成骨細(xì)胞相關(guān)非編碼RNA介導(dǎo)的表觀遺傳學(xué)在骨質(zhì)疏松癥中的研究進(jìn)展

趙瑞 潘靜 齊雅茜 雷新宇 白金霞 楊鈺婷 張浩令 宋志靖,4*

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)臨床學(xué)院,甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院,甘肅 蘭州 730000 3.馬來西亞理科大學(xué)高級(jí)醫(yī)學(xué)和牙科研究所,馬來西亞 檳城 13200 4.教育部敦煌醫(yī)學(xué)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000

骨質(zhì)疏松癥可因成骨細(xì)胞(osteoblast,OB)骨形成和破骨細(xì)胞(osteoclast,OC)骨吸收之間的不平衡而導(dǎo)致,也可受到遺傳和環(huán)境因素的影響,通過干擾OB的分化和活性來影響骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展,是直接或間接影響生活質(zhì)量的因素。目前,激素替代療法、雙膦酸鹽和選擇性雌激素受體調(diào)節(jié)劑等為治療OP的主要方法,但療效有限,不良反應(yīng)較多,因此,迫切需要找到治療OP新的有效的方法與途徑,而表觀遺傳學(xué)為進(jìn)一步了解OP潛在的病理生理學(xué)機(jī)制及開發(fā)新療法打開了空間。

microRNA (miRNA)、長鏈非編碼 RNA (lncRNA) 和環(huán)狀 RNA (circRNA) 是所有類型的非編碼RNA 分子,它們通過表觀遺傳機(jī)制在基因調(diào)控和細(xì)胞行為中發(fā)揮重要作用。miRNA是一種小RNA分子,通過與信使 RNA (mRNA) 中的互補(bǔ)序列結(jié)合并促進(jìn)其降解或阻止其翻譯成蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)基因表達(dá)。lncRNA長度超過200個(gè)核苷酸,不編碼蛋白質(zhì),通過調(diào)節(jié)各種酶和轉(zhuǎn)錄因子的活性,以及作為參與表觀遺傳調(diào)控的蛋白質(zhì)復(fù)合物的支架,在調(diào)節(jié)基因表達(dá)和細(xì)胞行為方面發(fā)揮作用。circRNA是一種形成共價(jià)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的RNA分子,參與多種細(xì)胞過程,包括基因表達(dá)調(diào)控和RNA穩(wěn)定性,在疾病發(fā)病機(jī)制中起重要作用。miRNA、lncRNA和circRNA可調(diào)節(jié)OB的發(fā)育、分化、增殖、代謝和細(xì)胞周期,進(jìn)而影響骨形成過程,這可作為OP潛在的治療靶標(biāo)或生物標(biāo)志物[1]。本研究旨在闡述miRNA、lncRNA和circRNA對(duì)OB的影響,以期為骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制、診斷及防治提供理論依據(jù)與參考。

1 miRNA與骨質(zhì)疏松癥

1.1 促進(jìn)成骨的miRNA

促進(jìn)成骨的miRNA 可以影響成骨細(xì)胞分化和骨基質(zhì)合成相關(guān)基因的活性,促進(jìn)新骨組織的形成。研究表明cry2基因的表達(dá)降低可以下調(diào)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)、骨鈣素(OCN)、骨橋蛋白(OPN)和堿性磷酸酶蛋白(ALP)的表達(dá),從而促進(jìn)OB的分化,然而miRNA-7-5p 直接靶向cry2基因,cry2的沉默使cry2與kaput(CLOCK)/ARNT-like1(BMAL1)復(fù)合物結(jié)合,從而使CLOCK/BMAL1得到釋放,促進(jìn)CLOCK/bmal1與P300 E-box的結(jié)合,作用于p300的轉(zhuǎn)錄,p300隨后促進(jìn)組蛋白3乙酰化和runx2轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成,以促進(jìn)成骨[2]。miRNA-92a-3p上調(diào)促進(jìn)骨折愈合,OB的分化[3]。miR-133a 能顯著促進(jìn)OB的OCN、I型膠原、堿性磷酸酶、Runx2型轉(zhuǎn)錄因子和Osx型膠原的表達(dá),促進(jìn)OB的活化和礦化[4]。miR-33-5p為一種機(jī)械敏感miRNA,通過靶向Hmga2促進(jìn)OB分化[5]。miR-2861的過表達(dá)增強(qiáng)了骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP2)誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞生成[6]。miRNA let-7a-5p上調(diào)可靶向降低RNA KCNQ1OT1,促進(jìn)OB分化[7]。流體剪切應(yīng)力通過 miR-2143p-ATF4 信號(hào)軸促進(jìn)OB增殖并抑制線粒體介導(dǎo)的OB凋亡[8]。此外,miR-10b-5p、miR-411-5p、miR-434-3p和miR-142a-5p均可促進(jìn)OB分化[9-11]。

1.2 抑制成骨的miRNA

研究表明,miRNA 靶向參與骨代謝調(diào)節(jié)的基因,如Runx2和β-連環(huán)蛋白,還可以調(diào)節(jié)參與骨形成的信號(hào)通路的活性,如TGF-β信號(hào)通路和β-catenin信號(hào)通路等。miR-30a、miR-23a、miR-189和miR-106通過抑制Runx2的表達(dá)來降低OB分化,抑制骨形成[12-13]。miRNA-331-3p的下調(diào)通過調(diào)節(jié)DKK1/β-catenin信號(hào)通路,直接靶向FGF23抑制OB礦化[14]。miR-183通過靶向下調(diào) TGF-β信號(hào)通路Smad4抑制OB分化[15]。miRNA-30家族為機(jī)械敏感miRNA,包括miR-30a、miR-30b、miR-30c、miR-30 d和miR-30e。miR-30家族(miR-30a除外)通過靶向Runx2來抑制OB分化,其可能是廢用性骨質(zhì)疏松的潛在治療靶點(diǎn)[16]。miR-103-3p直接靶向m(6)A甲基轉(zhuǎn)移酶METTL14抑制OB分化[17],此外,也直接靶向Satb1在Foxc1促進(jìn)的成骨分化中發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)因子作用[18]。流體剪切力誘導(dǎo)的下調(diào)miR-146a-5p通過靶向Smad4抑制OB凋亡[19]。在微重力條件下,miR-103主要通過抑制Cav1.2表達(dá)來抑制OB增殖[20]。miR-15b 通過靶向 USP7 調(diào)節(jié) KDM6B 表達(dá)、miR-197-3p 通過調(diào)節(jié)KLF10、miR-452-3p通過靶向Smad4、miR-26b-3p 通過靶向雌激素受體α對(duì)OB分化均有抑制作用[21-24]。miR-34a 通過靶向乳酸脫氫酶-A(LDHA)抑制糖酵解來抑制OB分化[25]。miR-328-3p、miR-100均抑制OB分化[9]。

雖然miRNA對(duì)成骨分化調(diào)控的研究很多,但有必要篩選出最佳治療OP的miRNA及其所作用的靶基因miRNA,以提高miRNA對(duì)OP診治的敏感性。因此,未來的研究重點(diǎn)可能是如何將miRNA作為生物標(biāo)志物應(yīng)用于OP的診斷,以及作為有效臨床藥物靶點(diǎn)的篩選試劑。圖1為miRNA對(duì)OB作用的分子機(jī)制示意圖。

圖1 miRNA對(duì)成骨細(xì)胞作用的分子機(jī)制示意圖

2 lncRNA與骨質(zhì)疏松癥

2.1 促進(jìn)成骨的lncRNA

幾種長鏈非編碼 RNA (lncRNA) 與促進(jìn)成骨或骨形成有關(guān)。研究表明,某些 lncRNA,通過調(diào)節(jié)參與骨代謝的基因的活性,如ALP、OCN和Runx2,以及通過調(diào)節(jié)參與骨形成的信號(hào)通路來促進(jìn)OB分化和骨形成,如Wnt/β-catenin信號(hào)通路。lncRNA MALAT1作為miR-204的海綿,增加Smad4的表達(dá),Smad4激活和支持ALP和骨鈣素的表達(dá),從而促進(jìn)骨形成和礦化[26]。lncRNA HOTAIRM1可以通過控制JNK/AP-1信號(hào)介導(dǎo)的Runx2表達(dá)來促進(jìn)成骨[27]。LncRNA MALAT1通過調(diào)節(jié)miR-485-5p/WNT7B軸[28]和miR-217/AKT3軸[29]促進(jìn)成骨分化。通過激活OBBMP-2/(Smad1/5/8)信號(hào)通路可抑制lncRNA UCA1,進(jìn)而促進(jìn)OB的增殖和分化[30]。在微重力卸載條件下,lncRNA ODSM表達(dá)水平的增加部分降低了MC3T3-E1細(xì)胞的凋亡并促進(jìn)了分化[31]。LncRNA MEG3通過激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路[32],lncRNA OGRU作為競(jìng)爭(zhēng)性內(nèi)源RNA(ceRNA)通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR-320-3p促進(jìn)Hoxa10的蛋白表達(dá)[33],對(duì)OB的分化均有促進(jìn)作用。lncRNA H19在OB礦化中上調(diào),并通過miR-185-5p/IGF1軸促進(jìn)OB基質(zhì)礦化[34]。

2.2 抑制成骨的lncRNA

幾種長鏈非編碼 RNA (lncRNA) 與抑制成骨或骨形成有關(guān)。這些lncRNAs通過調(diào)節(jié)參與骨代謝的基因的活性以及通過調(diào)節(jié)參與骨形成的信號(hào)通路來抑制骨形成。lncRNA AK045490抑制β-catenin/TCF1/Runx2信號(hào)傳導(dǎo),抑制OB分化和骨形成,為成骨分化提供了新的機(jī)制和OP的潛在藥物靶點(diǎn)[35]。Yin等[36]發(fā)現(xiàn),lncRNA AK039312和AK079370通過靶向miR-199b-5p參與抑制OB分化和骨形成,并且上調(diào)的GSK-3β進(jìn)一步抑制了Wnt/β-catenin通路,從而抑制OB的分化和骨形成。SP1誘導(dǎo)的lncRNA SNHG1通過海綿miR-181c-5p調(diào)節(jié)SFRP1/Wnt信號(hào)通路[37],LncRNA BC083743沉默通過調(diào)節(jié)miR-103-3p/SATB2軸[38],進(jìn)而抑制OB分化。lncRNA ROR敲低可能通過靶向 miR-145-5p 來抑制OB增殖[39]。lncRNA ANCR與EZH2的特異性結(jié)合抑制了Runx2的表達(dá),從而抑制了絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松中OB的成骨作用[40]。LncRNA XIST可以通過靶向CUL2抑制Nrf3的降解來抑制OB的分化并促進(jìn)OP[41]。

lncRNA與骨穩(wěn)態(tài)有關(guān),在骨代謝中起著重要的調(diào)節(jié)作用,但其在OP進(jìn)展及治療方面仍處于研究階段。隨著研究技術(shù)的發(fā)展,lncRNA對(duì)骨代謝的調(diào)控機(jī)制將會(huì)被進(jìn)一步闡明,將會(huì)使其在治療OP方面發(fā)揮巨大的臨床應(yīng)用潛力。圖2為 lncRNA對(duì)成骨分化作用的分子機(jī)制示意圖。

圖2 lncRNA對(duì)成骨分化作用的分子機(jī)制示意圖

3 circRNA與骨質(zhì)疏松癥

3.1 促進(jìn)成骨的circRNA

circRNA是一種參與基因表達(dá)調(diào)控的非編碼circRNA。circRNA 與促進(jìn)成骨之間的關(guān)系仍然是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。在circRNA微陣列分析的研究中發(fā)現(xiàn),290個(gè)circRNA在成骨分化后差異表達(dá)[42]。circRNA hsa-circ-0008500作為miR-1301-3p海綿,通過上調(diào)PADI4促進(jìn)OB礦化[43]。circRNA AFF4通過miR-7223-5p/PIK3R1軸促進(jìn)OB增殖并抑制細(xì)胞凋亡[44]。circ HIPK3充當(dāng)miR-29a-5p海綿,并通過靶向miR-29a-5p和PINK1進(jìn)行線粒體自噬,進(jìn)而促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化[45]。在微重力作用下的MC3T3-E1細(xì)胞成骨過程circ-010383、circ-014154和circ-014977的差異表達(dá)較明顯,且生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn),circ-014154靶向miR-145a-5p和let-7a-5p,另外GO和KEGG分析表明circ-014154參與OB分化的正調(diào)控[46]。源自YAP1的circ-0024097使miR-376b-3p上調(diào)了YAP1的水平,從而激活Wnt/β-catenin途徑,進(jìn)一步促進(jìn)了MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化[47]。

3.2 抑制成骨的circRNA

在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)分化成OB的過程中,3 938個(gè)circRNA被上調(diào),1 505個(gè)circRNA被下調(diào),如circ-0138529、circ-0070969、circ-0060108、circ-0138526和circ-0070975[48]。在BMSC分化成OB的過程中,miR-199b-5p增加,而circRNA 13685(circ IGSF11)顯著降低,同時(shí),circ IGSF11的敲低增加了miR-199b-5p的表達(dá),也促進(jìn)了BMSC的成骨分化[48]。

雖然已經(jīng)鑒定出數(shù)干種circ RNA,但據(jù)報(bào)道只有少數(shù)circRNA具有生物學(xué)功能。在OP中,一些circRNA通過充當(dāng)miRNA海綿來影響成骨分化,但研究數(shù)量有限,需要更多研究來進(jìn)一步闡明具體機(jī)制。特別是,circRNA在維持骨穩(wěn)態(tài)方面以及對(duì)廢用性骨質(zhì)疏松的作用需要進(jìn)一步研究。圖3為circRNA對(duì)成骨分化作用的分子機(jī)制示意圖。

圖3 circRNA對(duì)成骨分化作用的分子機(jī)制示意圖

4 結(jié)語與展望

表觀遺傳學(xué)是在骨質(zhì)疏松癥領(lǐng)域有許多潛在的應(yīng)用。OP是由遺傳和環(huán)境因素共同作用而引起,表觀遺傳學(xué)提供了一種了解這些因素如何相互作用影響骨骼健康的方法。將來,表觀遺傳學(xué)方法可用于開發(fā)新的骨質(zhì)疏松癥診斷工具和治療策略。例如,表觀遺傳修飾,如 DNA 甲基化和組蛋白修飾,可用作骨質(zhì)疏松癥風(fēng)險(xiǎn)的生物標(biāo)志物,從而實(shí)現(xiàn)早期診斷和治療。此外,表觀遺傳療法,如 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑,有可能針對(duì)與骨質(zhì)疏松癥有關(guān)的特定分子通路,從而產(chǎn)生比現(xiàn)有療法更有效且不良反應(yīng)更少的新療法。隨著該領(lǐng)域的不斷進(jìn)步和新技術(shù)的出現(xiàn),骨質(zhì)疏松癥表觀遺傳學(xué)有很大的研究意義和應(yīng)用前景。這可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)該疾病有更深入的了解,并為患者提供更個(gè)性化、更有效的治療。miRNA、lncRNA和circRNA通過靶向與OB分化相關(guān)的主要基因和信號(hào)通路在OP的發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用,同時(shí)也在OP的預(yù)防、診斷和治療中顯示出巨大的潛力。未來可以從以下幾個(gè)方面對(duì)OP進(jìn)行研究:第一,通過研究miRNA、circRNA和lncRNA進(jìn)一步探索OP發(fā)病機(jī)制,尋找相關(guān)生物標(biāo)志物來防治OP;第二,通過研究miRNA、circRNA和lncRNA揭示其作為生物標(biāo)志物應(yīng)用于OP診斷及治療有效靶點(diǎn)的篩選試劑,進(jìn)一步研究藥物的有效成分,研發(fā)抗OP藥物。