miR-138在神经系统疾病中的研究进展

余剑芒，杭黎华

(江苏大学附属昆山医院麻醉科，江苏 昆山 215300)

微RNA(microRNA，miRNA/miR)是非编码RNA超家族中分子最小的成员，长18～24个核苷酸。据报道，约60%的人类基因表达受miRNA的调控[1]。miRNA主要是对转录后的基因进行调控。miRNA通过RNA聚合酶Ⅱ转录产生初级miRNA(pri-miRNA)，经一系列分子处理成为一个长度约70个核苷酸的茎环结构，称为前体miRNA，之后在细胞质中被Dicer酶剪切生成2个产物，其中靠近5′端茎部的miRNA加工成熟即为miR-5p，从3′端加工成熟即为miR-3p[2]。miRNA可形成一个RNA诱导的沉默复合物，并被引导到靶信使RNA的3′非翻译区，与之发生不完全性互补结合，在转录水平调控基因的表达与蛋白合成[3]。miRNA可表现出与干扰小RNA类似的RNA干扰现象，两者均是由双链RNA引发的靶向信使RNA的降解或翻译抑制[4]，区别是干扰小RNA干扰现象是由外源性引入的双链RNA引起，如基因工程、病毒感染，其与靶信使RNA是完全互补结合的，而miRNA干扰现象属于内源性调控机制，与靶信使RNA不一定是完全互补结合。研究显示，miR-138通过作用于多靶点参与改变肿瘤局部微环境、抑制肿瘤细胞增殖、诱导凋亡、抑制转移和侵袭、增强肿瘤细胞对放化疗的敏感性，是多种恶性肿瘤非常重要的抑制分子[5-7]，其也可作为肿瘤的生物标志物和预后指标[8-9]。miR-138在多种神经系统疾病中差异表达，参与调控神经元、胶质细胞以及神经干细胞的生长活动，以及神经系统肿瘤细胞的增殖、侵袭、迁移、凋亡、血管生成等生物学行为[10-13]。现就miR-138在多种神经系统疾病发生发展中的作用进行综述，以期为相关神经系统疾病的诊断及新药研究奠定基础。

1 miR-138的基本特性

miR-138起源于两个初级转录本pri-miR-138-1和pri-miR-138-2。这两个初级转录本分别定位于第3号染色体(Ch3p21.32) 和16号染色(Ch16q13)，经过一系列作用后形成成熟的miR-138[14]。在大脑中富集的miR-138能调控大鼠海马神经元树突棘形态发生[15]。miR-138在大鼠脑额叶组织中的表达升高，且与额叶的突触可塑性和微管组织结构稳定性密切相关，可能影响相关脑区支配的认知和运动功能[16]。研究发现，miR-138-5p能调节神经干细胞的增殖与分化[10]，而神经干细胞在阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease,AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、亨廷顿病和神经损伤等疾病的治疗上表现出巨大潜力[17-19]。随着研究的深入，未来miR-138极有可能成为中枢神经系统疾病早期诊断、临床药物治疗、预后判断的重要指标。

2 miR-138在神经系统疾病中的作用

研究证实，miR-138通过作用于神经炎症活动与损伤修复、神经系统细胞的增殖与凋亡、肿瘤细胞的增殖与耐药等广泛参与神经系统疾病的发生发展[20-23]。

2.1miR-138与脑卒中 据报道，全球每年约有1 500万人罹患脑卒中[24],随着人口的老龄化，脑卒中的发病率和病死率日趋升高。缺血性脑卒中是脑卒中最常见的类型，约占脑卒中总数的85%[25]，其特征是大脑血液供应不足，随后氧气和营养物质供应不足，继而触发解剖改变，如血脑屏障通透性增加[26]、神经兴奋性毒性、氧化应激、线粒体功能障碍、炎症，最终导致神经元细胞死亡[27]以及重要的感觉、运动、认知功能改变[28]。在大鼠脑缺血再灌注损伤模型中，miR-138表达显著降低,通过抑制其表达可改善大鼠的学习和记忆能力；用氧-糖剥夺/再氧合处理大鼠海马神经元后，海马区自噬相关的标记蛋白水平升高，而抑制miR-138的表达可逆转这一现象[21]。提示miR-138可能通过阻止自噬发挥神经保护作用。沉默信息调节因子1(silent information regulation 1,SIRT1)是miR-138的下游靶标，其在脑梗死、PD等动物模型中通过降低氧化应激、抑制细胞凋亡等发挥神经保护作用[21]。炎症反应通过激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)通路参与缺血性脑卒中的神经损伤，NF-κB的持续性激活是缺血再灌注损伤脑卒中患者发生梗死和细胞死亡的主要原因之一，抑制NF-κB可以保护大脑免受缺血性损伤[29]。而Li等[20]研究发现，在缺血再灌注损伤动物及细胞模型中miR-138-5p的表达降低，但过表达miR-138-5p后，通过靶向抑制NF-κB p65可减少炎症因子的表达，促进细胞增殖，减少细胞凋亡，最终改善神经系统功能障碍。星形胶质细胞能为神经元提供营养，调节水电解质平衡及脑血流稳定，维持血脑屏障正常功能，影响缺血性脑卒中的预后。Deng等[11]研究发现，在氧-糖剥夺处理的星形胶质细胞、小鼠模型的脑组织中过表达miR-138-5p后，能促进细胞增殖，抑制星形胶质细胞炎症反应，从而减少神经元损伤。这一系列研究成果可为缺血性脑卒中提供新的治疗靶点。

出血性脑卒中包括大脑内出血和蛛网膜下腔出血，蛛网膜下腔出血虽只占全部脑卒中的5%，但其发病凶险，致死率高[30]。Hou等[31]在蛛网膜下腔出血大鼠中发现，miR-138的表达显著升高，其通过靶向作用于内皮型一氧化氮合酶，参与蛛网膜下腔出血大鼠的血管痉挛。综上，miR-138能通过调节神经细胞及神经胶质细胞的增殖、凋亡、自噬，调节炎症与氧化应激，改善血管痉挛等方面参与脑卒中的发生发展。因此，对miR-138的深入研究将有助于为脑卒中提供新的治疗策略。

2.2miR-138与神经系统肿瘤 最常见的神经系统肿瘤是胶质瘤、脑膜瘤，其中胶质瘤约占所有原发性脑和其他神经肿瘤的25.1%，占恶性肿瘤的81.1%[32]。研究显示，miR-138-2-3p在人胶质瘤细胞中表达降低，上调其表达可通过抑制三结构域蛋白24的表达及其下游Wnt/β联蛋白信号通路，最终抑制胶质瘤细胞增殖、侵袭、迁移，并促进细胞凋亡[33]。胶质母细胞瘤(glioblastoma，GBM)是最常见的原发性脑瘤，属于胶质瘤分类中的星形胶质细胞瘤，其发病机制复杂且极具侵袭性。检索肿瘤基因组图谱数据库发现，miR-138低表达与GBM患者的生存率低有关[34]。研究还发现，Zeste同源物2、细胞分裂蛋白激酶6、E2F转录因子2和3[34]以及活化T细胞的核因子5[35]是miR-138的直接靶点,miR-138可通过阻断Zeste同源物2-细胞分裂蛋白激酶4/6-pRb-E2F转录因子1信号通路抑制GBM的发生[34]，激活蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路诱导细胞凋亡，并通过降低基质金属蛋白酶2的表达降低GBM细胞的侵袭性[36]。miR-138在低级别胶质瘤组织中的表达也降低，且能通过靶向胰岛素样生长因子2信使RNA结合蛋白2抑制低级别胶质瘤中上皮细胞向间充质转化[37]。髓母细胞瘤是儿童最常见的恶性脑肿瘤，占所有儿童恶性脑肿瘤的20%～25%[38]，过表达的miR-138能通过下调细胞分裂蛋白激酶6抑制人髓母细胞瘤细胞存活、增殖、迁移，促进细胞凋亡[39]。血管生成是肿瘤进展所必需的，而过表达miR-138-5p可通过降低性别决定区Y框蛋白13[13]和靶向缺氧诱导因子-1α及其下游的血管内皮生长因子抑制胶质瘤血管生成[40]。

研究显示，miR-138-5p在正常脑组织、低级别胶质瘤、GBM的胞外囊泡中表达依次降低；进一步研究发现，波形蛋白是miR-138-5p下游的作用靶点[41]。异柠檬酸脱氢酶是胶质瘤基因诊断的重要生物标志物，异柠檬酸脱氢酶突变会阻碍细胞新陈代谢、降低抗氧化应激能力。肿瘤基因组图谱数据库显示，miR-138-5p的表达水平与携带异柠檬酸脱氢酶突变的GBM患者的生存时间密切相关[35]，以上提示miR-138可能作为GBM的生物标志物。当人类CD4+T细胞转染miR-138后，miR-138可以直接下调两个负向调节免疫检查点(细胞毒性T淋巴细胞相关分子4和程序性细胞死亡受体1)的表达，并导致胶质瘤小鼠的中位生存时间增加43%[42]，此研究证明了miR-138具有转化为免疫治疗药物的潜力。

化疗是治疗脑胶质瘤的主要手段之一,但血脑屏障和血肿瘤屏障的存在限制了抗肿瘤药物进入中枢神经系统,严重影响了化疗效果。研究显示，miR-138可通过降低FOS样抗原2的表达增加血肿瘤屏障的通透性[43]。替莫唑胺是胶质瘤化疗最常用的药物之一，但耐药性使该药物治疗胶质瘤的效果受到限制，而miR-138可通过抑制性别决定区Y框蛋白9及生存素改善GBM细胞对替莫唑胺的耐药性[23]。除化疗外，miR-138还可通过抑制上皮-间充质转化增强鼻咽癌细胞的放射敏感性[44]。

如前所述，miR-138在多种神经系统肿瘤患者、动物模型以及细胞模型中通过抑制肿瘤细胞增殖、迁移、侵袭，促进凋亡与自噬，抑制肿瘤血管生成等发挥抑癌作用[45]，并改善肿瘤对化疗药物的耐药性[23,46]。但有研究报道了miR-138的促癌、促耐药作用，如miR-138在胶质瘤干细胞中的表达升高，提高了胶质瘤干细胞的自我更新潜力，从而促进其生长与生存[47]。另外，miR-138也可通过直接靶向细胞凋亡调节器BIM(Bcl-2 interacting mediator)，促进GBM细胞生存、肿瘤进展，以及体外肿瘤细胞对替莫唑胺的耐药性[48]。综上，miR-138调控神经系统肿瘤的机制复杂、方式多样。

2.3miR-138与神经退行性疾病 神经退行性疾病是一种基于原发性神经退行性病变的慢性进行性神经系统疾病，其共同的病理特征是神经元变性、缺失、胶质细胞增殖。神经退行性疾病包括PD、 AD、肌萎缩侧索硬化以及亨廷顿病[49]。

AD是痴呆症中最常见的类型，其特点是在神经元胞外形成β淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)斑块以及高度磷酸化的tau蛋白在神经元细胞内蜷曲形成纤维缠结[50]。Wang等[51]研究发现，在AD细胞模型中过表达的miR-138能通过降低视黄酸受体α的表达，促进tau蛋白的磷酸化。而在早发性AD细胞模型中，miR-138能同时促进Aβ的生成和tau蛋白的磷酸化[52]。另有研究显示，表达升高的miR-138能靶向抑制 DNA 结合蛋白果蝇 Eph激酶/蛋白激酶B信号通路，促进AD模型中神经元凋亡[53]。在小鼠海马神经元中，miR-138表达水平呈现月龄相关性升高，同时SIRT1作为其下游靶标表现为月龄相关性降低，且miR-138介导了AD小鼠及细胞模型中神经元突触功能、认知功能障碍的发生，并促进淀粉样前体蛋白和Aβ的合成[54]。

PD在神经退行性疾病发病率中居第二位，其发病机制涉及黑质中多巴胺能神经元的退行性丧失和神经元中嗜酸性包涵体的形成，症状包括运动障碍(缓慢、僵硬、震颤和步态变化)和认知障碍[49]。锰暴露可在体内外引起神经毒性[55]，Ma等[56]针对PD细胞模型的研究发现，锰可诱导细胞自噬，而表达升高的miR-138-5p能通过靶向下调SIRT1基因的表达，抑制锰诱发的细胞自噬。

综上，miR-138可能是AD与PD发生发展过程中的重要致病因素，有望为这一类疾病的早期诊断和治疗提供新的思路和手段。

2.4miR-138与脑脊髓损伤 创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)对人类健康有严重影响，其发生率呈逐年升高趋势，每年大约有5 000万人死于TBI[57]，生存者往往存在身体和认知方面的障碍，且因工作能力丧失、医疗和康复费用昂贵而导致巨大的社会经济负担[58]。在TBI小鼠大脑皮质中miR-138的表达降低，而接受滚轮运动训练的TBI小鼠死亡率明显降低，且与未接受滚轮运动的TBI小鼠相比，接受滚轮运动的TBI小鼠miR-138表达水平明显升高[59]。提示以某种方式升高体内miR-138的表达水平，有望改善临床TBI患者的预后。

由机械或压缩引起的脊髓损伤通常会导致感觉和运动功能障碍,可能会导致患者疼痛甚至截瘫等[60]。在脊髓损伤小胶质细胞中检测到miR-138的表达降低[23]。进一步研究发现，混合谱系酶3是miR-138的下游作用靶点，其是促分裂原活化的蛋白激酶家族的一个成员，能激活c-Jun氨基端激酶，而miR-138通过抑制混合谱系酶3/c-Jun氨基端激酶/促分裂原活化的蛋白激酶信号通路抑制氧化应激反应，发挥抗细胞凋亡作用[22]。研究显示，脊髓损伤患者血液、大鼠脊髓、细胞模型中miR-138-5p的表达均上调，SIRT1为其下游靶蛋白，敲低miR-138-5p可上调SIRT1表达，并减轻细胞炎症性损伤[61]。可见，miR-138及下游蛋白或可作为临床上脊髓损伤早期诊断的标志物及药物治疗靶点。

2.5miR-138与其他神经系统疾病 癫痫是神经系统最常见的疾病之一，普通人群中癫痫的患病率为0.5%～2%,约1/3的癫痫患者对抗癫痫药物耐药，为难治性癫痫[62]。Hu等[63]通过微阵列实验发现，颞叶癫痫大鼠中miR-138的表达下调。血脑屏障中多药外排转运体的过表达是癫痫耐药的最重要机制之一，而P-糖蛋白是诱导癌症耐药性的多药外排转运体中研究最多的蛋白，在血脑屏障微血管内皮细胞中P-糖蛋白的过表达可通过限制抗癫痫药物向脑组织的传递而导致耐药性[64]。研究发现，增加miR-138的表达可抑制NF-κB通路激活及P-糖蛋白表达，最终增加耐苯妥英患者脑微血管内皮细胞内两种抗癫痫药物(苯妥英和苯巴比妥)的聚集[65]。因此，miR-138有望为难治性癫痫提供新的治疗方案。

惊恐障碍是以惊恐发作为特征的一种急性焦虑发作，通过关联分析和功能方法评估miRNA在惊恐障碍患者易感性中的影响发现，包括miR-138-2在内的3个miRNA抑制了30%～60%的惊恐障碍候选基因[66]。人类单纯疱疹病毒Ⅰ型在感染外周组织上皮细胞后可进入神经细胞的轴突，在感觉神经元中建立长期潜伏性感染，当被某种因素激活后发生裂解增殖，重新感染宿主，早早期蛋白ICP0就是裂解早期基因表达的产物[67-68]。Sun等[69]研究发现，在神经元中高表达的miR-138通过靶向病毒ICP0信使RNA抑制人类单纯疱疹病毒Ⅰ型裂解周期基因，从而抑制人类单纯疱疹病毒Ⅰ型感染患者及小鼠的病毒裂解增殖。目前，miR-138在精神障碍和神经系统感染等疾病中的调控作用已初显，但需进一步的研究予以证实。

3 小 结

miR-138在神经系统疾病中的生物学作用表现为广泛性、复杂性和多靶向性，miR-138具有保护神经元、减轻星形胶质细胞炎症反应、调控肿瘤发生发展、抑制血管生成、减轻血管痉挛等作用，然而其参与神经保护、神经元可塑性和轴突再生、血管重构、神经炎症和内源性干细胞激活等的机制尚未明确，miR-138在多种神经细胞中全面的共调控网络也有待阐明。目前，miRNA相关产品尚缺乏高效的递送给药方法，miR-138在多种自身免疫性疾病、精神疾病、神经性疼痛中的作用也鲜有报道。目前的研究已充分证实miR-138在神经系统疾病中有重要研究价值，可作为临床早期诊断、疾病治疗、改善预后等的重要分子，但仍有大量潜在的机制尚未明确，需要进一步研究。