MicroRNA 调控骨髓间充质干细胞成骨和成脂分化的研究进展

罗环宇， 任飞龙， 刘苍维， 闫广兴，胡 月， 郝新青， 史 册， 孙宏晨,2

（1. 吉林大学口腔医学院病理科，吉林 长春 130021；2. 中国医科大学附属口腔医学院，辽宁 沈阳 110002）

骨质疏松（osteoporosis，OP）是骨代谢失衡导致的以骨量下降为特征的骨代谢性疾病[1]。 衰老被认为是骨质疏松最重要的原因之一，衰老性骨质疏松表现为骨量明显下降而骨髓脂肪增加[2]。 随着年龄的增长，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells， BMSCs）成骨向分化减少而成脂向分化增加[3]。 因此，如何提高BMSCs 的成骨向分化，抑制其成脂向分化，可能为老年人骨质疏松的预防和治疗提供新的方向。 本文就参与BMSCs 的成骨和成脂向分化的microRNA 做一综述。

1 MicroRNA 概述

MicroRNA 是一类内源性、 非编码的单链小RNA，其长度为19～25 个核苷酸，由1 段具有发夹结构的长度为70～80 个核苷酸的单链RNA 前体（pre-miRNA）剪切后生成，并且在各个生物种属间具有高度的进化保守性[4-5]。 MicroRNA 参与细胞的增殖、分化、凋亡等多种过程，从而调控生物体各项基本生命活动， 但是microRNA 本身并不编码蛋白质，其对生物体基本生命活动的调控主要通过在蛋白水平抑制靶基因的翻译或在转录水平诱导靶基因信使RNA（mRNA）的降解来实现[6]。

2 MicroRNA 参与调控BMSCs 成骨和成脂向分化

BMSCs 是一类具有高度自我更新和多向分化潜能的成体干细胞群，在一定条件下具有向成骨细胞和脂肪细胞分化的能力，并且在二者之间保持动态平衡，从而维持骨代谢平衡[7]。 骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）等多种信号通路和转录因子参与了BMSCs 成骨和成脂分化过程，这种效应可能通过转录因子的激活，上调能引起特定细胞类型分化的基因表达而发生[8]。 而microRNA可通过影响这些信号通路和转录因子，来调控BMSCs 成骨和成脂向分化过程。

2.1 MicroRNA 调控BMSCs 成骨向分化

Runt-related transcription factor 2 （RUNX2）和ostrix（OSX）是BMSCs 向成骨细胞分化过程中的特异性转录因子， 在BMSCs 成骨向分化的各个阶段发挥作用[9-10]。一些非成骨细胞特异性转录因子如远端缺失同源异型盒蛋白5 （distal-less homebox 5，DLX5）也参与成骨分化[11]。

MicroRNA 通过影响成骨相关的转录因子及信号通路等途径在BMSCs 成骨分化过程中发挥作用。 例如，microRNA 可直接靶向抑制RUNX2的表达水平来抑制成骨， 也可通过抑制RUNX2基因表达的负调控蛋白如组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）等间接促进RUNX2的表达，从而促进成骨[12]。 Deng 等[13]通过体外培养人的BMSCs，证明了miRcroRNA-23b（miR-23b）可以直接与RUNX2的mRNA 结合，抑制RUNX2的表达，从而抑制BMSCs 的成骨向分化。 同时，通过小鼠体内外实验也得到了一致的结论，过表达miR-23b 可以使小鼠BMSCs 中碱性磷酸酶 （alkaline phosphatase，ALP）等成骨相关标志蛋白水平下调，抑制其成骨向分化，导致小鼠体内严重的骨丢失。史宏利等[14]通过分析多种microRNA 在人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）和小鼠骨组织中的表达差异， 证明miR-124-3p 可抑制小鼠和hBMSCs 成骨向分化。此外，microRNA 亦可通过其他途径直接或间接影响BMSCs 成骨向分化。例如，miR-223 可靶向作用于脱氢还原酶3（dehydrogenase reductase 3，DHRS3），抑制视黄醇代谢（视黄醇的代谢产物对hBMSCs 成骨向分化起正向调控作用），从而抑制BMSCs 的成骨向分化[15]。

2.2 MicroRNA 参与调控BMSCs 成脂向分化

过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator activated receptors，PPARs） 和CCAAT-增强子结合蛋白（CCAAT/enhancer-binding proteins，C/EBPs）是BMSCs 成脂向分化过程中最重要的调控因子[16]。 其他转录因子如同源异型盒蛋白C8（homeobox protein Hox-C8， HOXC8）等也被证明参与调控BMSCs 的成脂向分化过程[17]。

MicroRNA 通过影响成脂分化相关转录因子及信号通路等途径参与调控BMSCs 的成脂向分化。Karbiener 等[18]发现，在人脂肪细胞分化过程中，miR-27b 表达下调， 而过表达miR-27b 可抑制PPARG和CEBPA的表达水平； 荧光素酶报告实验进一步证明miR-27b 通过与PPARGmRNA 特异性结合调控脂肪细胞分化。 miR-27 家族的另一成员——miR-27a 也可通过下调PPARγ 蛋白水平，从而抑制小鼠脂肪细胞的分化， 说明miR-27 家族可能是脂肪细胞分化的负调控因子[19]。 汪涛等[20]通过对hBMSCs 成脂分化过程中microRNA 和mRNA 表达水平及二者表达趋势进行关联分析， 证明miR-140-5p 可通过靶向促进白血病抑制因子受体（leukemia inhibitory factor receptor，LIFR）表达抑制hBMSCs 成脂向分化。

2.3 MicroRNA 双向调控BMSCs 成骨和成脂向分化

一些microRNA 可以双向调控BMSCs 的成骨和成脂向分化。例如，Lin 等[21]发现miR-130a 可通过负向调控Smurf2的表达促进BMSCs 的成骨向分化， 同时通过靶向Pparg抑制BMSCs 的成脂向分化。 Li 等[22]通过miR-149-3p 过表达和抑制实验证明，miR-149-3p 可抑制小鼠BMSCs 成脂相关基因Cebpa、Cebpb和Pparg等的表达， 从而抑制BMSCs向脂肪细胞的分化， 同时上调Alp、Bglap和Bmp4等成骨相关基因表达， 促进BMSCs 向成骨细胞分化。 另外，Su 等[23]发现，miR-26a 抑制GSK3β 蛋白的翻译，进而激活Wnt 信号，促进小鼠BMSCs 的成骨向分化；但是亦有报道显示，在人BMSCs 向脂肪细胞分化过程中，miR-26a 水平也上调， 这表明miR-26a 在BMSCs 成骨和成脂向分化过程中发挥着更为复杂的作用[24]。

3 MicroRNA 参与调控年龄相关性BMSCs 成骨和成脂向分化

随着年龄的增长，BMSCs 的功能发生改变，其成骨分化能力下降而成脂分化能力增强[25]。 MicroRNA已被证实是影响BMSCs 年龄相关性成骨和成脂分化的重要因素。Xu 等[26]的研究发现，miR-31a-5p 可通过抑制Satb2的表达来抑制大鼠BMSCs 成骨向分化，导致成骨活性下降、脂肪生成增多和衰老表型增加。MiR-188 也是BMSCs 年龄相关性成骨、成脂分化机制中的一个重要调控因子。 Li 等[27]发现衰老可诱导miR-188 的表达，后者可促进BMSCs 向脂肪细胞的分化， 而抑制其向成骨细胞的分化；miR-188 敲除后，老年小鼠骨丢失和脂肪堆积明显降低，而对年轻小鼠的骨量影响较小， 这进一步证明了miR-188 在BMSCs 年龄相关性成骨和成脂分化转换过程中的作用。Periyasamy-Thandavan 等[28]发现miR-141-3p 的表达水平随年龄增长而逐渐增加， 过表达miR-141-3p可使人和小鼠BMSCs 成骨分化相关标志蛋白如BMP-2 和RUNX2 等水平下调。 综上所述，年龄可使骨髓微环境中microRNA 改变， 后者可抑制BMSCs的成骨向分化，从而在衰老性骨质疏松中发挥作用。

综上所述，骨髓间充质干细胞成骨和成脂向分化受到多种信号通路、转录因子及其他各种影响因素的综合调控，构成了一个复杂的调控网络。 衰老引起的骨质疏松与BMSCs 的成骨和成脂分化平衡密切相关。随着对microRNA 的认识，我们发现其在调控BMSCs 向成骨和成脂分化方面的作用日渐深入，尤其是与年龄相关的成骨和成脂向分化，这有利于揭示衰老性骨质疏松的发病机制， 并为其临床治疗提供理论依据和新的治疗措施。