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(北京交通大學理學院生命科學與生物工程研究院,北京100044)摘要microRNA(miRNA)介導的基因沉默是生物體內(nèi)普遍存在的重要基因表達調(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.基于近期的研究進展,本文重點討論了miRNA在神經(jīng)軸模式化,神經(jīng)元命運決定,神經(jīng)細胞發(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,在細胞內(nèi)介導同源序列依賴的基因沉默.腦組織是miRNA富集表達的組織.神經(jīng)組織中miRNA的表達呈明顯的發(fā)育階段特異性,組織區(qū)域特異性及細胞特異性.在成熟神經(jīng)元中許多miRNA甚至還呈現(xiàn)了明顯的細胞內(nèi)局部定位特征.近年,通過對神經(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)誘導功能自脊椎動物神經(jīng)化早期,神經(jīng)軸前后極性依賴于誘導信號的區(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)育誘導活性相重疊的,此區(qū)域細胞那么在一定時期內(nèi)保持未分化的祖細胞特性.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)育誘導活性與此區(qū)域細胞未分化狀態(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.過表達miR一9及miR一9表達阻斷實驗顯示her5,hero以及幾個Vgf信號通路的成員(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,使MHB區(qū)免受其基因沉默調(diào)節(jié),中后腦發(fā)育誘導活性所需的信號分子(等)及維持MHB區(qū)祖細胞狀態(tài)所需的轉(zhuǎn)錄因子(Her5,Her9等)才得以在此區(qū)域表達.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及作片j(二)miRNA與Hox基因簇Hox基因家族是脊椎動物神經(jīng)管前后極性和分節(jié)特征的主控基因.哺乳動物Hox基因家族包含39個同源異型結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子;以4個基因簇(A,B,c和D)的形式存在于基因組,每個Hox基因簇含911個基因.在同一基因簇中,從3到5方向,Hox基因表達的時間依次延遲,表達區(qū)域

5、沿前后體軸依次向后推移.神經(jīng)管后端表達的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miR一10的研究提供了一個較清晰的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.后腦菱腦節(jié)R4(HoxB1a強表達區(qū))和R5/6(HoxB3a強表達區(qū))均為miR一10的表達空白區(qū),而自R6/7的邊界起,miRl0開始表達,HoxBla和HoxB3a那么呈弱表達狀態(tài).可見,miR一10的區(qū)域特異性表達幫助建立了其

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一步研究.HoxBlaHoxB2aHoxB3attoxB4a一中腦ZZmiRl0瞳臣矗蜀互鍪二二HoxB3a圖2miR一10對Hox基因簇的調(diào)控脊髓二,miRNA與神經(jīng)元細胞命運決定神經(jīng)系統(tǒng)行使其復雜功能的根底是神經(jīng)元細胞的多樣性.與神經(jīng)元形態(tài)和功能高度多樣性相對應的是各神經(jīng)元特異的基因表達模式.特異的基因表達模式?jīng)Q定了某一種神經(jīng)元的特定命運.圖3lsy_6和miR-273參與線蟲化學感受神經(jīng)兀的命運決定線蟲具有ASEL(ASEleft)和ASER(ASEfight)兩種雙側(cè)對

7、稱的化學感覺神經(jīng)元.兩者具有很多左右對稱的特征,但是各自表達完全不同的一套化學感受受體,如在ASEL表達gcy一6和gcy一7等;在ASER表達gcy一5和gcy一22等,使線蟲得以感受和區(qū)分特異的環(huán)境輸入信息并對外界化學刺激作出選擇性應答.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的負反應通路介導的.如圖3,tys一6和cog一1分別是ASEL和ASER神經(jīng)元分化命運的決定者.lsy-6只在ASEL中生理科學進展2021年第42卷第2期表達,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等高表達且抑制gcy.5等表達.而mir一273傾向于在ASER中表達,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;cog一1得以解除抑制而高表達,并最終促使gcy一5高表達且抑制gcy.7等表達.三,miRNA與神經(jīng)發(fā)生(一)miR一124miR一124是成熟神經(jīng)元中表達最豐富的miRNA之一,在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)廣泛表達于腦,視網(wǎng)膜和脊髓的神經(jīng)元中,而在未分化的神經(jīng)祖細胞表達水平極低.Kfichevsky等(2006年)發(fā)現(xiàn),miR一124a開始表達的時相與神經(jīng)元前體細胞轉(zhuǎn)換為神經(jīng)細胞和星型膠質(zhì)細胞的時相一致,并證實miR-124

9、a能改變培養(yǎng)的胚胎干細胞分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞的比例.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miR一124基因.在HeLa細胞株中過表達miR一124可使一百多個基因表達下降.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)元細胞RESTl-一基因表達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、功能各理科學進展2021年并42鲞勇異.BP1在非神經(jīng)元和神經(jīng)祖細胞中高表達而在神經(jīng)元中低表達.PTBP2表達模式與PTBP1相反.PTBP2mRNA的剪接也受PTBP1調(diào)控.在非神經(jīng)元和神經(jīng)祖細胞,PTBP1可以結(jié)合PTBP2初始轉(zhuǎn)錄本中的一個關(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的表達使PTBPl表達下降,PTBP2呈現(xiàn)神經(jīng)元特異的選擇性剪接,并通過其對靶蛋白選擇性剪接的調(diào)控使細胞呈神經(jīng)元特有的蛋白質(zhì)表達模式.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)元細胞中降低RNA聚合酶對神經(jīng)元特異表達基因的轉(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)元細胞和未分化的祖細胞,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復合物形成了一個負反應調(diào)控環(huán)路.一方面,SCP1是實驗證實的miR一124的靶基因,

12、即其表達受miR一124的負調(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,受REST/SCP1復合物的負調(diào)控.因此,在非神經(jīng)細胞和神經(jīng)祖細胞中,REST復合物抑制miR一124的表達;隨著祖細胞向神經(jīng)元方向分化,REST受轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)控呈低表達,miR一124抑制而得以表達,而miR一124會通過對SCP1的抑制,更進一步終止REST/SCP1復合物的抗神經(jīng)作用.miRNA一124的表達及REST/SCP1復合物的失活這兩個神經(jīng)發(fā)生的重要事件,互相促進,迅速調(diào)控蛋白質(zhì)表達模式向神經(jīng)元方向轉(zhuǎn)化.miR一124的另一個靶基因是轉(zhuǎn)錄因子Sox9.側(cè)

13、腦室室管膜下區(qū)(subventricularzone,SVZ)是成體哺乳動物中主要的成體神經(jīng)干細胞貯存區(qū).miR一124介導的轉(zhuǎn)錄因子Sox9的表達抑制可以誘導SVZ干細胞向神經(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miR一124減緩了神經(jīng)祖細胞的增殖和促進了神經(jīng)發(fā)生不同J,Cao等抑制或過表達miR124并沒有明顯改變神經(jīng)祖細胞的分化狀態(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)細胞骨架重建進而促進神經(jīng)突生長.Yu等(2021年)發(fā)現(xiàn)在小鼠畸胎瘤細胞株P(guān)19細胞過表達miR一124可以促進神經(jīng)突生長.miR一124的表達影響了兩個RhoGTP酶家族成員Cdc42和Racl,使Cdc42表達水平降低而RAC1傾向核定位分布.表達有組成活性的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,因此它可能間接受miR一124的調(diào)控.對于miR一124如何調(diào)控Cdc42,Makeyev等曾報道的miR一124可以通過BP影響Cdc42的選擇性剪接一

15、很可能是機制之一.(二)miR一9多個研究提示miR-9具有調(diào)節(jié)神經(jīng)干細胞分化的作用.首先,如前述miR一9的表達空白區(qū)與MHB區(qū)祖細胞活性相對應.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,并且實驗證實miR一9同樣能改變培養(yǎng)的胚胎干細胞分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞的比例.Zhao等發(fā)現(xiàn)電穿孔向胚腦內(nèi)導入miR一9引發(fā)了神經(jīng)元的提前分化.miR一9促進神經(jīng)元分化的機制至少局部是通過抑制核受體蛋白TLX來實現(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基因,如p21及PTEN,以抑制它們的轉(zhuǎn)錄,進而促進神經(jīng)干細胞的增殖和自我

16、更新.實驗證實miR一9可以抑制TLX的表達因而負調(diào)節(jié)神經(jīng)干細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)因子間反應回路協(xié)調(diào)基因表達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,學習,記憶,意識等功能的根底.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.在新生大鼠大腦皮質(zhì)神經(jīng)元,過表達miR一132可誘發(fā)神經(jīng)突生長,抑制其表達效應相反.實驗證實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p250GAP的表達調(diào)控來實現(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miR.132高表達.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的miRNA,且均具有負調(diào)節(jié)樹突棘大小的作用加.miR一134隨著腦發(fā)育成熟而表達增加.過表達miR.134導致神經(jīng)元樹突棘體積顯著縮小,而抑制它效應相反.miR一134對樹突棘大小的負調(diào)節(jié)是通過抑制蛋白激酶LIMK1的翻譯合成來實現(xiàn)的.LIMK1可以抑制ADF/cofilin(actindepoly.merizingfactor/cofilin,肌動蛋白解聚因子/

19、絲切蛋白),促進肌動蛋白聚合,促進樹突棘形成和維持樹突棘結(jié)構(gòu).更為重要的,miR一134對HMK1的翻譯抑制,可以被腦源神經(jīng)生長因子BDNF誘發(fā)的突觸活動所緩解,說明miR.134同miR一132一樣在神經(jīng)活動相關(guān)的突觸成熟及可塑性中起重要作用J.催化去棕櫚?；揎椀拿敢货；鞍琢蝓ッ?(Acylproteinthioesterase1,APT1)基因是miR-138的靶基因.實驗證實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)合于細胞膜.Gal3的膜結(jié)合可以激活RhoAGTP酶通路進而抑制樹突棘的發(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)生物學的大量難題,如神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育,腦認知及學習記憶的機制.如本文所綜述的,在這一miRNA與神經(jīng)生物學的交叉領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進展.這一學科交叉領(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)是人體最為復雜的系統(tǒng),多種細胞所構(gòu)成的龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)同控制著整個機體的活生理科學進展2021年第42卷第2期動.神經(jīng)元細胞內(nèi)有更為復雜的蛋白合成及運輸定位調(diào)控.因此,神經(jīng)系統(tǒng)miRNA的研究應該進行更為精細的實驗設計.將miRN

21、A的功能與其細胞特異性乃至細胞內(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.而且,已有研究提示miRNA介導的基因沉默同樣受多種復雜的機制所調(diào)控,如對RISC復合物組裝過程,靶位點的可接近性,靶mR.NA的細胞內(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機制新的切人點.參考文獻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