miRNA—146的靶基因及其参与的信号通路与骨关节炎

郭佩　叶志中　尹志华　何伟珍

【摘 要】 骨关节炎对个人健康和社会经济造成重大影响，目前仍缺乏相对有效的预防和治疗措施。了解骨关节炎发病的分子机制，包括细胞外调节和细胞内的信号传导机制，有助于找到潜在的治疗靶点。文章结合近几年的国内外研究，就miRNA-146的结构特性、靶基因、参与的信号通路及其与骨关节炎的关系进行了探讨。

【关键词】 骨关节炎；miRNA-146；靶基因；信号通路

doi：10.3969/j.issn.2095-4174.2016.01.018

骨关节炎（osteoarthritis，OA）是一种以关节软骨退变、破坏、消失和关节周围骨质增生为主要病变特征的慢性进行性疾病，随着年龄增加，患病率显著升高。临床表现为关节及其周围缓慢进展的肿胀、疼痛，伴功能障碍。由于软骨组织病变的不可逆性，目前临床上还未出现一种有效的治疗方法。分子机制研究表明，某些miRNAs会影响软骨细胞的表型转变、细胞凋亡和基因表达[1]。miRNA有重要的调控作用，进一步了解其靶基因、信号传导通路可能促进新药物的研究进展，调控miRNA相关蛋白的表达可能成为治疗OA的新靶点。在OA患者中，可以检测出多种miRNA的水平发生改

变[2]；其中miRNA-146直接介导炎症反应，研究了解miRNA-146在OA中的调控及作用机制，可能对控制关节炎性破坏和刺激修复具有重要作用[3]。

1 miRNA

21世纪后，有关miRNA的研究高速发展，并取得了一定的成就。研究证实，miRNA不仅在生物体生长发育如胚胎形成、器官发育、肿瘤生成等过程中发挥重要作用，还参与多种人类疾病的进程，如心律失常、心肌肥大、类风湿关节炎、肿瘤等。

1.1 miRNA基本结构与生物学特征 miRNA广泛存在于天然基因组中，是内源性非蛋白编码的单链小分子，长度在20～24 nt之间，隶属小RNA家族。其由内含子和编码基因间隔区的基因共同编码，5'端为一磷酸基团，3'端为羟基。至2011年，从动植物、微生物、病毒中已经预测出15 000余个miRNA序列，其中与人类相关的miRNA序列有1900个[4]。尽管在数量上仅占1%，但能够调控人体30%表达蛋白质的基因[5-6]；此外，一个miRNA相应的靶基因通常不止一个[7]。

在细胞核中，miRNA的编码基因在RNA聚合酶Ⅱ、Ⅲ的共同作用下转录形成具有发夹结构的原始miRNA（pri-miRNA），pri-miRNA的发夹能被Drosha-DGCR8微处理复合体识别并裂解为前体miRNA （pre-miRNA）；然后，pre-miRNA被Exportin-5转运至细胞质，经Dicer酶处理成为长约21个核苷酸的成熟miRNA，即miRNA二聚

体[8-9]。此二聚体在RNA解旋酶的作用下选择5'端更不稳定的一条链作为主要的miRNA保留下来，另一条链在多数情况下被降解[10]。

成熟的miRNA在双链RNA结合蛋白TRBP和PACT的协助下被AGO2结合并形成miRNA，接到靶基因mRNA的降解或者翻译抑制，因此通常miRNA是负向调控基因。当miRNA与靶基因mRNA3'端非翻译区序列（UTR）的结合位点完全匹配时，靶mRNA降解，这种情况多见于植物；对于哺乳动物而言，大多数miRNA与靶基因的结合为不完全配对，主要引起mRNA翻译抑制，从而实现对靶基因的转录后调控[11]。

研究表明，miRNA在人类的唾液、血液、尿液、关节液等体液中稳定存在，提示其有可能成为疾病诊断和预后的重要生物标志物[12]。miRNA序列结构和表达方式的多样性，使其有可能以miRNA编码蛋白质调节因子的身份，调控基因表达、细胞周期调控乃至影响整个个体发育。总而言之，miRNA可能在基因表达调节控制领域中起着非常重要的作用，可能会给基因治疗、新药研发、针对性治疗提供一个新的平台。

1.2 miRNA与OA miRNA可以在正常人及OA患者的关节液中稳定表达[12-13]，提示miRNA在OA领域的研究可行性。Iliopoulos等[2]调查365例

关节软骨受损者的miRNA后发现，与健康人群相比，有16种miRNA存在差异表达；Jones等[13]检测157人的miRNA后发现，某些miRNA在OA患者中存在差异表达。我们可以通过检测关节液中miRNA的表达水平变化来进一步了解OA的临床进展，有可能识别与关节软骨病变相关的关键miRNA，从而找到OA治疗的新靶点。

2 miRNA-146

现阶段，miRNA家族中关于miRNA-146研究最为广泛。miRNA-146是一个典型的多功能基因，参与众多生理、病理进程，如炎症、造血和肿瘤的发生发展[14]。数据显示，miRNA-146在肺、肾、皮肤、甲状腺、胸腺的免疫及炎症反应中表达的水平都很高，这种广泛的表达说明miRNA-146在病理、生理过程中极可能起着重要作用。

2.1 miRNA-146基本结构与生物学特征 miRNA-146家族由miRNA-146a和miRNA-146b两个

成员构成，其中miRNA-146a定位于第5号（5q33）

染色体loc285 628基因的第2个外显子区，miRNA-

146b定位于第10号（10q24）染色体上；这两个miRNA只有3'末端的2个核苷酸不同，其余序列一模一样[15]。然而，它们在生物活性方面有很大差异：脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）刺

激后，通常仅表达成熟的miRNA-146a，而无miRNA-146b产生。此外，不同物种之间miRNA-

146的结构高度一致。

2.2 miRNA-146与免疫反应 miRNA-146是首个被发现在免疫系统中具有调节作用的miRNA，尤其是在固有免疫系统中。Taganov等[16]检测200多个人类单核细胞中的表达miRNAs后得出，miRNA-146可被LPS、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、白细胞介素（interleukin，IL）等促炎症因子所诱导，是一种内毒素响应性基因。

目前研究显示，miRNA-146一方面可以通过作用于TLR4/MYD88/NF-κB通路和RIG-I通路中的肿瘤坏死因子受体相关因子6（TNF receptor associated factor6，TRAF6）、IL-1受体相关激酶-1（IL-1 receptor associated kinase 1，IRAK1）和IL-1受体相关激酶-2（IL-1 receptor associated kinase 2，IRAK2）负向调控固有免疫反应的强度[17]；另一方面可以通过抑制转录因子AP-1的活性而降低IL-2的表达，抑制T细胞增殖，并通过抑制Fas相关死亡结构域蛋白（fas-associated death domain protein，FADD）的合成阻止T细胞发生活化诱导的细胞死亡（activation-induced cell death，AICD）过程[18]；同时miRNA-146还可以作用于IFN信号通路IRF5和信号转导蛋白及转录激活物（STATI），抑制IFN的产生[19]。

2.3 miRNA-146与IRAKI/TRAF6、TNF-α/IL-β通路信号通路 Jones等[13]研究显示，在OA早期阶段，miRNA-146a与NF-κB途径中多个基因密切关联，但在中、晚期OA患者软骨细胞中miRNA-146a的表达受抑制。miRNA-146a的表达减少可能是促进OA发展的影响因素。Toll样受体（toll-like receptors，TLRs）是新近发现的存在于哺乳动物细胞表面，在天然免疫中发挥重要作用的一种细胞跨膜蛋白受体，亦是病原模式识别受体之一，可以有效识别各种入侵的病原体并通过与配体结合的方式启动天然免疫反应。研究表明，当受到LPS、TNF-α和IL-β等刺激时，单核细胞中的miRNA-146表达会显著增加。miRNA-146启动子区有NF-κB结合位点，LPS、TNF-α和IL-β等刺激使miRNA-146表达增加是NF-κB依赖的。现有资料证明，TNF-α和IL-β通路中2个重要的衔接分子IRAKI和TRAF6，是miRNA-146的重要靶基因[1，20]。miRNA-146通过NF-κB与miRNA的3'-UTR结合，可以抑制编码IRAK1基因和TRAF6基因的表达，也就是说当miRNA-146表达升高时，IRAKI和TRAF6表达均下调。因此，Taganov等[16]认为，miRNA-146通过负向反馈的方式调控TLR信号通路的表达，从而应对外来病原体的感染入侵。

2.4 miRNA-146与Smad4、TGF-β/Smad信号通

路 Zhang等[21-22]通过分析Smad4潜在靶点的miRNA

发现，miRNA-146b、miRNA-199a和miRNA-633有调节Smad4表达和TGF-β/SMad信号通路的潜力。Jing[3]首次证实Smad4是miRNA-146a的直接靶基因，推测在OA发生发展过程中，miRNA-146a表达水平的升高引起其靶基因Smad4的表达下调，进而通过诱导血管内皮生长因子表达增加，抑制TGF-β/Smad信号通路以及诱导细胞凋亡，软骨细胞中合成与分解之间的代谢平衡关系被打破。因此miRNA-146a可以作为OA的治疗靶点，对miRNA-146a的水平进行适当的干预将有助于控制OA的发生和发展。

2.5 miRNA-146与OA OA的基本病理特征是软骨的破坏消失和细胞外基质的降解。分解代谢和合成代谢的失衡是导致OA的重要原因，但是目前其分子机制尚未完全清楚[23]。与正常的软骨组织相比，在OA病变组织的软骨细胞中，分解型因

子[24]如IL-1、TNF-α表达水平显著升高，并伴随着转化生长因子-β（transforming growth factor beta，

TGF-β）水平的下降。许多细胞因子参与这一过程。在OA中，TGF-β超家族成员起合成代谢或者保护作用。而促炎症因子如IL-1β和TNF-α起分解代谢作用，加重了软骨破坏。miRNA-146a在OA患者的软骨组织合成分解代谢平衡中扮演着重要角色，但机制尚未完全清楚。Nakasa等[15]对OA患者软骨细胞miRNA-146a基因表达谱的研究表明，OA轻度患者的软骨细胞中miRNA-146a呈高表达，且miRNA-146a的表达受IL-1的影响，该研究表明，miRNA-146a是OA涉及软骨病变的基因作用靶点。Li等[25]研究发现，miRNA-146与OA导致的慢性疼痛有关，在大鼠OA模型中可以通过调控miRNA-146的表达有效减轻疼痛。另有资料显示，miRNA-146a参与软骨细胞的凋亡进程[26]。靶基因Smad4的表达能够抑制软骨细胞肥大化及细胞进一步凋亡，然而miRNA-146a可以负向调控软骨细胞的Smad4的基因表达从而促进软骨细胞凋亡。

3 展 望

总之，miRNA可能在基因表达领域中起着重要的调控作用，随着科技不断发展，miRNA和靶基因检测技术愈加成熟，可能为基因治疗、药物研究、针对性治疗提供一个新的平台。miRNA-146可以通过多条信号通路调控基因表达，而在同一条信号通路中可以有多个靶点同时存在。miRNA-146在OA中的差异性表达有可能揭示新的重要调控途径，并为OA的发病机制和治疗干预提供一个新的思路。

4 参考文献

[1] Miyaki S，Asahara H.Macro view of microRNA function in osteoarthritis[J].Nat Rev Rheumatol，2012，8（9）：543-552.

[2] Iliopoulos D，Malizos KN，Oikonomou P，et al.Integrative MicroRNA and Proteomic Approaches Identify Novel Osteoarthritis Genes and Their Collaborative Metabolic and Inflammatory Networks[J].Plos One，2008，3（11）：e3740.

[3] Jing Li.The role of micro-146a in osteoarthritis and the underlying mechanism[D].Shanghai：Institute of Health Sciences for Chinese Academy of Science，2012.

[4] Kozomara A，Griffiths-Jones S.miRBase：integrating microRNA annotation and deep-sequencing data[J].Nucleic Acids Res，2010，39（1）：D152-157.

[5] Olena AF，Patton JG.Genomic organization of microRNAs[J].J Cell Physiol，2010，222（3）：540-545.

[6] Jayaswal V，Lutherborrow M，Ma DD，et al.Identification of microRNA-mRNA modules using microarray

data[J].BMC Genomics，2011，12（3）：344-348.

[7] Rajewsky N，Socci ND.Computational identification of microRNA targets[J].Dev Bio1，2004（2）：529-535.

[8] Djuranovic S，Nahvi A，Green R.A Parsimonious Model for Gene Regulation by miRNAs[J].Science，2011，

331（6017）：550-553.

[9] Barter MJ，Bui C，Young DA.Epigenetic mechanisms in cartilage and osteoarthritis：DNA methvlation，histone modifications and microRNAs[J].Osteoarthritis

Cartilage，2012，20（5）：339-349.

[10] Kertesz M，Iovino N，Unnerstall U，et al.The role of site

（下转第74页）

（上接第66页）

accessihility in microRNA target recognition[J].Nat Genet，2007，39（10）：1278-1284.

[11] Wienholds E，Plasterk RHA.MicroRNA function in animal development[J].Febs Letters，2005，579（26）：5911-5922.

[12] Chakraborty S，Baine MJ，Sasson AR，et al.Current status of molecular markers for early detection of sporadic pancreatic cancer[J].Biochim Biophys Acta，2011，1815（1）：44-64.

[13] Jones SW，Watkins G，Le Good N，et al.The identification of differentially expressed microRNA in osteoarthritic tissue that modulate the production of TNF-alpha and MMP13[J].Osteoarthritis Cartilage，2009，17（4）：464-472.

[14] Lu LF，Boldin MP，Chaudhry A，et al.Function of miRNA-146a in controlling Treg cell-mediated regulation of Th1 response[J].Cell，2010，142（6）：914-929.

[15] Nakasa T，Miyaki S，Okubo A，et al.Expression of microRNA-146 in rheumatoid arthritis Synovial tissue[J].Arthritis Rheum，2008，58（5）：1284-1292.

[16] Taganov KD，Boldin MP，Chang KJ，et al.NF-κappaB dependent induction of microRNA miR-146，an inhibitor targeted to signaling proteins of innate immune responses[J].Proc Nati Acad Sci U S A，2006，103（33）：12481-12486.

[17] Hou J，Wang P，Lin L，et al.MicroRNA-146a feedback inhibits RIG-I-dependent type I IFN production in macrophages by targeting TRAF6，IRAK1，and IRAK2[J].J Immunol，2009，183（3）：2150-2158.

[18] Curtale G，Citarella F，Carissimi C，et al.An emerging player in the adaptive immune response：micro-

RNA-146a is a modulator of IL-2 expression and

activation-induced cell death in T lymphocyte[J].Blood，2010，115（2）：265-273.

[19] Tang Y，Luo X，Cui H，et al.MicroRNA-146a Contributes to Abnormal Activation of the Type I Interferon Pathway in Human Lupus by Targeting the Key Signaling Proteins[J].Arthritis Rheum，2009，60（4）：1065-1075.

[20] Pauley KM，Chan EK.MicroRNAs and their emerging roles in immunology[J].Ann NY Acad Sci，2008，1143（1）：226-239.

[21] Zhang Y，Fan K J，Sun Q，et al.Functional screening for miRNAs targeting Smad4 identified miR-199a as a negative regulator of TGF-β signalling pathway[J].Nucleic Acids Research，2012，40（18）：9286-9297.

[22] Liu Z，Lu CL，Cui LP，et al.MicroRNA-146a modulates TGF-β1-induced phenotypic differentiation in human dermal fibroblasts by targeting SMAD4[J].Arch Dermatol Res，2012，304（3）：195-202.

[23] Kapoor M，Martel-Pelletier J，Lajeunesse D，et al.Role of proinflammatory cytokines in the pathophysiology of osteoarthritis[J].Nat Rev Rheumatol，2011，7（1）：33-42.

[24] Aigner T，Soeder S，Haag J.IL-1 beta and BMPs-interactive players of cartilage matrix degradation and degeneration[J].Eur Cell Mater，2006，12（7）：49-56.

[25] Li X，Kroin JS，Kc R，et al.Altered spinal microRNA-146a

and the microRNA-183 cluster contribute to osteoarthritic pain in knee joints[J].J Bone Miner Res，2013，28（12）：2512-2522.

[26] Li J，Huang J，Dai L，et al.miRNA-146a，an IL-1β responsive miRNA，induces vascular endothelial growth factor and chondrocyte apoptosis by targeting Smad4[J].Arthritis Res Ther，2012，14（2）：R75.

收稿日期：2015-09-18；修回日期：2015-10-26