MicroRNAs通过BMP/TGF-β信号通路调节骨形成的研究进展



综述

MicroRNAs通过BMP/TGF-β信号通路调节骨形成的研究进展

张静龚逸明

(复旦大学附属中山医院口腔科，上海200032)

The Progress of microRNAs in Osteogenisis by Regulating BMP/TGF-β Signaling Pathway

ZHANGJingGONGYiming

DepartmentofStomatology,ZhongshanHospital,FudanUniversity,Shanghai200032,China

1microRNAs在骨形成中的作用

microRNAs(miRNAs)是一类内源性单链小分子(～22nt)非编码RNA序列,通过抑制靶基因转录及下调蛋白表达在多种生理和病理过程中起到重要的调控作用[1]。越来越多的研究表明，miRNAs在干细胞工程中具有潜在的应用价值，同时参与并调节骨形成和骨重建[2]，如：miR-96促进MC3T3-E1细胞成骨分化，而miR-125 b可以通过下调Cbfβ表达抑制C3H10T1/2 细胞增殖和成骨分化[3-4], miR-21过表达的骨髓间充质干细胞可以加速大鼠闭合性股骨骨折愈合[5],转染miR-26a的脂肪来源干细胞结合羟基磷灰石(HA)支架能够显著促进大鼠胫骨骨缺损中的新骨形成，因此结合miR-26a的骨替代体在骨缺损修复中具有可观的治疗潜能[6]。基质干细胞具有自我更新和多分化潜能，在不同条件下可以分化多种细胞,包括成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞[5]。miRNAs具有调节并决策基质干细胞分化方向的能力。过表达miRNA-22能够抑制靶基因HDAC6，进而促进人脂肪来源基质干细胞成骨分化而抑制其成脂分化[7]。miR-146a过表达促进胎儿股骨干细胞成骨分化而抑制其成软骨分化[8]。以上研究均表明，miRNAs具有严格的调控机制，在成骨分化及骨形成方面发挥重要的调节作用。

2骨形成蛋白/转化生长因子β(BMP/TGF-β)信号通路调节骨形成

2.1BMP/TGF-β信号通路组成及作用机制BMP/TGF-β信号通路广泛参与多种生物学过程，在哺乳类动物骨形成中起到重要的调控作用[9]。BMP/TGF-β信号转导包括经典的Smads蛋白依赖的信号通路(包括BMP/TGF-β配体、受体和Smads)及不依赖Smads的非经典通路(如p38MAPKs)。经典的BMP/TGF-β信号通路首先与相应的BMP或TGF受体结合，分别激活Smad 1/5/8或Smad 2/3，磷酸化的Smad 1/5/8或Smad 2/3与Smad 4蛋白结合形成复合体，该复合体进入细胞核以直接或间接方式活化成骨特异性转录因子如(Runx2)，继而促进成骨分化和骨形成[9-10]。此外，BMP/TGF-β通路还可通过与其他成骨相关通路如 Wnt、MAPK、Notch、Hedgehog (Hh)等交互作用在骨组织代谢中发挥调节作用[11]。

2.2BMP/TGF-β信号通路对骨形成的影响BMP/TGF-β信号通路参与并精细调节骨形成过程，同时任何干扰BMP/TGF-β信号通路及相关调节因子的因素都可能造成骨形成障碍及发育不全。已有研究[12]表明， BMPs (BMP 2、BMP 4、BMP 6、BMP 7、BMP 9)能够诱导干细胞成骨分化，促进骨和软骨形成，在骨愈合、生物工程及再生医学方面具有重要的应用潜能。其中，BMP 2和BMP 4缺失可导致小鼠四肢严重发育不全[13]。而TGF-β受体(TGFβR1和TGFβR2)的缺失造成小鼠长骨、软骨缺陷；Smads蛋白如Smad 1敲除的小鼠则异位软骨形成，成骨细胞增殖、分化受损[14-15]。

3miRNAs经BMP/TGF-β信号通路对骨形成的调控作用

3.1调节Smads蛋白Smads蛋白在经典的BMP/TGF-β信号通路中发挥重要的功能。Wu等[16]研究发现，在BMP 2诱导的成骨分化中，miR-30家族成员显著下调；进一步研究表明，miR-30家族成员直接作用于Smad 1和Runx2，进而抑制骨形成。同样，miR-199a可通过显著抑制Smad 1的表达而抑制C3H10T1/2干细胞的早期软骨分化[17]。而Li等[18]在BMP 2诱导的C2C12细胞成骨分化中发现，miR-133和miR-135表达下调，两者分别作用于Runx2和Smad 5，协同抑制骨形成。miR-21通过抑制 Smad 7(BMP信号通路抑制剂)，促进BMP 9诱导的小鼠多能细胞成骨分化[12]。Cheung等[8]发现，miR-146a过表达后，Smad 2/3下调，而Smad 2/3的抑制促进Smad 1/5/8上调，进而上调转录因子Runx2，促进胎儿股骨干细胞成骨分化，但软骨相关基因SOX9表达下调，导致软骨形成被抑制。

3.2调节BMPs及其受体miRNAs可以通过调节BMPs及其受体调控骨形成。Liao等[19]研究发现，BMP-2 和miR-148b共表达的脂肪来源干细胞可以促进其自身成骨分化，加速裸鼠颅骨缺损(直径达 4 mm)的骨愈合和骨改建。在对Satb 2诱导小鼠骨髓基质干细胞成骨分化的研究中发现，miR-27表达下降而其靶基因BMP 2、 BMPR1A等升高，过表达miR-27则显著抑制骨形成，说明miR-27可能通过BMP/TGF-β信号通路调节骨形成[20]。同样，miR-140-5p 和miR-654-5p 可通过直接抑制靶点BMP-2的表达而抑制基质干细胞的成骨分化[21-22]。miR-542-3p 则可通过抑制BMP 7及其调控信号通路而抑制成骨细胞增殖和分化[23]。

miRNAs也可以通过调节BMP信号通路抑制因子调控骨形成。Zhang等[24]研究表明，miR-20a能下调抑制剂PPARγ、 Bambi 、 crim 1，进而增强BMP/Runx2 信号通路，促进人基质干细胞成骨分化。miR-15b直接作用于Smurf 1，通过抑制其降解成骨转录因子Runx2而促进成骨细胞分化[25]。

3.3调节TGF-β相关因子Mizuno等[26]发现，miR-210能够促进BMP-4诱导的成骨细胞分化。其机制是： miR-210通过抑制ACVR1B的表达而抑制TGF-β/activin信号通路，从而促进ST2细胞骨形成。miR-29b 能直接下调TGFβ-3、 ACVR2A等成骨抑制因子，进而促进MC3T3细胞成骨分化[27]。miR-181a能通过抑制TGF-βI和TβR-I/Alk5而促进C2C12和MC3T3细胞成骨分化[28]。以上研究表明，多种miRNAs可以参与调节BMP/TGF-β信号通路而对骨形成起到重要的调控作用。

4小结

综上所述，在骨形成这一复杂、精细的调控网络中，miRNAs发挥着不可或缺的重要调节作用。miRNAs通过参与并调节BMP/TGF-β信号通路影响骨形成，但其仅限于细胞和动物实验研究中，而临床应用尚未得到证实。随着研究的不断深入，许多问题尚待解决：成骨相关miRNAs如何被启动并作用于骨相关特异性转录因子? LncRNAs等非编码RNAs是否参与调控骨形成过程？过表达或沉默的相关miRNAs对成骨调节的起效时间和维持时间及其在临床骨缺损或发育异常上的应用如何？总之，miRNAs的研究还处于起步阶段，其在骨形成方面及其他领域都需要进行更深入的研究和探索，进而更好地服务于临床。

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中图分类号R783

文献标志码A

通讯作者龚逸明，E-mail: gongymingi@aliyun.com