MicroRNA调控认知功能的研究进展

黄可群 刘琳 崔巍 吴祥

微小RNA（microRNA，miRNA/miR）是由21～22个核苷酸组成的短链非编码RNA家族，约占人类基因1%。miRNA作为基因表达调控因子，可通过与靶基因的mRNA 3’非翻译区（3’ untranslated region，3’UTR）结合，促使靶基因mRNA降解，抑制靶蛋白翻译。miRNA广泛存在于神经系统，可调节蛋白质转录和翻译，进而影响突触可塑性、神经炎症、自噬、氧化应激和毒性蛋白聚集等病理生理过程，调节学习、记忆等高级认知功能，参与认知障碍相关疾病的病理过程。此外，外周miRNA性质稳定且容易获取，其动态变化与中枢系统miRNA相似，因此外周miRNA有望成为早期检测和评估认知障碍相关疾病进展的潜在生物学标志物。本文围绕miRNA调控高级认知功能的生理机制以及参与认知障碍相关疾病的病理机制以及外周miRNA作为认知障碍相关疾病潜在生物学标志物的临床应用进展展开综述。

一、miRNA调控认知功能的生理机制

（一）miRNA调控突触可塑性

突触可塑性即突触连接强度的经验依赖性改变，是认知过程中重要的神经生物学机制。突触可塑性反映了神经元之间突触联系强度随神经元活性的变化。突触可塑性由突触后钙内流响应神经元活动而触发，进一步由下游分子信号级联反应控制。突触传递短期改变可由突触蛋白活性或定位瞬时变化引发。负责长期记忆的持久突触变化需对触发突触可塑性的刺激做出反应，并调节相关基因表达[1]。长时程增强（long-term potentiation，LTP）是突触前神经元在短时间内收到快速重复刺激后，在突触后神经元快速形成的持续时间较长的兴奋，导致突触后电位增强，突触后神经元内钙离子增加。反之，神经元刺激后，突触传递减弱，突触后电位降低，突触后神经元内钙离子减少，诱导长时程抑制（long-term depression，LTD）。LTP和LTD是突触可塑性重要的表现形式，是研究学习记忆的重要模型。

miR-132、miR-212是研究较多的认知相关miRNA，主要定位于神经元的突触和树突。啮齿动物进行认知任务训练后可导致海马miR-132和miR-212显著增加。miR-132在前脑兴奋性神经元过度表达可改善空间记忆。但miR-132在海马周围皮质或CA1亚区过度表达可损害短期记忆，但对长期记忆没有影响，这表明miR-132的表达水平对认知影响具有双向作用[2]。miR-132/212表达受位于miRNA基因启动子的cAMP反应元件（cAMP-response element，CRE）及cAMP反应元件结合蛋白（cAMP-response element-binding protein，CREB）调控[3]。miR-132和miR-212是新生神经元正常树突生长所必需的，其中miR-132对成年新生神经元融入齿状回兴奋回路至关重要。小鼠海马缺失miR-132、miR-212可抑制树突和棘突形成，而miR-132、miR-212在海马和皮质神经元过度表达则促进树突生长。miR-132、miR-212基因敲除可降低海马CA3和CA1神经元之间突触传递，抑制LTP，导致认知学习障碍。因此miR-132和miR-212在调节突触可塑性方面有关键作用。

miR-190a是另一个与突触发育过程相关的miRNA。T淋巴瘤侵袭转移诱导因子1（T lymphoma invasion and metastasis inducing factor 1，TIAM1）在脊柱和突触发育过程中高度水平表达。miR-190a可通过抑制TIAM1表达在老年术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction，POCD）中发挥重要作用。Liu等[4]发现，提高POCD模型小鼠海马miR-190a的表达可抑制海马组织TIAM1/Rac1通路激活，抑制突触发育和成熟，进而诱导术后学习记忆障碍。

（二）miRNA调控微管相关蛋白Tau

微管相关蛋白Tau可与微管结合，促进微管蛋白组装。Tau蛋白可经乙酰化、糖基化、泛素化、糖基化、多胺化、硝化等修饰，其中Tau蛋白磷酸化主要与神经退行性疾病相关。Tau蛋白在蛋白激酶调节下过度磷酸化形成神经纤维缠结，诱导其失去催化微管装配和稳定微管结构的功能，阻碍神经递质合成、释放及细胞间物质运输，诱导神经元退行性病变，损伤认知能力。

糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase，GSK3β）和细胞周期依赖性蛋白激酶5（cyclin-dependent kinase 5，CDK-5）过度激活是导致Tau蛋白过度磷酸化、形成神经纤维缠结的重要诱因。Absalon等[5]对阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）患者跟踪观察，发现上调miR-26b表达水平可促进CDK5从细胞核移位到细胞质，重启细胞周期。miR-138可靶向维甲酸受体α（retinoic acid receptor alpha,RARα），阻止维甲酸信号传导，增加GSK3β 活性，导致Tau蛋白过度磷酸化和神经纠缠结形成[6]。以上miRNA在调控Tau蛋白过程中有重要作用。

（三）miRNA调控神经炎症

海马对记忆形成有重要作用，海马依赖的学习和记忆过程易受神经炎症影响。中枢神经系统受到损伤或者感染后，免疫系统被激活，释放肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）和白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）等促炎细胞因子，促炎细胞因子可通过受损的血脑屏障或者直接神经通路进入大脑，激活小胶质细胞，诱导神经炎症，导致认知障碍[7]。

miRNA可调节神经炎症，进而调控认知障碍相关疾病。AD患者海马和额叶内侧回miR-125b表达上调。miR-125b可通过抑制星形胶质细胞释放干扰素调节因子4和补体因子H蛋白等促炎细胞因子，改善海马依赖的学习和记忆过程[8]。POCD模型小鼠中miR-146a可阻止其下游靶分子IRAK1和TRAF6表达，抑制促炎细胞因子TNF-α、IL-1β 和IL-6的释放。有研究表明上调miR-146a表达可抑制海马小胶质细胞激活，通过抑制IRAK1/TRAF6/NF-κB通路，减轻POCD小鼠学习和记忆障碍，而miR-146a表达下调可加重POCD小鼠的海马依赖学习记忆缺陷和神经炎症[9]。

miR-181b-5p也可控制神经炎症。Lu等[10]发现，miR-181b-5p可抑制BV-2小胶质细胞中TNF-α、IL-1β 等促炎细胞因子和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）表达，从而减轻小鼠早期认知功能障碍；而抑制miR-181b-5p则可诱导上述促炎细胞因子表达上调，加重小鼠早期认知功能障碍。术前向小鼠海马注射miR-181b-5p，可改善POCD小鼠的海马依赖记忆。进一步研究发现miR-181b-5p可能调控TNF-α 的3’UTR，提示miR-181b-5p是改善POCD潜在治疗靶点。

（四）miRNA调控氧化应激

氧化应激是抗氧化系统功能失调，诱导活性氧自由基增加，氧化还原稳态破坏，导致细胞和组织损伤。中枢神经系统内不饱和脂肪酸含量高、耗氧量多、抗氧化能力低，因此特别容易受氧化应激损伤，而氧化应激可导致神经元死亡和突触损伤，降低认知功能。

Nrf2是调节抗氧化基因的主要转录因子，Nrf2表达下降可提高氧化应激，导致认知功能障碍，Keap1可促进Nrf2降解，miR-7可抑制Keap1表达，促进Nrf2水平提高，降低氧化应激水平，进而改善认知功能障碍[11]。帕金森病（Parkinson’s disease，PD）患者的中脑黑质miR-7表达下调，是导致多巴胺神经元丢失、认知功能下降的重要原因。Han等[12]发现糖尿病大鼠模型中，过度表达的miRNA-23b-3p可增加高糖处理后神经元的氧化应激和细胞凋亡水平。SIRT1可参与细胞抗炎、抗氧化应激等过程，Nrf2作为细胞调节抗氧化应激反应的重要转录因子受SIRT1调控[13]。SIRT1可通过促进Nrf2表达，抑制糖尿病大鼠细胞凋亡和氧化应激，对抗大脑氧化还原失衡，改善大鼠的空间学习记忆能力，阻止miRNA-23b-3p诱导的糖尿病大鼠认知功能下降。

（五）miRNA调控自噬

自噬是进化保守的自我消化过程，可维持细胞动态平衡，但过度自噬在应激环境会导致神经元凋亡。神经元自噬参与颅脑损伤的病理生理过程，导致运动、感觉、学习和记忆等神经功能障碍，抑制自噬可逆转麻醉诱导的神经干细胞凋亡、增殖下降和记忆障碍。

许多调控自噬的miRNA在AD进程中表达失调，提示其参与AD进程，可能与学习记忆障碍有关。如AD小鼠脑中miR-299-5p表达很低，脑内注射miR-299-5p具有神经保护作用，可抑制动物认知障碍；另一方面，miR-299-5p靶向自噬相关基因(autophagy related genes 5，ATG5)，可通过抑制ATG5介导的细胞凋亡，产生神经保护作用，说明miRNA可调节自噬相关基因表达来影响神经认知[14]。有研究发现，癫痫小鼠降低miR-134表达可抑制ATG5和Beclin1等自噬相关蛋白表达，改善氧化应激诱导的异常自噬，间接改善癫痫小鼠的学习认知能力[15]。

（六）miRNA调控毒性蛋白聚积

脑内β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）沉积是AD的主要病理特征，α-突触核蛋白（α-synuclein，α-syn）累积与PD发病密切相关。这些毒性蛋白可以进一步形成寡聚体、原纤维、纤维等聚集形式产生毒性，诱导神经元功能和突触可塑性损伤，导致认知和行为障碍。

Viegas等[16]发现miR-31可靶向Aβ 生成重要蛋白APP和BACE1 mRNA，降低APP和BACE1表达水平，减少Aβ 沉积，改善3xTg-AD小鼠的认知功能。最近研究表明，miR-486-3p可与SIRT2的3’UTR结合，抑制SIRT2翻译表达，降低了α-syn聚集和神经毒性，改善PD患者的行为及认知障碍[17]。

二、外周miRNA对于认知障碍相关疾病的意义

许多认知障碍相关疾病到后期才会出现明显临床症状，因此，早期检测生物标志物对早期诊断认知障碍相关疾病至关重要。miRNA在外周循环系统长期稳定，在外泌体等囊泡结构中能抵抗核糖核酸酶攻击，不易降解，可与Argonaute2、脂蛋白等结合提高其在血液中的稳定性。miRNA作为生物标志物可从脑脊液、血浆和外周血单核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）中获得，外周miRNA可呈现和中枢miRNA类似变化，如AD患者miRNA在外周体液和死后脑组织呈现同向变化[18]。因此，外周血miRNA可能是诊断AD和轻度认知障碍（mild cognitive impairments，MCI）的潜在生物标志物。

miRNA的变化可协助临床AD诊断，如AD患者血浆和PBMC中miR-34c升高，另外miR-34c表达水平与简易精神状态量表评分呈正相关，可增加AD诊断的准确性[19]。此外，miRNA在认知损害不同阶段有动态变化，这使区分早期AD及评估AD进展成为可能，而将miRNA改变与其他认知辅助诊断方法结合，可显著提高认知障碍相关疾病预测的特异性和敏感性。如MCI有1～5年无临床症状期，miR-206表达失调可用于预测MCI，具有高度敏感性和特异性[20]。

综上所述，以上研究表明外周miRNA可能用于识别和标记认知障碍相关疾病，可能发展为认知障碍相关疾病的新型生物标志物。

三、结论与展望

miRNA广泛参与神经发育、组织分化和突触形成等多种生命进程，与认知功能、学习和记忆等高级神经功能关系密切。miRNA可能通过调节突触可塑性、神经炎症、氧化应激、细胞自噬、毒性蛋白聚集等过程参与AD、PD、POCD等认知障碍相关疾病病理进程。因此，探究miRNA的作用机制，对研究神经认知功能和认知障碍相关疾病具有重要意义。外周miRNA稳定、容易获取，又可反映中枢神经系统分子变化，这为研究神经认知障碍性疾病的分子基础提供了独特的机会。外周miRNA作为生物标志物在认知障碍相关疾病的诊断中具有较好前景，也可进一步地应用于疾病的预测和病程进展判断，还可将miRNA作为分子靶点治疗疾病。未来需要对外周miRNA进行更全面的研究分析。