microRNA與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育

1、microRNA與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育理microRNA與神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育張麗妹韓鴻雅(北京交通大學(xué)理學(xué)院生命科學(xué)與生物工程研究院,北京100044)摘要microRNA(miRNA)介導(dǎo)的基因沉默是生物體內(nèi)普遍存在的重要基因表達(dá)調(diào)控方式,其調(diào)控失常與很多人類疾病相關(guān).miRNA在神經(jīng)組織表達(dá)豐富.神經(jīng)系統(tǒng)miRNA的功能研究是近年非?；顫姷男骂I(lǐng)域.基于近期的研究進(jìn)展,本文重點(diǎn)討論了miRNA在神經(jīng)軸模式化,神經(jīng)元命運(yùn)決定,神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生,神經(jīng)元突觸形成及成熟神經(jīng)元突觸重塑中的重要作用.關(guān)鍵詞microRNA;神經(jīng)系統(tǒng);發(fā)育中圖分類號(hào)Q189miRNA是一類長度約2024nt(少數(shù)小于20nt)的非編碼單鏈

2、小分子RNA,在細(xì)胞內(nèi)介導(dǎo)同源序列依賴的基因沉默.腦組織是miRNA富集表達(dá)的組織.神經(jīng)組織中miRNA的表達(dá)呈明顯的發(fā)育階段特異性,組織區(qū)域特異性及細(xì)胞特異性.在成熟神經(jīng)元中許多miRNA甚至還呈現(xiàn)了明顯的細(xì)胞內(nèi)局部定位特征.近年,通過對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)miRNA的靶基因鑒定及其功能研究,miRNA在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中的重要作用逐漸得以揭示.一,miRNA與神經(jīng)軸的模式化(一)miR-9與中后腦邊界的神經(jīng)誘導(dǎo)功能自脊椎動(dòng)物神經(jīng)化早期,神經(jīng)軸前后極性依賴于誘導(dǎo)信號(hào)的區(qū)域特化而逐漸建立,中樞神經(jīng)管從前到后將依次發(fā)育為前腦,中腦,后腦和脊髓.控制中腦和后腦發(fā)育的關(guān)鍵區(qū)域位于中腦與后腦的交界處(midbrain

3、hindbrainboundary,MHB).MHB通過釋放Fgf8等誘導(dǎo)位于其前部的神經(jīng)管發(fā)育為中腦,其后部的神經(jīng)管發(fā)育為后腦.而與MHB的中后腦發(fā)育誘導(dǎo)活性相重疊的,此區(qū)域細(xì)胞那么在一定時(shí)期內(nèi)保持未分化的祖細(xì)胞特性.研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)錄因子Her3,5,9和l1是維持MHB區(qū)未分化狀態(tài)的關(guān)鍵分子.Leucht等研究發(fā)現(xiàn)MHB的中后腦發(fā)育誘導(dǎo)活性與此區(qū)域細(xì)胞未分化狀態(tài)的維持是通過miR一9來協(xié)調(diào)控制的.miR一9在斑馬魚胚胎發(fā)育晚期開始在MHB外的神經(jīng)管區(qū)域表達(dá).過表達(dá)miR一9及miR一9表達(dá)阻斷實(shí)驗(yàn)顯示her5,hero以及幾個(gè)Vgf信號(hào)通路的成員(啟.fgfr1及canopy1)都是miR一

4、9的靶基因.miRO特異性地在MHB以外的區(qū)域表達(dá),使MHB區(qū)免受其基因沉默調(diào)節(jié),中后腦發(fā)育誘導(dǎo)活性所需的信號(hào)分子(等)及維持MHB區(qū)祖細(xì)胞狀態(tài)所需的轉(zhuǎn)錄因子(Her5,Her9等)才得以在此區(qū)域表達(dá).miR一9的活性劃定了MHB的邊界(圖1).,串腦后腦_1-而圖1miR-9在中后腦邊界的表達(dá)及作片j(二)miRNA與Hox基因簇Hox基因家族是脊椎動(dòng)物神經(jīng)管前后極性和分節(jié)特征的主控基因.哺乳動(dòng)物Hox基因家族包含39個(gè)同源異型結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子;以4個(gè)基因簇(A,B,c和D)的形式存在于基因組,每個(gè)Hox基因簇含911個(gè)基因.在同一基因簇中,從3到5方向,Hox基因表達(dá)的時(shí)間依次延遲,表達(dá)區(qū)域

5、沿前后體軸依次向后推移.神經(jīng)管后端表達(dá)的Hox基因(Hoxl,2,3)在后腦和脊髓的模式化(patterning)中起重要作用.近期,對(duì)miR一10的研究提供了一個(gè)較清晰的miRNA參與神經(jīng)軸模式化的例子.如圖2所示,在斑馬魚,miR.10位于HoxB4a5方向,并且與HoxB4a在同一初始轉(zhuǎn)錄本內(nèi).miR一10可以靶向HoxB1a和HoxB3a而阻斷二者的表達(dá).后腦菱腦節(jié)R4(HoxB1a強(qiáng)表達(dá)區(qū))和R5/6(HoxB3a強(qiáng)表達(dá)區(qū))均為miR一10的表達(dá)空白區(qū),而自R6/7的邊界起,miRl0開始表達(dá),HoxBla和HoxB3a那么呈弱表達(dá)狀態(tài).可見,miR一10的區(qū)域特異性表達(dá)幫助建立了其

6、靶基因HoxBla和HoxB3a的菱腦節(jié)分布模式.是否還有更多miRNA以類似的方式參與了神經(jīng)軸以及體軸的模式化有待進(jìn)一步研究.HoxBlaHoxB2aHoxB3attoxB4a一中腦ZZmiRl0瞳臣矗蜀互鍪二二HoxB3a圖2miR一10對(duì)Hox基因簇的調(diào)控脊髓二,miRNA與神經(jīng)元細(xì)胞命運(yùn)決定神經(jīng)系統(tǒng)行使其復(fù)雜功能的根底是神經(jīng)元細(xì)胞的多樣性.與神經(jīng)元形態(tài)和功能高度多樣性相對(duì)應(yīng)的是各神經(jīng)元特異的基因表達(dá)模式.特異的基因表達(dá)模式?jīng)Q定了某一種神經(jīng)元的特定命運(yùn).圖3lsy_6和miR-273參與線蟲化學(xué)感受神經(jīng)兀的命運(yùn)決定線蟲具有ASEL(ASEleft)和ASER(ASEfight)兩種雙側(cè)對(duì)

7、稱的化學(xué)感覺神經(jīng)元.兩者具有很多左右對(duì)稱的特征,但是各自表達(dá)完全不同的一套化學(xué)感受受體,如在ASEL表達(dá)gcy一6和gcy一7等;在ASER表達(dá)gcy一5和gcy一22等,使線蟲得以感受和區(qū)分特異的環(huán)境輸入信息并對(duì)外界化學(xué)刺激作出選擇性應(yīng)答.ASEL和ASER均由ASE神經(jīng)元分化而來.這兩種神經(jīng)元的命運(yùn)決定以及其終末分化狀態(tài)的穩(wěn)定是由y一6和mir一273兩種miRNA的負(fù)反應(yīng)通路介導(dǎo)的.如圖3,tys一6和cog一1分別是ASEL和ASER神經(jīng)元分化命運(yùn)的決定者.lsy-6只在ASEL中生理科學(xué)進(jìn)展2021年第42卷第2期表達(dá),由轉(zhuǎn)錄因子die-1激活,lsy一6可抑制其靶基因cog一1,最

8、終促使gcy一7等高表達(dá)且抑制gcy.5等表達(dá).而mir一273傾向于在ASER中表達(dá),它的靶基因那么是可激活y一6的轉(zhuǎn)錄因子die一1;mir.273通過die一1抑制了一6的表達(dá);cog一1得以解除抑制而高表達(dá),并最終促使gcy一5高表達(dá)且抑制gcy.7等表達(dá).三,miRNA與神經(jīng)發(fā)生(一)miR一124miR一124是成熟神經(jīng)元中表達(dá)最豐富的miRNA之一,在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)廣泛表達(dá)于腦,視網(wǎng)膜和脊髓的神經(jīng)元中,而在未分化的神經(jīng)祖細(xì)胞表達(dá)水平極低.Kfichevsky等(2006年)發(fā)現(xiàn),miR一124a開始表達(dá)的時(shí)相與神經(jīng)元前體細(xì)胞轉(zhuǎn)換為神經(jīng)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞的時(shí)相一致,并證實(shí)miR-124

9、a能改變培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的比例.成熟的miR.124序列從蠕蟲到人類完全保守.在人和小鼠的基因組中的不同染色體上有三個(gè)miR一124基因.在HeLa細(xì)胞株中過表達(dá)miR一124可使一百多個(gè)基因表達(dá)下降.目前,較為確定的miR一124的靶基因包括PTBP1,SCP1及Sox9等.目前所揭示的miR一124的靶基因及其在神經(jīng)元發(fā)生中的作用如圖4所示.非神經(jīng)元細(xì)胞RESTl-一基因表達(dá)TP1LIminrl神經(jīng)元:孝I24y三Slnotxe9gnnp分圖4miR.124的靶基因及其在神經(jīng)元發(fā)生中的作用多聚嘧啶核苷酸序列結(jié)合蛋白(PTBP)是一種選擇性剪接調(diào)控蛋白.BP有多種亞型且

10、功能各理科學(xué)進(jìn)展2021年并42鲞勇異.BP1在非神經(jīng)元和神經(jīng)祖細(xì)胞中高表達(dá)而在神經(jīng)元中低表達(dá).PTBP2表達(dá)模式與PTBP1相反.PTBP2mRNA的剪接也受PTBP1調(diào)控.在非神經(jīng)元和神經(jīng)祖細(xì)胞,PTBP1可以結(jié)合PTBP2初始轉(zhuǎn)錄本中的一個(gè)關(guān)鍵外顯子,從而抑制神經(jīng)元特異的PTBP2剪接體產(chǎn)生.FFBPI是miR一124的靶基因.神經(jīng)元分化過程中,miR一124的表達(dá)使PTBPl表達(dá)下降,PTBP2呈現(xiàn)神經(jīng)元特異的選擇性剪接,并通過其對(duì)靶蛋白選擇性剪接的調(diào)控使細(xì)胞呈神經(jīng)元特有的蛋白質(zhì)表達(dá)模式.小聚合酶羧基端結(jié)構(gòu)域磷酸酶SCPI(smallPolUcarboxylterminaldomain

11、phosphatases1)的功能之一是在非神經(jīng)元細(xì)胞中降低RNA聚合酶對(duì)神經(jīng)元特異表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄活性.這一功能與重要的抗神經(jīng)轉(zhuǎn)錄因子REST(RE1silencingtranscriptionfactor,REST,也稱為NRSF)密切相關(guān).在非神經(jīng)元細(xì)胞和未分化的祖細(xì)胞,REST將SCP1,MeCP2(methylCpGbindingprotein),HDAC(histonedeacetylases)等蛋白募集到神經(jīng)元特異基因的RE1元件,抑制神經(jīng)元特異基因轉(zhuǎn)錄.研究顯示,miR一124與REST/SCP1復(fù)合物形成了一個(gè)負(fù)反應(yīng)調(diào)控環(huán)路.一方面,SCP1是實(shí)驗(yàn)證實(shí)的miR一124的靶基因,

12、即其表達(dá)受miR一124的負(fù)調(diào)控;另一方面,conaco等(2006年)發(fā)現(xiàn)miR一124a的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)存在RE1位點(diǎn),受REST/SCP1復(fù)合物的負(fù)調(diào)控.因此,在非神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞中,REST復(fù)合物抑制miR一124的表達(dá);隨著祖細(xì)胞向神經(jīng)元方向分化,REST受轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控呈低表達(dá),miR一124抑制而得以表達(dá),而miR一124會(huì)通過對(duì)SCP1的抑制,更進(jìn)一步終止REST/SCP1復(fù)合物的抗神經(jīng)作用.miRNA一124的表達(dá)及REST/SCP1復(fù)合物的失活這兩個(gè)神經(jīng)發(fā)生的重要事件,互相促進(jìn),迅速調(diào)控蛋白質(zhì)表達(dá)模式向神經(jīng)元方向轉(zhuǎn)化.miR一124的另一個(gè)靶基因是轉(zhuǎn)錄因子Sox9.側(cè)

13、腦室室管膜下區(qū)(subventricularzone,SVZ)是成體哺乳動(dòng)物中主要的成體神經(jīng)干細(xì)胞貯存區(qū).miR一124介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子Sox9的表達(dá)抑制可以誘導(dǎo)SVZ干細(xì)胞向神經(jīng)元分化l6J.另外,Cao等(2007年)發(fā)現(xiàn),雞神經(jīng)管中神經(jīng)祖細(xì)胞維持所必需的層粘連蛋白(1aminin)1和整聯(lián)蛋白(integrin)131基因都是miR一124的靶基因.然而值得注意的是,與前述在相同的研究體系(雞神經(jīng)管)中發(fā)現(xiàn)過表達(dá)miR一124減緩了神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和促進(jìn)了神經(jīng)發(fā)生不同J,Cao等抑制或過表達(dá)miR124并沒有明顯改變神經(jīng)祖細(xì)胞的分化狀態(tài),提示它不是神經(jīng)元分化的主要決定因素.這種不一致性產(chǎn)生

14、的原因還有待進(jìn)一步研究.在神經(jīng)元分化過程中,miR一124的功能還包括調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架重建進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)突生長.Yu等(2021年)發(fā)現(xiàn)在小鼠畸胎瘤細(xì)胞株P(guān)19細(xì)胞過表達(dá)miR一124可以促進(jìn)神經(jīng)突生長.miR一124的表達(dá)影響了兩個(gè)RhoGTP酶家族成員Cdc42和Racl,使Cdc42表達(dá)水平降低而RAC1傾向核定位分布.表達(dá)有組成活性的Cdc42和Racl可以抵消miR一124的促神經(jīng)突生長作用.Cdc42的3UTR并沒有miR124的靶點(diǎn),因此它可能間接受miR一124的調(diào)控.對(duì)于miR一124如何調(diào)控Cdc42,Makeyev等曾報(bào)道的miR一124可以通過BP影響Cdc42的選擇性剪接一

15、很可能是機(jī)制之一.(二)miR一9多個(gè)研究提示miR-9具有調(diào)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞分化的作用.首先,如前述miR一9的表達(dá)空白區(qū)與MHB區(qū)祖細(xì)胞活性相對(duì)應(yīng).另外,Krichevsk等(2006年)發(fā)現(xiàn),同miR一124a相似,miR一9在神經(jīng)元中高表達(dá),并且實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR一9同樣能改變培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的比例.Zhao等發(fā)現(xiàn)電穿孔向胚腦內(nèi)導(dǎo)入miR一9引發(fā)了神經(jīng)元的提前分化.miR一9促進(jìn)神經(jīng)元分化的機(jī)制至少局部是通過抑制核受體蛋白TLX來實(shí)現(xiàn)的.TLX是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子,它可以將HDAC等募集到它的下游靶標(biāo)基因,如p21及PTEN,以抑制它們的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和自我

16、更新.實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR一9可以抑制TLX的表達(dá)因而負(fù)調(diào)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和加速神經(jīng)元的分化J.與REST/miR一124之問的調(diào)控關(guān)系非常類似的,miR一9同時(shí)還受TLX的轉(zhuǎn)錄調(diào)控J.通過miRNA與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子間反應(yīng)回路協(xié)調(diào)基因表達(dá)似乎是生物體中的一種很普遍的模式.四,miRNA與神經(jīng)系統(tǒng)可塑性神經(jīng)系統(tǒng)的功能在外環(huán)境作用下,從神經(jīng)元到神經(jīng)環(huán)路都可能發(fā)生適應(yīng)性變化,即可塑性變化.突觸結(jié)構(gòu)和功能的可塑性是腦內(nèi)信息存儲(chǔ),學(xué)習(xí),記憶,意識(shí)等功能的根底.miR一132與新生神經(jīng)元的突觸發(fā)生及成熟神經(jīng)元神經(jīng)活動(dòng)依賴的突觸可塑性密切相關(guān).Vo等(2005年)發(fā)現(xiàn)miR一132的表達(dá)受與神經(jīng)可塑性密切相關(guān)的轉(zhuǎn)

17、錄因子CREB(cAMPresponseelementbindingprotein)的誘導(dǎo).在新生大鼠大腦皮質(zhì)神經(jīng)元,過表達(dá)miR一132可誘發(fā)神經(jīng)突生長,抑制其表達(dá)效應(yīng)相反.實(shí)驗(yàn)證實(shí)p250GAP是miR.132的下游靶基因.miR一132調(diào)節(jié)新生神經(jīng)元神經(jīng)突發(fā)生長的作用,至少局部是由于它對(duì)p250GAP的表達(dá)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)的.p250GAP是Rho家族的GTP酶活化蛋白的成員之一,以往研究顯示p250GAP可以通過Rac/Cdc42信號(hào)通路調(diào)節(jié)神經(jīng)突生長.miR.132一p250GAP也參與成熟神經(jīng)元的突觸可塑性調(diào)節(jié).Wayman等在體外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元觀察到荷包牡丹堿(bicuculline

18、,GABA能A型受體拮抗劑)誘發(fā)的NMDA受體依賴的突觸活性可以誘導(dǎo)miR.132高表達(dá).而且miR一132可以通過抑制p250GAP翻譯而調(diào)節(jié)突觸活性介導(dǎo)的樹突生長J.miR一134和miR一138均為在海馬神經(jīng)元樹突部位富集表達(dá)的miRNA,且均具有負(fù)調(diào)節(jié)樹突棘大小的作用加.miR一134隨著腦發(fā)育成熟而表達(dá)增加.過表達(dá)miR.134導(dǎo)致神經(jīng)元樹突棘體積顯著縮小,而抑制它效應(yīng)相反.miR一134對(duì)樹突棘大小的負(fù)調(diào)節(jié)是通過抑制蛋白激酶LIMK1的翻譯合成來實(shí)現(xiàn)的.LIMK1可以抑制ADF/cofilin(actindepoly.merizingfactor/cofilin,肌動(dòng)蛋白解聚因子/

19、絲切蛋白),促進(jìn)肌動(dòng)蛋白聚合,促進(jìn)樹突棘形成和維持樹突棘結(jié)構(gòu).更為重要的,miR一134對(duì)HMK1的翻譯抑制,可以被腦源神經(jīng)生長因子BDNF誘發(fā)的突觸活動(dòng)所緩解,說明miR.134同miR一132一樣在神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的突觸成熟及可塑性中起重要作用J.催化去棕櫚酰化修飾的酶一?；鞍琢蝓ッ?(Acylproteinthioesterase1,APT1)基因是miR-138的靶基因.實(shí)驗(yàn)證實(shí)miR.138通過APT1的翻譯抑制可使APT1底物之一的G蛋白God3的棕櫚?；揎椝皆黾佣谄浣Y(jié)合于細(xì)胞膜.Gal3的膜結(jié)合可以激活RhoAGTP酶通路進(jìn)而抑制樹突棘的發(fā)生和維持.五,結(jié)語與展望miRNA

20、是目前生物學(xué)中非?；顫姷念I(lǐng)域.神經(jīng)系統(tǒng)miRNA使我們可以以新的視角審視并探索神經(jīng)生物學(xué)的大量難題,如神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育,腦認(rèn)知及學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制.如本文所綜述的,在這一miRNA與神經(jīng)生物學(xué)的交叉領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展.這一學(xué)科交叉領(lǐng)域也必將為攻克神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常及神經(jīng)元退行性變所導(dǎo)致的各種難治疾病奠定根底.新近已有研究鑒定了一些與神經(jīng)系統(tǒng)重大疾病相關(guān)的miRNA.神經(jīng)系統(tǒng)是人體最為復(fù)雜的系統(tǒng),多種細(xì)胞所構(gòu)成的龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制著整個(gè)機(jī)體的活生理科學(xué)進(jìn)展2021年第42卷第2期動(dòng).神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)有更為復(fù)雜的蛋白合成及運(yùn)輸定位調(diào)控.因此,神經(jīng)系統(tǒng)miRNA的研究應(yīng)該進(jìn)行更為精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).將miRN

21、A的功能與其細(xì)胞特異性乃至細(xì)胞內(nèi)的局部區(qū)域特異性定位聯(lián)系起來是未來研究的趨勢(shì).而且,已有研究提示miRNA介導(dǎo)的基因沉默同樣受多種復(fù)雜的機(jī)制所調(diào)控,如對(duì)RISC復(fù)合物組裝過程,靶位點(diǎn)的可接近性,靶mR.NA的細(xì)胞內(nèi)定位等過程的調(diào)控.miRNA功能的可調(diào)控性也許可成為解析神經(jīng)元突觸部位蛋白定位表達(dá)機(jī)制新的切人點(diǎn).參考文獻(xiàn)1LeuchtC,StigloherC,WizenmannA,eta1.MieroRNA-9directslateorganizeractivityofthemidbrain-hindbrainboundary.Natureneurosci,2021,11:641648.2Wol

22、teringJM,DurstonhJ.MiR?10repressesHoxB1aandHoxB3ainzebrafish.PLoSOne,2021,3:e1396.3JohnstonRJJr,ChangS,EtchbergerJF,eta1.MicroRNAsactinginadouble-negativefeedbacklooptocontrolaneuro-nalcellfatedecision.ProcNatlAcadSciUSA,2005,102:1244912454.4MakeyevEV,ZhangJ,CarraseoMA,eta1.TheMicroRNAmiR一124promotesneuronaldifferentiationbytriggeringbrainspecificalternativepremRNAsplicing.MolCell,2007,27:435448.5VisvanathanJ,LeeS,LeeB,eta1.ThemicroRNAmiR-124antagonizestheantineuralREST/SCP1pathwayduringembryonicCNSdevelop