miR-124在神经系统发育、损伤及修复中作用的研究进展

杨俊娜，何丽，徐陶，许阿香，徐瑞，杨帆，曾俊伟

(遵义医学院生理学教研室 贵州省麻醉与器官功能保护重点实验室，贵州遵义 563000)

微小RNA (miRNA) 是一类多功能的内源性非编码小分子RNA，长度为18～25个核苷酸序列，与靶mRNA分子的3′非翻译区(3′-UTR)不完全性互补结合，在转录水平调控基因表达与蛋白合成，参与细胞增殖、分化、凋亡等生命活动过程[1]。早在2002年，Lagos-Quintana等[2]首次发现miR-124高表达于小鼠脑组织。miR-124具有三条未成熟的前体序列，分别为miR-124-1、miR-124-2和miR-124-3，分别定位于染色体8p23.1、8q12.3和20q13.33[3]，Dicer酶剪切后成为成熟的miR-124序列，与下游靶基因序列结合，发挥生物学效应[4]。在大鼠、小鼠、果蝇以及非洲爪蟾等多物种组织中均有miR-124表达，其基因结构和功能在物种进化的过程中具有高度保守性。使用miRNA分子靶基因预测数据库miRbase、Target scan和miRDB对人类miR-124靶基因进行预测并结合韦恩分析，在不同数据库中共同预测到256个靶分子，其中NR4A1、SERP1、ROCK1等在脑发育以及神经损伤与修复中均有非常重要的作用[5～7]。提示miR-124可能与神经系统发育、损伤与修复密切相关。近年来，围绕这一方面的研究取得了一些进展，现综述如下。

1 miR-124在神经系统组织中的表达

在外周神经系统，miR-124表达于Corti′s器、嗅神经、背根神经节、交感神经节以及视网膜等部位[3,8]；在小鼠中枢神经系统中miR-124的表达量是肝、肾、肺、脾等器官的100倍以上。miR-124在人脑组织中表达水平较高，占成年人大脑中总miRNA的25%～48%，在大脑皮层含量最多；与大脑皮质相比，miRNA在小脑中所占的比例约为60%，在脊髓的比例约为35%[9]。其次，在海马、枕叶、颞叶、中脑黑质、脑室下区和脊髓背角等部位miR-124表达亦较高。miR-124在脑区高水平表达提示其与神经系统的发育密切相关。形态学观察结果显示，小鼠内耳神经干细胞、前额叶皮质神经元、皮层星形胶质细胞、海马神经元、脊髓的神经元和小胶质细胞、背根神经节的神经元和小鼠中脑小胶质细胞表达miR-124[10]。在离体条件下，培养的小鼠交感神经元、CX3CR1-GFP小鼠骨髓来源巨噬细胞诱导的小胶质细胞，以及肌萎缩侧索硬化小鼠的脊髓和脑干部位的神经干细胞中均观察到miR-124表达[11～13]。在BV-2小胶质细胞、SH-SY5Y细胞、U87神经胶质瘤细胞以及MN9D多巴胺神经元等细胞系也观察到miR-124表达[14]。

2 miR-124在神经元发育过程中的作用

在小鼠胚胎脑发育过程中，miR-124表达与大脑神经元发育成熟趋势相一致，在出生后仍然高表达。将秀丽隐杆线虫和果蝇脑组织的神经元和星形胶质细胞共培养发现，miR-124优先表达于神经元。Baek等[15]研究发现，将miR-124转染到HeLa细胞之后，可抑制数百种非神经元基因表达。由此初步推测，miR-124可能在神经元的发育成熟阶段发挥作用，对于非神经元细胞的生长发育亦具有一定调控作用。近年研究表明，miR-124不仅可促进干细胞向神经元方向分化，而且对于神经元突起的延伸具有促进作用。

2.1 促进干细胞向神经元分化 神经干细胞(NSCs)具有增殖能力与分化能力，在神经系统发育过程中起着至关重要的作用[16]。miR-124可作用于以下下游靶点，促进多种干细胞或祖细胞向神经元方向分化：①性别决定区Y框蛋白9(SOX9)： miR-124和sox9共表达于室管膜室下区(SVZ)干细胞。在成年小鼠的脑室下区，miR-124过表达可显著降低转录子SOX9表达，促进SVZ干细胞向神经元发育，而不是向星形胶质细胞发育[17]。②原肌球蛋白相关激酶B(TrkB)和细胞分裂周期蛋白42(Cdc42)：在新生C57BL/6小鼠的螺旋神经节，miR-124可促进TrkB和Cdc42表达，促进内耳神经干细胞向神经元分化，神经元特异性Ⅲ类β-微管蛋白(Tuj1)的表达在第3天开始升高，在第14天达到顶峰。相反，miR-124表达下调导致TrkB和Cdc42蛋白表达降低，神经元分化减慢，突起生长停滞[18]。③RNA聚合酶Ⅱ的C端结构域多肽的小磷酸酯酶1(SCP1)：在鸡脊髓神经祖细胞，miR-124与SCP1的3′-UTR端结合，抑制SCP1表达，导致REST/SCP1信号通路受到抑制，从而解除SCP1抑制神经祖细胞向神经元分化的效应[19]；⑤特异性蛋白1(SP1)：SP1是一种转录因子，在调控细胞周期中具有关键作用。脂肪来源的间充质干细胞向神经元发育过程中，miR-124能够与SP1结合，促进间充质干细胞向神经元分化[20]；⑥促红细胞产生肝细胞受体B1(Ephrin B1)：miR-124能够通过与Ephrin B1结合，降低Ephrin B1表达，促进神经干细胞向神经元分化[21]；相反，在Ephrin B1基因敲除小鼠神经干细胞向神经元分化增加。

在研究神经发育的分子机制时发现，miR-124过表达可作用于M17细胞的下游靶点Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶1(ROCK1)，显著下调ROCK1表达，减弱其对PI3K/Akt信号通路的抑制作用，促进M17细胞向神经元分化[22]；而在P19细胞中，miR-124下游靶点有多聚嘧啶序列结合蛋白1(PTBP1)和Ⅱa类组蛋白去乙酰化酶(HDACs)。miR-124可下调PTBP1和HDACs表达，促进PTBP2以及转录因子MEF2C表达，靶向M6a转录起始位点，促进M6a表达，进而促进P19细胞向神经元分化[23]。

2.2 促进神经元突起延伸 神经元的突起不仅能够将胞体发出的冲动通过突起传递给另外一个神经元，而且也是神经元接受信号的重要入口。在神经系统发育过程中，miR-124可能是通过作用于下游靶点促进了神经元突起的延伸：①HDAC5和Ras家族同源性生长相关基因(RhoG)：HDAC5可抑制C57/BL小鼠皮层神经元突触的生长和延伸；而miR-124能下调HDAC5表达，促进神经元突触和轴突生长[24]。在大鼠海马神经元，RhoG活性增强，可通过ELMO/Dock180/Rac1通路抑制突触形成与突起延伸；miR-124与RhoG的3′-UTR结合，下调RhoG表达，促进突触形成与突起延伸[25]。②Ras家族相关蛋白Rap2a：Rap2a能够显著抑制神经元树突形成。小鼠大脑神经元中，miR-124结合Rap2a的3′-UTR来抑制Rap2a表达，负性调节AKT/GSK3β信号，解除Rap2a对神经元突起生长的抑制效应，从而促进神经元突起延伸[26]。③氧甾醇结合蛋白(OSBP)：OSBP的3′-UTR存在4个保守的miR-124靶基因位点。在C57BL/6小鼠脑发育过程中，miR-124高表达引起OSBP表达下降。在N2a神经瘤母细胞，miR-124通过与OSBP结合，降低其表达，可促进N2a细胞中神经突触的生长和延伸[27]。④cAMP反应元件结合蛋白1 (CREB1)：海兔感觉神经元和运动神经元共培养，miR-124与CREB1的3′-UTR相结合，抑制CREB1 表达；miR-124表达降低时CREB1表达上调，突触可塑性增强[28,29]。

2.3 参与胶质细胞发育成熟 神经胶质细胞包括星形胶质细胞、少突胶质细胞、施万细胞和卫星细胞。神经胶质细胞调节突触的生长和兴奋性，对神经系统发育有重要影响。放射状胶质细胞转化为星形胶质细胞是皮层发育过程中的一个重要事件，而miR-124在此过程中发挥重要作用。miR-124可与Jagged2(Jag2，Notch1的配体)结合，使Jag2表达显著下调，进而抑制Notch1信号通路，促进皮层放射状胶质细胞向星形胶质细胞的转化[30]。敲除Dicer1基因小鼠大脑皮层Jag2表达增强，导致放射状胶质细胞转化为星形胶质细胞出现延迟，大脑皮层中易位的放射状胶质细胞数目明显减少。此外，miR-124在少突胶质细胞的发育以及髓鞘形成过程中也发挥了重要作用。原位杂交技术观察显示，miR-124通过抑制其靶基因rabgef1表达，导致包裹在轴突外侧的少突胶质细胞数目减少。斑马鱼胚胎注射吗啉后腹侧后脑miR-124表达降低，神经元轴突的发育不良，尾巴形态异常弯曲[31]。

3 miR-124在神经损伤与修复过程中的作用

研究发现，小鼠大脑皮层撞击损伤3天后，损伤区域小胶质细胞显著活化，miR-124表达同步增加；将损伤后小鼠脑组织提取物与BV2细胞共培养，发现miR-124可促进BV2细胞向M2型极化，从而抑制神经炎症发生。随后研究证实，miR-124作用于靶基因PDE4B，抑制PDE4B和后续的mTOR信号通路，导致促炎性细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α下调，而抗炎因子IL-10上调[32]。Yu等[33]检测到脑出血小鼠脑损伤区域miR-124表达显著降低；脑室注射miR-124模拟物后，miR-124模拟物作用于下游靶点C/EBP-α，抑制C/EBP-α表达，导致促炎性细胞因子IL-1β和TNF-α表达显著下降，而抗炎因子IL-10表达上调，细胞凋亡减少，M2型小胶质细胞标记物Arg-1表达也显著上调。证实miR-124能促进小胶质细胞向M2型极化，发挥抗炎作用，减轻神经系统损伤。

C57BL/6小鼠脊髓灰质损伤后周围神经元中miR-124表达逐渐降低，损伤7天时miR-124表达为未损伤时的1/6[34]。Louw等[35]在离体实验和在体实验均观察到，大鼠脊髓小胶质细胞miR-124过表达可降低骨髓来源的小胶质细胞MHC-Ⅱ表达，并可抑制TNF-α以及ROS产生。Song等[36]研究发现，miR-124a可抑制脊髓损伤大鼠吡哆醛激酶的活性，导致磷酸吡哆醛代谢紊乱，进而引起氨基酸代谢紊乱以及神经系统继发性损伤。这些研究说明，miR-124不仅能够特异性反映脊髓的损伤程度，且有可能成为药物治疗促进神经损伤后修复的作用靶点之一。Zhao等[34]将小鼠BMMSCs诱导分化成神经元细胞并过表达miR-124后移置入损伤脊髓的小鼠体内，小鼠脊髓损伤症状得到显著缓解；转染miR-124的大鼠NSCs经过静脉注射进入脊髓损伤大鼠体内，同样能促进NSCs分化成神经元和星形胶质细胞，促进脊髓损伤后的恢复。

综上所述，miR-124作为一个重要的、多效能的miRNA，广泛表达于外周和中枢神经系统，不仅可促进神经系统的发育成熟，而且参与神经损伤后的修复。miR-124在神经系统中表达下降往往是神经系统退行性变以及胶质瘤病变的一个重要环节。miR-124相关的信号通路机制虽已被初步被阐明或证实，但可能也有许多潜在的机制还没被发现。对此进行深入研究将使miR-124在神经系统的发育或病变过程中的作用更加明确，也可为神经系统疾病的治疗提供新思路。在神经系统发育及损伤修复过程中，miR-124表达呈动态变化，提示miR-124表达可反映神经发育或损伤或病变的程度，可能成为药物治疗的作用靶点之一。血清miR-124表达与神经系统发育或疾病关系的研究可能在未来受到重视。

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