MicroRNA-21与骨质疏松症相关性的研究进展

柳博 徐世红 谢兴文,3* 李宁 黄睿 丁聚贤 钱敏 郭宏刚 施彦龙

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000

2.甘肃省中医药研究院，甘肃 兰州 730050

3.西北民族大学附属医院，甘肃 兰州 730030

骨质疏松症的主要临床表现为全身性骨痛、身体畸形及并发的骨质疏松性骨折。最新的调查[1]表明我国65岁以上的老年人骨质疏松患病率为32 %。相关数据显示，当前我国大于60岁人口约占总人口的10.1 %[2]，因此，随着我国老龄化进程的日益加剧，该病发病率呈现逐年上升趋势。有数据[3]显示，预计到2050年，骨质疏松所导致的骨折相关医疗支出将达到1 745亿元。由此可见，骨质疏松现已是我国面临的重要社会公共卫生问题，但相关治疗药物存在着品种单一、副作用明显等不足之处。因此，寻找其疾病靶基因对骨质疏松的治疗将起到事半功倍的作用。近年来随着对microRNA的深入研究，发现其家族中microRNA-21在调控骨骼代谢方面起着重要的作用，尤其是在成骨细胞和破骨细胞的分化与功能方面具有举足轻重的作用。因此，本文通过文献的回顾性分析，进一步阐释microRNA-21在骨质疏松中的相关分子机制，为临床治疗和基础研究提供一定的借鉴。

1 MicroRNA与骨质疏松的研究

1.1 骨质疏松的发病机制

人体中的骨骼在一生中持续不断地进行着骨重塑，即破骨细胞对受损骨组织的骨吸收和成骨细胞的新骨形成的过程，而成熟骨组织的维系依赖于骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cell，BMSCs)来源的成骨细胞的骨形成与造血干细胞 (hematopoietic stem cell，HSC)来源的破骨细胞骨吸收之间的动态平衡关系[4-5]；作为一种全身代谢性骨骼疾病，OP的发生机制主要是因为骨重塑的这种微妙动态平衡状态被打破，即体内骨代谢平衡打破，骨吸收远大于骨形成，从而表现为骨量的流失，进一步出现全身性的骨痛及各种骨折并发症。随着对microRNA在人体细胞增殖、分化及凋亡等过程中重要作用的揭示[6-10]，并且其在疾病发生发展过程中具有的特异性表达，为骨质疏松的全新靶向治疗方式提供了极大的可能性。

1.2 MicroRNA与骨质疏松

MicroRNA是一类内生长度约为18～22个核苷酸的单链非编码小RNA分子，其在细胞内具有多种重要的调节作用；microRNA转录后水平与靶基因mRNA的3- untranslation region(3-UTR)不完全碱基配对，进一步调控30 %以上基因的表达[7-9]；microRNA通过改变相应的基因表达，可以调控细胞分化、凋亡、血管生成和细胞增殖等多种细胞生理过程[6,10]，可作为维持细胞生长动态平衡的良好候选基因，也为骨质疏松的防治提供了新的方向。

随着近年来对骨质疏松发病机制的研究，越来越多的研究[11]表明microRNA与骨重塑的关系密切，如miR-214可通过靶向FGFR-1减弱间充质干细胞的成骨分化，还可通过靶向Pten/PI3k/Akt通路促进破骨细胞形成[12]；相关研究[13-15]发现miRNA家族成员miRNA-214和miR-29c可有效调控间充质干细胞成骨分化，主要表现为促进BMP-2、Wnt/β-Catenin通路的激活并调控骨基质蛋白的表达。同时相关研究[16-19]发现miR-27、miR-2861、miR-3960、miR-335-5p、miR-204等microRNA均在调控成骨分化中有特异性表达。

近年来随着对microRNA在抗骨质疏松机制中作用的不断深入研究，尤其是发现了其家族中microRNA-21在调控成骨细胞和破骨细胞的分化与功能方面起着重要作用；作为体内重要的转录后调控因子，microRNA-21基因位于第17号染色体，全长22 nt，参与体内多个生物过程，如miRNA-21可以通过靶向抑制紧张素同源蛋白(PTEN)及调控TGF-β1信号通路抑制骨肉瘤细胞增殖[20]；亦可靶向抑制PTEN的表达以促进肿瘤细胞增殖和迁移[21]，此外microRNA-21还可通过PTEN/PI3K/Akt/mTOR信号通路调节高血压大鼠的病理症状和心肌细胞凋亡[22]。关于骨质疏松的相关研究[23]表明，microRNA-21在OP患者血清中的表达明显高于对照组，并在OP患者并发的髋骨骨折患者中的表达水平存在显著差异[24]。microRNA-21在多个体内多个生物过程中均有表达，随着对其在OP机制中的研究不断深入，发现它在OP中具有显著的特异性表达，参与骨重塑过程并发挥着独特的作用[25]，现就microRNA-21在骨质疏松相关分子机制中的研究进行综述，为OP的防治提供一种新的靶标治疗方向。

2 MicroRNA-21在OP中的机制研究

2.1 Micro-RNA 21与成骨细胞的相关性

目前，相关的研究[26-29]表明，micro-RNA与相关的成骨因子之间存在着紧密联系，作为体内重要的转录后调控因子，参与了体内的多种生物过程，特别是肿瘤的发生发展及治疗；近年来的研究发现microRNA-21在调控成骨分化中也发挥着重要的作用。在研究细胞成骨分化的过程中发现，多种microRNA表达上调，其中包括microRNA-21，人为调控microRNA-21过表达可促进细胞成骨分化及异位成骨,并促进骨折愈合以及骨质疏松患者的成骨分化[30-31]。而间充质干细胞(MSC)分化为成骨细胞，作为成骨分化中关键的环节之一，相关研究[32]表明microRNA-21可以通过促使Sox2的表达进而调控MSC成骨分化及增殖；另有研究[33]发现当microRNA-21表达抑制时，TNF-α表达上调，导致成骨受到损害，进而导致机体骨形成与骨吸收失衡；而肿瘤坏死因子α(TNF-α)是一种具有诱导炎症介质激活、细胞凋亡及免疫调节的多效应细胞因子[34],在骨质疏松的相关分子机制中，对成骨分化具有重要的调控作用。已有研究[35]表明TNF-α能够抑制人牙周膜干细胞成骨分化，其主要作用机制为抑制Osterix、Runx2等成骨基因表达。综上所述，microRNA-21可能通过调控TNF-α、Sox2的表达及NF-κB信号通路的激活，进一步调控成骨的分化增殖，促进骨形成。

同时有研究[36]表明，在成骨分化中扮演着重要的角色的骨形态发生蛋白9(BMP-9)，是一种可高效诱导成骨分化的骨形态发生蛋白(BMPs)。在相关研究[37]中，小鼠多向分化干细胞(metanephric mesenchyme cell，MMC)在由BMP-9介导后，发现microRNA-21的水平显著上调，并且二者通过发挥协同作用，进一步促进碱性磷酸酶和钙盐沉积。因此，该研究表明MMCs中microRNA-21表达及增强BMP-9可诱导成骨细胞形成及其矿化。

Micro-RNA不仅可通过与相关成骨因子之间相互作用、在成骨分化中发挥作用，还可通过相关的成骨信号通路发挥调控作用；研究[38]发现Smad7对MMCs的成骨分化具有负向调控作用，具有抑制成骨细胞的增殖、分化和矿化的作用。在骨质疏松患者血浆中发现microRNA-21表达下降，Smad7处于高水平表达[39]，而microRNA-21则已经被证实可通过抑制Smad7促进MMCs的成骨分化[38]。此外BMP9/Smad信号通路在骨重塑的过程中起着重要作用，尤其在MSC分化过程中起着关键作用，并在此过程中处于持续激活状态[37]，同时microRNA-21与BMP9协同作用，进一步调节Smad7和BMP9/Smad信号通路的相互作用。上述的研究进一步表明，microRNA-21可能通过BMP9/Smad信号通路在成骨分化中发挥重要作用。

Liu等[40]发现microRNA-21与SPRY1、磷酸酶和紧张素同源物(PTEN)具有明显相关性，而且Sprouty1 (SPRY1)是ERK/MAPK信号通路的抑制因子，对该信号通路具有负调控作用。通过研究[41-43]发现，microRNA-21可以抑制SPRY1的表达，进而激活ERK/MAPK通路，从而证明microRNA-21可以促进MSC成骨分化，进一步证明了microRNA-21在促进成骨分化中的作用；另有研究[43]发现microRNA-21在促进MSC成骨分化过程中，可通过激活PI3K/AKT/GSK3β信号通路，促进ALP、Runx2、OCN等成骨基因的表达，进而促进成骨分化；Zhao等[44]通过反转录-定量聚合酶链反应技术对48例OP患者和48例正常人的骨组织和血清进行检测，发现在OP患者的标本中microRNA-21表达水平最低；同时该研究通过分离培养rBMSCs，实验组转染microRNA-21并诱导成骨，经过检测发现与模拟组相比，microRNA-21可显著促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化。

总之，microRNA-21可以通过调控MSC的成骨分化、TNF-α的表达以及ERK/MAPK信号通路、PI3K/AKT/GSK3β信号通路和BMP9/Smad信号通路等，调控成骨分化，在成骨细胞分化增殖过程中发挥着重要调控作用。

2.2 MicroRNA-21对OP中破骨细胞的作用

破骨细胞作为骨组织中唯一负责骨吸收的细胞类型，在功能上与成骨细胞相互对应、相互配合，在骨骼的形成和发育过程中发挥着重要作用。而破骨细胞的分化及其在骨代谢中功能的体现是一个复杂的协调过程，其中有多种细胞因子及信号通路共同参与；随着对microRNA在骨质疏松中相关分子机制的研究，microRNA-21在破骨细胞分化过程中起到的重要作用也得到了很好的揭示[45-47]。相关研究[48]证明了microRNA-21可调控骨髓间充质干细胞中RANKL/OPG的相对平衡，通过进一步降低成熟破骨细胞的再吸收活性来影响成熟破骨细胞的分化；而NF-κB配体受体激活剂(RANKL)作为成骨细胞分化过程中主要的驱动因子之一，可促进NF-κB、磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等破骨细胞分化所必需基因的激活和表达[49]。骨保护素 (osteoprotegerin,OPG)具有骨保护效应，可参与调节破骨细胞的分化和活化,与骨质疏松的发生密切相关[50]；NF-κB受体活化因子配体(RANKL)是OPG的配体之一，两者具有高度的亲和力，最新的研究[51]表明OPG可结合RANKL，通过阻断其促进破骨分化的作用，达到防治骨质疏松骨量流失的目的。Sugatani等[52]通过体外实验证实microRNA-21是rankl诱导破骨细胞分化的microRNA表达特征，并与雌激素对成熟破骨细胞的促凋亡作用相反[53]。Hu等[54]通过研究敲除microRNA-21的小鼠，发现microRNA-21在BMSCs不同功能方面的差异导致microRNA-21敲除小鼠维持骨形成和成骨细胞形成，同时在骨形成的过程中发现成骨细胞中microRNA-21靶向Spry1调节胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)信号通路，从而抑制RANKL和促进OPG升高，表明microRNA-21可促进破骨细胞的生成。

Sugatani等[53]报道雌激素下调microRNA-21的表达，而microRNA-21作用于靶点FasL蛋白，并促进FasL蛋白的表达，进一步诱导破骨细胞的凋亡。Fujita等[55]证实了转录因子活化蛋白-1(AP-1)可以上调microRNA-21的表达，而核蛋白转录因子(c-fos)蛋白是AP-1 的主要成分；在破骨细胞分化过程中，c-fos亦可上调 microRNA-21的表达水平，而microRNA-21作用于靶点程序性凋亡基因4(PDCD-4)的3’-UTR 区，可下调PDCD-4的蛋白表达，但PDCD-4又会抑制C-FOS的表达[52]，mircroRNA-21与PDCD-4、AP-1、C-FOS在破骨细胞的分化过程中，形成一个以microRNA-21为中心调节破骨细胞分化的网络。由此可见，microRNA-21在破骨细胞形成及凋亡过程中具有举足轻重的作用。

另外，Li等[56]对120例绝经后妇女血浆进行预选，检测三组的microRNA-21、microRNA-133a和microRNA-146a。microRNA-21的下调以及microRNA-133a的上调在骨质疏松症和骨量减少患者血浆中，与正常组相比发生了显著变化，并与骨密度相关，进一步表明microRNA-21可能被用作绝经后骨质疏松症的敏感和血浆生物标志物。由此可知，microRNA-21可以通过调控RANKL / OPG通路、增加RANKL表达、促进FasL蛋白表达升高来调控破骨细胞的骨吸收作用。

3 小结

近年来随着我国社会老龄化程度的不断加剧，OP的发病率逐年上升。作为一种全身代谢性疾病，OP患者的骨量流失，导致骨折风险增加，给患者及其家属带来痛苦和经济负担。目前临床上应用的抗骨质疏松治疗药物主要有阿仑膦酸钠、唑来膦酸、雷洛昔芬等[57]，但均有一定的副作用；对于骨质疏松的诊疗，急需新的方案和药物。近年来随着对OP相关发病机制研究的日益深入，发现microRNA为体内重要的骨调节因子，在成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收中发挥着重要的作用[32,35,45-47],这为骨质疏松的防治提供了新的启示和思路。

本文虽对microRNA-21在成骨分化和破骨抑制的相关机制及调控作用方面做了相关的综述，相关研究也证明了microRNA-21在骨质疏松的发病机制中具有特异性的表达和独特的调控作用，但对其相关通路及作用机制的研究尚处于初始阶段，认识较少且单一，缺乏体内实验和体外相关实验的相互印证。因此，microRNA-21在OP中对骨重塑的相关分子机制的调控有待进一步研究。相信随着该研究的不断深入，将有助于为骨质疏松症等骨科疾病的防治提供新的思路和方案，同时为开发新的抗骨质疏松靶标药物提供理论依据。