原肌球蛋白受體激酶B(tropomyosin receptor kinase B，TrkB)以及BDNF/p75非翻譯區(untranslated region，UTR)兩種傳導通路調節突觸可塑性[6]。現對miRNA調控突觸可塑性的研究進展予以綜述，以期為miRNA針對突觸可塑性功能失調所致相關疾病的研究提供新的理論依據。

1 miRNA概述

非編碼RNA在基因組中占據很大比例，其中miRNA(大約22個核苷酸長度)存在廣泛且進化保守，是參與基因表達轉錄后調節的一類非編碼RNA。miRNA轉錄與信使RNA(messenger RNA，mRNA)結合的過程[7]如下：miRNA首先在細胞核中被RNA聚合酶Ⅱ轉錄為較長的初級轉錄產物，隨后由Drosha/DiGeorge酶及其輔因子DGCr8亞基組成的復合物切割為前體miRNA，前體miRNA通過exportin-5/RanGTP酶以鳥嘌呤依賴方式從細胞核轉運至細胞質，并被RNA聚合酶Ⅲ Dicer切割為成熟miRNA；成熟miRNA解旋雙鏈，其中一鏈與Argonaute蛋白結合，另一鏈則被降解；Argonaute蛋白和miRNA結合形成的復合物被稱為RNA沉默復合物，其可以很容易地與靶mRNA的3′UTR片段配對，從而發揮基因表達沉默劑的作用[8]。

miRNA對mRNA的作用機制有兩種：切割降解靶mRNA或抑制蛋白翻譯。目前認為，miRNA與mRNA完全互補會導致靶mRNA降解，而不完全互補會導致翻譯受阻[9]，表明miRNA以“開啟”或“關閉”的二元方式靶向基因表達的沉默作用。而另有觀點認為，各種類型細胞中miRNA對mRNA的沉默作用很少符合“開或關”二分法。miRNA不會完全沉默靶mRNA，而是降低其表達[7]。由于miRNA結合mRNA的不完全互補性，單個miRNA有可能與數百種靶mRNA配對并調控基因表達。因此，需要一種同時操縱多個miRNA靶向表達的技術，以全面了解單個miRNA的功能。

2 miRNA與突觸可塑性

大腦中的miRNA參與了多種神經元發生過程，包括樹突形成及突觸可塑性功能的調節等。已有多項實驗證實，miRNA與突觸可塑性密不可分。研究表明，抑制miR-219表達可以修復輻射所致的突觸可塑性功能損傷[10]。目前尚無實驗證明miRNA以成熟miRNA的形式直接靶向并運輸到樹突末梢而發揮作用。有研究認為，miRNA以前體miRNA的形式轉運，前體miRNA是成熟miRNA在特定位置儲存的一種方式[11]。樹突末梢中前體miRNA轉運的優點是可在需要時局部快速轉化為成熟miRNA。此外，深入了解miRNA的相關生物學特性可為miRNA參與并調節突觸可塑性(如樹突棘密度和形態、LTP以及突觸可塑性相關蛋白)的研究奠定理論基礎。

2.1miRNA對樹突棘形態的影響 突觸可塑性即神經元突觸數量和形態的改變能力，指神經系統基本組成細胞之間信息傳遞程度的可調節性(包括結構可塑性與傳遞效能)。星形膠質細胞是參與結構可塑性調節的主要細胞，其功能包括與突觸廣泛接觸、釋放可溶性因子及增加突觸數量[12]，并通過建立突觸屏障限制神經遞質向鄰近突觸傳播以及促進樹突棘的發育與成熟。樹突棘是樹突分支末梢伸向遠端的細小凸起，其密度和形態呈高度動態改變[13]。樹突棘中miRNA含量豐富，可通過調控樹突棘形態變化影響突觸可塑性功能[14]。miR-34c表達可以調控樹突棘兩種形態(絲狀偽足和蘑菇型棘刺)之間的動態變化[15]。同樣，miR-132和miR-134均參與樹突棘形態變化的調節[16]，其中miR-134可由Limk1蛋白介導調節絲狀偽足和蘑菇型棘刺的數量。可見，miR-134過表達可顯著影響樹突棘密度及突觸傳遞效率，并可在樹突棘發育及突觸可塑性中起負性調節作用[17]。絲狀偽足是最小的樹突棘形態結構，常處于高度不穩定狀態，可在數小時內形成并消失，而較大蘑菇型棘刺可在數月甚至數年內保持相對穩定狀態。上述兩種獨特形態的互相轉化取決于細胞骨架的重塑作用，其中Rho GTP酶在調控細胞骨架的重組方面起重要作用[18]。Rho GTP酶超家族(包括Ras相關的C3肉毒素底物1和細胞分裂周期蛋白42等)在調節神經元細胞遷移、神經突生長以及突觸可塑性中起關鍵作用。miR-124可通過減少Ras相關的C3肉毒素底物1和細胞分裂周期蛋白42信號轉導抑制樹突棘形成，影響突觸可塑性[19]。可見，miRNA可通過Rho GTP酶調控細胞骨架重塑作用，從而改變樹突棘棘刺形態影響突觸可塑性。

2.2miRNA對細胞骨架重塑的影響 細胞骨架幫助生命體建立穩定的細胞形狀并維持細胞結構完整性。微管聚合和解離的動態變化對細胞骨架重塑有重要影響，在維持細胞眾多生理方面都是必需的[20]。真核生物具有豐富且復雜的細胞骨架成分，其中包括肌動蛋白絲、中間絲和微管等聚合物等。微管是細胞中普遍存在的由重復亞基組成的細胞骨架聚合物，主要包括αβ-微管蛋白二聚體(110 ku)的極性聚合物，其在γ-微管蛋白復合物的幫助下圍繞中心體首尾相連形成微管蛋白原纖維。微管時刻處于聚合和解離的高度不穩定狀態中，具有生長快且解離慢的(+)端和生長慢且解離快的(-)端。微管聚集和解離具有動態不穩定性，整個過程受到微管相關蛋白的調控[21]。微管相關蛋白至少包含一個結合微管的結構域和一個向外突出的結構域(如Tau蛋白)與質膜等其他細胞成分結合。Tau蛋白在神經元中高度表達，可直接與微管結合并動態調節其結構和功能[22]。miRNA可通過影響微管聚集和解聚的動態過程影響突觸可塑性。miR-425-5p表達上調可激活Tau蛋白磷酸化表達，影響微管動態平衡及突觸可塑性[23]。相關研究表明，miR-326可抑制Tau蛋白磷酸化，阻斷c-Jun氨基端激酶信號通路，激活改善小鼠突觸可塑性功能[24]。miR-200a-3p通過抑制蛋白激酶A信號通路使Tau蛋白過度磷酸化，從而改善突觸可塑性[25]。

樹突和軸突均含有大量的微管，而樹突中含微管更多。但并不意味著多量的微管一定會聚集為樹突棘棘刺。目前大部分觀點認為，樹突棘兩種不同形態之間的快速變化是大量微管在肌動蛋白幫助下靶向聚合為不同形狀棘刺的結果[26]。

2.3miRNA對LTP的影響 LTP是突觸傳遞效能的調節方式之一，也是功能可塑性的表現形式之一。LTP電生理機制可促進樹突棘棘刺增大和新棘形成，表明高頻刺激誘導產生LTP是樹突棘形態和功能變化的關鍵[27]。LTP對樹突棘密度及棘刺形態的影響與突觸后致密蛋白(postsynaptic density protein，PSD)密切相關[28]。成熟樹突棘為球狀小頭，PSD是樹突棘小頭上具有信號轉導和接收功能的興奮性突觸后膜電子致密結構。目前關于PSD的研究包含上千種不同蛋白質，包括NMDA、AMPA和PSD95等，這些蛋白成分可使神經沖動由電信號轉換為化學信號，影響樹突棘棘刺形成和成熟發育[29]。

miRNA可影響PSD家族的表達，前體miRNA不會在神經元胞體中加工為成熟miRNA，而是被運送到樹突棘中儲存，故推測前體miRNA是miRNA的儲存形式，且與PSD密切相關[30]。miR-485對PSD95水平和樹突棘形態產生重要影響[31]。現有研究表明，CA1錐體神經元中產生LTP的機制是Schaffer側支束高頻刺激誘導的鈣調蛋白激酶Ⅱ激活細胞內Ca2+離子通路引發的一系列級聯反應，最終導致AMPA受體介導的興奮性突觸后電流增強[32]。動物研究表明，APP23/PS45轉基因阿爾茨海默病模型小鼠腦中瞬時受體電位香草酸亞型1表達上調可抑制AMPAR內吞作用，有助于改善認知功能和突觸可塑性[33]。miR-132和miR-212均源自同一個非編碼基因內含子，可作用于影響突觸可塑性的共同靶標，并可抑制LTP和海馬突觸傳遞，這可能與AMPA受體減少有關[34]。另外，AMPA受體的活性可能受到NMDA受體介導的Ca2+內流激活的影響[35]。

目前認為，LTP調控肌動蛋白池是微管聚合或解離為樹突棘棘刺的關鍵。樹突棘上存在兩種肌動蛋白池，即穩態和激發態，穩態可在相當長的時間內保持樹突棘棘刺的穩定，激發態肌動蛋白池可瞬間改變樹突棘形態[26]。LTP誘導樹突棘棘刺頭部增大的同時刺激NMDA受體介導的Ca2+門控通道內流增強，促使穩態肌動蛋白池迅速轉為激發態，幫助改變樹突棘棘刺的形態[36]。在LTP繼續維持過程中，NMDA受體引起的Ca2+門控通道內流會很快恢復至基礎水平，進而AMPA受體逐步增加內吞作用回收細胞內的Ca2+，使肌動蛋白池從激發態轉為穩態[37]。這一過程伴隨著微管的迅速聚合和解聚，可在短時間內形成不同形狀樹突棘棘刺，故認為NMDA受體及AMPA受體介導的Ca2+門控通道在維持樹突棘形態正常功能中起重要作用。

2.4miRNA對BDNF蛋白通路的影響 BDNF是一種在中樞神經系統中廣泛存在并表達的神經營養蛋白。胞質中BDNF轉錄產物首先由高爾基體加工為BDNF前體，隨后進一步裂解形成成熟BDNF。出生早期，BDNF前體濃度較高；而成年期，成熟BDNF濃度較高，發揮神經保護和突觸可塑性的重要作用[38]。成熟BDNF和BDNF前體分別分泌到細胞外與其同源受體結合啟動相應的生理學功能。生理情況下，BDNF前體優先與其腫瘤壞死因子家族中p75 UTR結合并相互作用。動物研究表明，敲除p75 UTR基因突變雄性小鼠突觸可塑性的維持依賴于海馬環腺苷酸(cyclic adenylic acid,cAMP)-cAMP反應元件結合蛋白-BDNF通路傳導的增強[39]。此外，BDNF/p75 UTR/sortilin信號通路的激活可影響Rho GTP酶水平以及細胞骨架蛋白的形成[40]。而成熟BDNF通過結合TrkB受體使其磷酸化，并可激活多種酶，如磷脂酰肌醇-3-激酶和Rho GTP酶，其中磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路可調節NMDA受體介導的Ca2+內流，影響LTP的維持與發生[41]，而Rho GTP酶可通過刺激肌動蛋白和微管合成影響樹突棘形態[42]。持續激活TrkB通路可促進樹突的穩定形成，而瞬時激活TrkB可促進樹突棘棘刺形態發生偽狀絲足。LTP高頻刺激可誘導BDNF/TrkB傳導通路由瞬時態轉換為持續態，樹突棘棘刺形態由絲狀偽足變為蘑菇型棘刺[43]。NMDA受體介導的Ca2+內流異常可促進cAMP-cAMP反應元件結合蛋白-BDNF通路的活化，引起BDNF/TrkB信號轉導通路失調，降低BDNF表達水平[44]。麻醉和手術引起的神經炎癥使NMDA受體過度活化，進而引發依賴性鈣通道酶的過度活化，BDNF/TrkB通路信號失調導致樹突棘丟失、突觸可塑性受損及認知障礙[45]。故推測，樹突棘的發育過程是不穩定絲狀偽足發育為成熟穩定的蘑菇型棘刺并反復強化刺激的過程，其實質是將短期記憶轉為長期記憶的過程。基于上述理論認為，BDNF是海馬長期記憶形成的重要調節劑，而長期記憶的形成有賴于穩定的蘑菇型棘刺。

BDNF通過作用于特定miRNA調節mRNA的翻譯。BDNF和miRNA之間存在負反饋回路調節，并在正常細胞中保持平衡狀態。海馬CA1區中miR-134的過度表達導致cAMP反應元件結合蛋白和BDNF水平降低，損害LTP和長期記憶形成[46]。在卵巢切除術后睡眠不足母鼠海馬中，miR-191a可能會調節BDNF的水平[47]。嗅球、海馬和紋狀體中神經網絡通過激活cAMP反應元件結合蛋白/BDNF通路調控miR-132水平，進而影響突觸可塑性相關蛋白的合成，改善突觸可塑性及學習記憶功能[48]。miR-146a和miR-181a通過復雜的通路調節BDNF的表達，在突觸可塑性中起重要作用[49]。miRNA與mRNA的結合不完全互補，故miRNA可以調控BDNF的許多不同靶標，并精細調控BDNF的表達。

3 小 結

成熟miRNA可能以前體miRNA形式運輸到神經元樹突棘并儲存在特定位置。miRNA與mRNA的結合存在不完全互補性，單個miRNA可能靶向調控數百種mRNA的表達。因此，需要同時操縱多個 miRNA靶向表達技術(即高通量技術)才能了解單個miRNA的功能。miRNA可通過3種方式(調控微管動態聚集和解離、LTP誘導樹突棘突觸后致密蛋白介導的Ca2+門控通道、BDNF/TrkB傳導通路從瞬時態轉為持續態)影響樹突棘密度和形態，進而影響突觸可塑性，而BDNF/TrkB傳導通路從瞬時態轉為持續態可能是短期記憶轉為長期記憶的理論依據。通過對miRNA在突觸可塑性中作用機制的研究，擴大了miRNA對突觸可塑性疾病發病機制問題及臨床治療相關策略的理論研究，為miRNA影響突觸可塑性導致學習和記憶功能障礙提供了新思路。