miRNA的功能及其在退行性骨关节疾病和骨质疏松症中的研究进展

孙浩远，刘宁

(哈尔滨医科大学附属第一医院运动医学科，哈尔滨 150001)

退行性骨关节疾病也称为骨性关节病或退行性骨关节炎，是一类与年龄相关的退行性病变，好发于承重关节(如髋、膝、踝关节)，一般表现为关节软骨磨损退变导致相应关节的疼痛与功能受限，与负重活动、季节变化、性别年龄等因素相关；主要病理变化为软骨细胞外基质的渐进性破坏、滑膜增生、软骨及软骨下骨失去原有形态等[1-2]。骨质疏松症是一种以低骨量和骨组织微结构破坏为特征，导致骨质脆性增加和易于骨折的全身性骨代谢性疾病，以渐进性骨量减少、关节疼痛、活动受限为主要表现。随着我国老龄人口不断增加，骨质疏松症患者日益增多，在发病过程中骨稳态失衡起重要作用，骨稳态即成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞负责的骨吸收之间的动态平衡[3]。微RNA(microRNA，miRNA)是一类存在于真核生物中，并通过降解靶信使RNA来调控生命过程的小分子RNA，参与了细胞的分化、凋亡及瘤变等过程[4]，尤其在退行性骨关节疾病和骨质疏松症的发生、发展中成为研究热点。有研究报道，作为调节细胞凋亡过程的重要成员，miRNA对关节软骨基质和软骨细胞的代谢以及骨质疏松症的发生、发展也有一定影响[5]。现就miRNA的功能及其在退行性骨关节疾病和骨质疏松症中的研究进展予以综述。

1 miRNA与退行性骨关节疾病

退行性骨关节疾病与社会人口的老龄化息息相关，主要病因为衰老导致的关节软骨自我修复和分解代谢的失衡，这种变化的起始原因为受细胞信号通路和能量代谢介导的软骨细胞的活性下降，凋亡增加，从而引起细胞外基质的降解，最终导致软骨变形、塌陷、退化[6]。随着研究的深入，miRNA由于在基因表达后蛋白转录水平时所发挥的作用逐渐被学者们认识，在一些疾病的发生、发展过程中，miRNA参与了细胞的诸多生物学过程(如关节软骨细胞退变)[7]。其中，部分miRNA对关节软骨起保护作用，首先miRNA可促进软骨的发育，组蛋白脱乙酰化酶4作为miRNA的作用靶点能够抑制软骨细胞退变[8]；而在退行性骨关节疾病患者中，随着特异性miRNA表达减少，关节表面纤维化与细胞外基质塌陷[9]。白细胞介素-1β作为炎症因子能够刺激人正常软骨细胞基质金属蛋白酶13的表达上调，在破坏软骨细胞的同时引起miR-27B表达下调[10]。而有些miRNA也参与了软骨病变以及由骨关节病导致的疼痛，继而损伤关节软骨，包括影响肿瘤坏死因子-α、环加氧酶2、诱导型一氧化氮合酶等因子的表达[11]。此外，与软骨基质合成密切相关的Ⅱ型胶原以及蛋白聚糖的合成与降解也能受到miRNA的正向或负向调节[12]。

miRNA也能够通过调控细胞自噬效应来调节软骨代谢。有研究发现，细胞自噬效应对关节软骨细胞在应激过程中具有一定的保护作用[13]，能够缓解骨性关节炎发生中的炎症反应[14]。另有学者报道，通过抑制miR-30b上调自噬能够延缓软骨的退变，并能抑制肿瘤坏死因子-α诱导的小鼠胚胎瘤细胞ATDC5的凋亡，故有希望通过该通路治疗骨关节炎[15]。此外，有学者发现，miR-155在骨关节炎软骨细胞中过量表达，而其调控的自噬基因包括自噬相关蛋白(autophagy-related protein，ATG)1、叉头框蛋白3、ATG14和ATG5等[16]。有文献报道，软骨低氧环境下诱导的miR-146a表达能对细胞自噬起正向调节作用，同时通过负向调节凋亡基因Bcl-2来保护软骨，延缓软骨的退变[17]。可见，miRNA在调节软骨代谢中起重要作用，且可以通过对关键点的调节来缓解骨性关节炎的发生、发展。目前报道认为，氧代谢、细胞自噬、表观遗传学改变以及miRNA调控网络是骨关节炎未来的靶向治疗手段[18]。miR-34a属于miR-34s家族的成员，其主要功能为抑制靶基因的翻译或促进靶基因的降解，对细胞的增殖起抑制作用[19]。目前，关于miR-34a生物学及分子功能的相关研究主要集中于对细胞生长阻滞、细胞凋亡与衰老的调控等方面[20]。尤其在肿瘤细胞的增殖方面，miR-34a的抑癌作用最早应用于神经母细胞瘤的研究，结果表明，miR-34a在肿瘤增殖旺盛时表达显著减少[21]。也有研究表明，在食管癌的瘤组织中miR-34a的表达也显著减少[22]。此外，miR-34a作为p53基因的转录靶点能受到p53基因调节，继而影响肿瘤细胞的增殖、凋亡过程[20]，这种现象被学者在肝癌、卵巢癌及肾癌等中相继发现[23-24]。而在生物辐射的研究方面，miR-34a是第一个被鉴定出来的辐射诱导性miRNA。研究发现，射线照射大鼠可诱导细胞生长周期内miR-34家族的表达，并以p53基因依赖方式递增[25]。

近年来，越来越多的研究揭示了miR-34a参与了软骨细胞的凋亡，并通过影响多个信号通路成为诱导骨关节炎发生、发展的重要因素之一。在大鼠软骨细胞中，miR-34a能够调控基质金属蛋白酶13和Ⅱ型胶原α1蛋白的平衡，过表达miR-34a能上调靶基因基质金属蛋白酶13，并下调Ⅲ型胶原α1蛋白基因的转录，从而促进软骨细胞凋亡，抑制软骨基质合成[26]。另有研究发现，在胶原诱导性大鼠关节炎模型中提取的关节滑膜中存在miR-34a的表达上调，同时通过使用抑制剂的方式下调miR-34a的表达能够有效缓解关节肿胀，并下调炎症因子的表达，包括肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-6等[27]。此外，蛋白聚糖在关节软骨退变及发展中也扮演重要角色。目前对ADAMTS-4(A disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs-4)的研究表明，ADAMTS-4诱导了蛋白聚糖的降解，从而导致退行性骨关节疾病的发生及发展[28]。有学者发现，富含半胱氨酸的血管生成诱导剂61能抑制ADAMTS-4的活性，白细胞介素-1β能通过miR-34a调控途径抑制血管生成诱导剂61的表达，而抑制miR-34a能促进软骨细胞的增殖及分化[29]。Zhang等[30]在骨关节炎患者的关节软骨中发现了miR-34a过表达，同时在兔骨关节炎模型中验证了磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B通路受miR-34a的负向调节，从而降低磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B促进软骨细胞增殖的作用。

2 miRNA与骨质疏松症

据报道，miRNA在细胞增殖、凋亡和转移中起不同的作用[31-33]，其可以与目标基因的3′端非翻译区结合，从而促进目标基因的降解或抑制其翻译[34]。这表明，miRNA具有通过调节与破骨细胞分化相关基因的表达来介导骨的生成与吸收平衡的作用，因此miRNA被认为是骨稳态过程中的重要调节因子。miRNA网络在骨质疏松发病机制中具有重要意义。研究证实，miR-363-3p/人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因轴促进了CD14细胞破骨细胞的分化，而抑制了c2c12细胞成骨细胞的分化；同时，在骨质疏松症中发挥抑制功能的miR-34a和miR-503表达被下调，而miR-214、miR-103a和miR-148a被发现在骨质疏松症患者骨组织和血清中高表达[35]。在骨质疏松症患者的血清中检测出miR-217表达水平升高，而血清中环状RNA-VANGL1和Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2，RUNX2)的表达水平降低，环状RNA-VANGL1通过吸收miR-217来调节RUNX2表达，从而加速成骨细胞的分化及增殖；此外，miR-217通过靶向RUNX2 3′端非翻译区降解RUNX2来抑制成骨细胞的分化[36]。长链非编码RNA KCNQ1OT1可通过海绵miR-214促进重组人骨形态发生蛋白2的表达，以调节成骨分化，从而延缓骨质疏松的发展[37]。而miR-21在骨质疏松症患者的骨组织和血清中表达水平较低，其可促进人骨髓间充质干细胞的成骨细胞分化增殖[38]。另有研究发现，复方黄精多糖通过基于miR-1224的Hippo信号转导途径在体外抑制破骨细胞的生成[39]。miR-10b通过抑制SMAD2基因和部分通过转化生长因子-β途径作为平衡人脂肪间充质干细胞成骨和脂肪形成分化的关键调节因子，因此miR-10b可成为控制骨骼和代谢疾病的新靶点[40]。miR-130a和miR-27b通过特异性下调过氧化物酶体增殖物激活受体γ增强人骨髓间充质干细胞的成骨作用[41]。有学者通过Ras相关蛋白1/促分裂原活化的蛋白激酶靶向腺苷酸环化酶异构体6，研究了miR-182-5p对阿仑膦酸钠治疗后骨质疏松大鼠成骨细胞增殖和分化的影响，结果表明，下调miR-182-5p通过上调腺苷酸环化酶异构体6激活Ras相关蛋白1/促分裂原活化的蛋白激酶信号通路，进而激活骨质疏松大鼠成骨细胞的增殖和分化[42]。在骨质疏松症大鼠中，通过靶向抑制丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和激活Hedgehog信号通路，miR-874可促进骨质疏松大鼠成骨细胞的增殖和分化[43]。在骨性关节炎患者中，绝经后女性的发病率较高，miRNA在雌激素介导的各种细胞过程的反应中起重要作用，包括细胞分化和增殖，在雌激素减少的破骨细胞分化过程中，miR-27a显著增加，过表达miR-27a显著增强了雌激素对破骨细胞分化和骨吸收的抑制作用，而miR-27a消除减轻了这种作用，表明miR-27a可能在雌激素抑制破骨细胞分化和功能的过程中发挥重要作用[44]，这为治疗女性绝经后骨质疏松症提供了新思路。

越来越多的研究强调了miRNA在调节成骨细胞、破骨细胞、骨髓间充质干细胞的功能和分化方面的作用，miRNA通过骨形态发生蛋白、转化生长因子-β和Wnt信号通路指导间充质干细胞向成骨细胞分化和骨形成，但由于miRNA无法抵御核酸酶，且它们缺乏靶向性，所以以支架为基础的miRNA载体在难治性骨质疏松性骨折的骨修复中有特殊的应用前景[45]。在骨与关节疾病及治疗领域，miR-34a能通过下调转化生长因子-β诱导因子2(transforming growth factor-β-induced factor 2，Tgif2)基因的表达而抑制破骨细胞的分化[46]。此外，内源性小鼠T细胞核因子1、核因子κB的活性在Tgif2基因敲除时减少，而在miR-34a敲除时增加，这也证明了miR-34a与Tgif2基因在调节破骨细胞分化间的相互作用[47]。同时，miR-34a能够调节成骨细胞的增殖，对维持骨的稳态具有一定的正向调节作用，具体表现为通过减少细胞周期蛋白1、周期蛋白依赖性激酶4及周期蛋白依赖性激酶6的聚合，抑制成骨细胞增殖和减少特异性AT序列结合蛋白2积聚来抑制成骨细胞的分化[48]。研究指出，miR-34s家族参与了成骨、破骨细胞的分化过程，其中miR-34a可通过下调Tgif2基因表达，抑制破骨细胞增殖、分化，促进成骨细胞分化，且还能通过影响骨保护素/核因子κB受体活化因子/核因子κB受体活化因子配体通路、Wnt/β联蛋白通路中相关因子的表达，影响成骨、破骨细胞的分化，从而具有抗分解及促进合成的双重效应[1]。Krzeszinski等[6]通过建立miR-34a转基因或基因敲除小鼠模型证实了miR-34a具有促进成骨和增加骨形成的作用，miR-34a在野生型小鼠破骨细胞的分化中表达下调，而Tgif2基因表达增加；Tgif2基因敲除后，破骨细胞分化与骨吸收显著减少，而骨量增加；Tgif2基因与miR-34a双重敲除后，小鼠破骨细胞分化与骨吸收较单纯Tgif2基因敲除无显著变化，表明miR-34a能下调Tgif2基因的表达而抑制破骨细胞的分化。虽然miR-34a在成骨、破骨细胞增殖分化及骨质疏松的发生、发展过程中扮演重要角色，可为骨质疏松的诊断及治疗提供重要依据，但目前对miR-34a的调节机制尚不完全清楚，所以探索细胞外的刺激因素如何对miR-34a的表达产生影响以及miR-34a如何协调细胞内其他miRNA共同维持细胞内的稳定将成为预防和治疗骨质疏松症的重要研究方向。可见，miRNA在骨质疏松的发生、发展中起重要作用，并可通过对关键点的调节来缓解骨质疏松的发展，故研究这些关键靶点的作用可为治疗骨质疏松症的治疗提供新思路及方法。

3 小 结

miRNA家族中的很多成员在退行性骨关节疾病和骨质疏松症发生、发展过程中扮演重要角色，对miRNA进行深入的研究可能为退行性骨关节疾病及骨质疏松症提供新治疗途径。但目前研究仍处于初级阶段，对miRNA的精确调节机制尚未完全清楚。在将来的研究中，探索外界刺激及细胞衰老因素如何影响miRNA的表达以及miRNA如何协调细胞内其他信号通路共同维持骨关节系统内环境稳态，将成为防治疾病的重要研究方向。