非编码RNA在糖尿病认知障碍中的作用

韦茂英 晏蔚田 魏璠 魏军平

中国中医科学院广安门医院内分泌科，北京 100053

糖尿病可引起包括中枢神经系统在内的多组织、多器官、多系统的损害，有报道称，糖尿病与认知障碍和痴呆风险增加有关，糖尿病患者发生认知障碍的风险是正常人的2倍[1]。近期的一项横断面研究显示，2型糖尿病合并认知障碍非痴呆和痴呆的患病率分别为28.3%和9.5%，糖尿病发病时间、HbA1c水平、严重低血糖病史等与糖尿病认知障碍(diabetic cognitive impairment, DCI)风险增加显著相关[2]。目前对于DCI，只有控制血糖、血脂、营养脑神经、改善脑循环等对症治疗。因此，迫切需要在疾病早期阶段寻找新的生物标志物及治疗靶点，近年来表观遗传学的发展为DCI的研究提供了一个新方向，目前已经发现一些失调的非编码RNA(ncRNAs)参与DCI的发生、发展过程，本文对此进行综述。

1 ncRNAs

分子生物学中一个长期存在的定理是：DNA充当信使RNA转录的模板，信使RNA充当蛋白质翻译的蓝图。虽然高达90%的真核生物基因组可以转录，但只有1%～2%的转录本可以编码蛋白质，而其余的可归类为ncRNAs。ncRNAs通常指不编码蛋白质的RNA，但这并不意味着这种RNA既不包含信息也不具有功能，它们广泛参与转录和转录后调控、染色质修饰、蛋白质功能调控等过程，与人类疾病的发生、发展密切相关。ncRNAs按大小可分为两类：短于200个核苷酸的短链非编码RNA(sncRNAs)和长于200个核苷酸的长链非编码RNA(lncRNAs)。sncRNAs可分为微小RNA(miRNAs)、小干扰RNA(siRNAs)、小核仁RNA(snoRNAs)、PIWI蛋白质相互作用的RNA(piRNAs)等，其中miRNAs、lncRNAs、circRNAs是目前代谢性疾病、神经退行性疾病等的研究热点[3-4]。

2 ncRNAs与DCI

2.1 miRNAs与DCI miRNAs是由20～24个核苷酸组成的ncRNA，通过与靶基因mRNA的3′非翻译区结合，在转录后水平调控基因的表达。既往有报道称miRNAs在中枢神经系统中最为丰富，已知的miRNAs中有50%存在于大脑，包括大脑皮层和海马，对神经元分化、树突发育和突触可塑性等至关重要[5]。miRNAs的失调会加速认知能力的下降，增加神经功能障碍。目前越来越多的研究表明，miRNAs广泛参与DCI病理过程的调节。

2.1.1 miRNA-384-5p miRNA-384-5p是一种参与神经功能调节的特异性miRNA，可调控巨噬细胞自噬，参与糖尿病脑病的发生、发展。Wang等[6]发现，在链脲佐菌素(STZ)诱导的C57BL/6小鼠脑内，巨噬细胞miRNA-384-5p表达水平显著降低，而自噬增强。双荧光素酶报告证实，自噬基因Beclin1是miRNA-384-5p的靶基因，因此自噬活性的增强与miRNA-384-5p对Beclin-1蛋白翻译的抑制作用减弱有关。同时，研究还证实，对miRNA-384-5p的再表达可显著减少脑内炎性巨噬细胞的数量，减轻STZ诱导的糖尿病模型小鼠的脑损伤。

2.1.2 miRNA-135a-5p 有报道称，db/db小鼠骨骼肌中miRNA-135a的表达上调，而体内沉默miRNA-135a可显著减轻高血糖状态，改善糖耐量[7]。miRNA-135a有两种剪切体，即miRNA-135a-5p和miRNA-135a-3p。Pons-Espinal等[8]研究发现，下调miRNA 135a-5p的表达可促进小鼠齿状回神经前体细胞的增殖，导致静息小鼠齿状回中神经再生增加，推测其可能通过影响下游1,4,5,-三磷酸肌醇信号转导而发挥作用。Sox6是早期神经元分化的重要调节因子，也是miRNA-135a-5p的潜在靶点，能与CD44的启动子直接结合，过表达Sox6可以逆转miRNA-135a-5p介导的神经元分化和树突发育，miRNA-135a-5p/Sox6/CD44轴为探讨神经元分化提供了一个新的分子机制[9]。

2.1.3 miRNA-146a 丰富环境是指将实验动物饲养在更加复杂的生存和社会交往环境中，相对于标准环境，其具有更新鲜多变的生活环境、更广阔的自由活动空间及群居动物间更多地密切接触。该概念是由Hebb于1947年首次提出，旨在探讨环境对脑损伤后脑功能恢复的影响，此后在神经退行性疾病方面被大量研究。Kubota等[10]报道，丰富环境可通过刺激内源性骨髓间充质干细胞分泌外泌体miRNA-146a，降低晚期糖基化终末产物诱导的星形胶质细胞白细胞介素1受体相关激酶1(IRAK1)、核因子-κB和肿瘤坏死因子(TNF)-α的表达，抑制炎性反应，改善糖尿病大鼠的认知功能。化学合成的miRNA模拟物可经鼻腔给药的方式有效传递到海马。Mai等[11]发现，通过鼻腔给予miRNA-146a激动剂能改善淀粉样前体蛋白/早老素1(APP/PS1)转基因小鼠的行为和认知功能障碍，推测其与抑制海马胶质细胞活化、减轻神经炎性反应、降低脑内淀粉样β蛋白(Aβ)水平和细胞内微管相关蛋白(tau)高磷酸化等有关。Kalani等[12]研究表明，与db/m小鼠相比，db/db小鼠脑内miRNA-146a表达显著下调。TargetScan生物信息分析显示：miRNA-146a序列可识别朊蛋白(PrP)保守序列的87～93 bp，将携带miRNA-146a的小鼠脑内皮细胞源性外泌体注入db/db小鼠脑室，可以在一定程度上降低PrP水平，恢复短期记忆功能。

2.1.4 miRNA-23b-3p 沉默信息调节因子1(SIRT1)是依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白去乙酰化酶，激活后具有抗氧化应激、抑制炎性反应、调节细胞凋亡等效应，核因子E2相关性因子2(Nrf2)是细胞调节抗氧化应激反应的核心转录因子。研究发现，在DCI大鼠中miRNA-23b-3p表达上调，过表达的miRNA-23b-3p抑制了高糖状态下神经细胞中SIRT1和Nrf2的表达，增加氧化应激，导致神经细胞凋亡[13]。

2.1.5 miRNA-34a 在2型糖尿病患者外周血单核细胞中miRNA-34a表达水平升高，miRNA-34a过表达可导致快速的认知损害和阿尔茨海默病样病理改变，与Aβ沉积及tau蛋白在多个脑区的过度磷酸化有关[14-15]。沉默瞬时受体电位通道7(TRPM7)和miRNA-34a后，STZ诱导的BABL/c小鼠海马组织活化的Bcl-2相关X蛋白、细胞色素C和裂解的半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)表达明显下降，而B淋巴细胞瘤-2蛋白的表达显著增加，提示抑制miRNA-34a在一定程度上对海马细胞凋亡和记忆障碍有保护作用，从而改善糖尿病小鼠空间认知功能[16]。

2.1.6 其他 在糖尿病脑病患者外周血单核细胞中，miRNA-368相对表达水平上调，沉默miRNA-368会抑制糖尿病脑病患者外周血单核细胞增殖、促进细胞凋亡[17]。Kenny等[18]通过5年多的纵向随访发现，miRNA-206与认知减退和记忆障碍具有很强的相关性，血浆miRNA-206水平升高可以用来预测轻度认知障碍阶段认知能力的下降及向痴呆症的进展。

2.2 lncRNAs与DC LncRNAs是基因表达的重要调节因子，具有组织和时空表达特异性。在人类基因组中，大约40%已识别的lncRNAs在大脑中存在特异性表达，涉及4 000～20 000个lncRNAs基因，参与人类大脑进化的神经发育过程，包括增殖、轴突生长和突触发生，以及神经可塑性[19]。

2.2.1 lncRNA H19 H19是最早报道的lncRNA之一，人类H19是一个2.3 kb的RNA分子，由位于11号染色体p15.5位点上的H19基因所编码，它在胚胎器官中的表达很高，在大多数成人组织中缺失或大大减少。近年来诸多研究表明，lncRNA H19具有调节葡萄糖稳态和胰岛素的合成与分泌、增强骨骼肌胰岛素敏感性、调控细胞凋亡等功能，是目前糖尿病及糖尿病性心肌病变、视网膜病变等多种并发症研究的热点[20-22]。Zhao等[23]研究发现，在STZ诱导的糖尿病大鼠模型中，海马组织lncRNA H19表达增加，并通过Wnt信号通路介导了海马神经元和突触体的凋亡，而沉默lncRNA H19可逆转上述效应。Yu等[24]研究也证实，lncRNA H19在糖尿病小鼠海马神经元中呈现高表达，海马神经元存活率显著降低，而下调lncRNA H19可通过抑制胰岛素样生长因子2(IGF2)甲基化，促进IGF2的表达，进而降低过氧化脂质水平，增强过氧化氢酶、超氧化物岐化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性，抑制氧化应激并减少海马神经元凋亡。

2.2.2 LOC103690121 Hao等[25]发现STZ诱导的糖尿病大鼠出现脑损伤和神经元的减少，在Morris水迷宫实验中寻找隐藏平台的潜伏期延长，表现出明显的认知功能障碍。LncRNA微阵列分析显示：糖尿病大鼠和对照组之间存在101个差异表达的lncRNAs，其中LOC103690121表达上调，进一步研究证实其可能通过调控磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路，促进了海马神经元凋亡。

2.2.3 lncRNA ANRIL、lncRNA-Gm4419 近期研究发现，与正常组相比，糖尿病大鼠的海马组织中lncRNA ANRIL表达显著增加，ANRIL即INK4位点反义非编码RNA；核因子-κB p65是核因子-κB的效应激酶，沉默ANRIL后，核因子-κB信号通路受到抑制，导致核因子-κB p65表达的改变，进而减少海马神经元凋亡，促进糖尿病大鼠记忆恢复[26]。此外，尚有研究证实高糖环境下小胶质细胞中lncRNA-Gm4419表达明显增加，过表达的lncRNA-Gm4419可上调核因子-κB p50，进而导致caspase-3表达增加，Bcl-2表达减少，最终促进了小胶质细胞的凋亡，有利于减轻中枢神经系统炎性反应[27]。

2.3 circRNAs与DCI circRNAs是一种共价闭合的高度丰富、组织特异且进化保守的新型内源性ncRNA分子，在真核细胞中广泛存在并参与多种生物调节活动，如充当miRNA海绵、调控某些基因的转录、参与蛋白的翻译等[28]。哺乳动物大脑中的神经细胞处于祖细胞状态，需要高度保守的circRNA。CircSLC45A4是其遗传位点产生的主要RNA剪接异构体，也是发育中人类额叶皮质中表达最高的circRNA之一。在人类神经母细胞瘤细胞系中敲除这种高度保守的circRNA足以诱导自发性神经元分化。在发育的小鼠皮质中，circSLC45A4的缺失导致基底祖细胞池的显著减少，并增加神经源性调节因子的表达，如Notch受体2(Notch2)、叉头框蛋白P2(Foxp2)、非协调性分子5同源蛋白(Unc5b)。此外，敲除circSLC45A4还可导致皮质板中细胞的大量耗竭[29]。越来越多的证据表明，circRNAs参与了糖尿病、神经退行性疾病、癌症等衰老、年龄相关疾病的调控，在神经元分化过程中总体表达上调，并在突触中高度富集，与突触可塑性和神经元功能关系密切[30-31]。

2.3.1 hsa_circ_0054633 氧化应激和内皮功能障碍与DCI相关，血红素氧合酶-1是一种抗氧化剂和细胞保护酶，对高糖引起的氧化应激和炎性反应具有保护效应，ROBO-1是一种跨膜受体蛋白，与细胞迁移以及神经轴突延伸有关。Pan等[32]在体外培养的人脐静脉内皮细胞中观察到，hsa_circ_0054633下调加剧了高糖诱导的内皮细胞功能障碍，包括增殖、迁移和血管生成抑制。下调miRNA-218可通过促进ROBO-1和血红素氧合酶-1的表达来抑制高糖诱导的内皮细胞功能障碍，双荧光素酶分析证实hsa_circ_0054633能抑制miRNA-218的表达，hsa_circ_0054633的过度表达可通过靶向miRNA-218/ROBO-1和miRNA-218/血红素氧合酶-1信号，有效逆转高糖诱导的血管内皮细胞功能障碍，与糖尿病血管损害关系密切。

2.3.2 circHIPK3 circHIPK3是由1 099个核苷酸组成的circRNA，在细胞增殖和抗凋亡中具有积极作用，Wang等[33]研究表明，circHIPK3在神经病理性疼痛的糖尿病患者血清和STZ诱导的糖尿病大鼠背根神经节中含量较高，且circHIPK3表达上调与神经病理性疼痛分级呈正相关。circHIPK3通过与miRNA-124相互作用，负调控miRNA-124的表达，沉默circHIPK3可降低糖尿病大鼠背根神经节白细胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-12、TNF-α水平，抑制神经炎性反应。Zhao等[34]研究发现，在脊髓损伤的体内外模型中circHIPK3表达均下调，过表达circHIPK3可通过调节miRNA-558/DPYSL5轴，减轻神经元细胞凋亡，二氢嘧啶酶样5即坍塌反应调节蛋白5，参与神经细胞发育、突起生长等过程。circHIPK3作为重要的表观遗传调控因子，广泛参与了高糖诱导的β细胞功能障碍、胰岛素抵抗、内皮细胞损伤等，同时又与神经系统密切相关。据此推测，其可能成为治疗DCI等糖尿病相关血管损伤的新途径。

2.3.3 其他 有报道称，mmu_circRNA_34132、mmu_circRNA_017077和mmu_circRNA_015216在Nrf2基因敲除小鼠黑质和纹状体中的表达下调，可能参与了Nrf2介导的神经保护；且mmu_circRNA_34132和胰岛素分泌相关基因(Gnaq、Atp1b2和Prkaca)均能与mmu-miRNA-7024-5p及mmu-miRNA-7081-5p结合。因此，mmu_circRNA_34132在Nrf2介导的糖尿病保护中也具有重要意义[35]。

3 小结与展望

在过去的20年里，2型糖尿病的发病率急剧上升，认知功能减退与糖代谢紊乱密切相关，高糖所致的氧化应激、胰岛素信号转导通路障碍、神经炎性反应、血-脑屏障破坏、低血糖等多种机制促进了DCI的发生、发展。目前临床对于DCI的早期诊断、治疗存在一定的困难，虽然严格控制血糖可以获益，但血糖的控制并不能遏制认知功能的进一步减退。近年来，随着分子生物学、高通量RNA测序技术的快速发展，越来越多的ncRNAs被发现、证实，其异常表达可能是DCI发生的关键因素，这为DCI发病机制的研究提供了一个更深层次的认识，但目前ncRNAs在DCI中的研究仍处于初期阶段，对于大部分ncRNAs的生物学特性、生物学功能、以及具体通过何种途径、哪一信号转导通路发挥作用均有待于深入探讨，尤其是circRNAs作为ncRNAs中的新兴一员，在神经退行性疾病中具有重要的价值，而在DCI中仍缺乏报道。此外，循环ncRNAs具有获取简单、稳定性好、创伤性小等优点，但作为DCI早期诊断、判断预后的生物标志物仍需要进行大样本、多队列的验证。在今后探索中，深度挖掘ncRNAs分子，可更好地推动DCI临床治疗及基础研究的发展。