MicroRNA在骨骼发育与修复中的功能研究进展＊

裴欣 杨天雄 武世瑶 吴尽 刘学东

（东北林业大学野生动物与自然保护地学院，黑龙江哈尔滨 150040）

0.引言

骨骼是由骨、软骨、脂肪、成纤维细胞、神经、血管和造血细胞等组成的器官，它不仅为哺乳动物身体提供了物理支架，还可以通过再生来修复使其恢复完全功能状态。骨的细胞在不停地进行着细胞代谢，在骨代谢中有两种细胞起着重要的作用，一种是吸收骨基质的破骨细胞，另一种是合成骨基质的成骨细胞。成骨细胞的骨生成与破骨细胞的骨吸收相互协调使得哺乳动物得以保持正常骨量及骨骼完整性[1]。

MicroRNA（miRNA）是由真核细胞产生的一类，长约19nt～24nt，具有调节功能的、保守的、单链非编码RNA，对基因表达进行转录中或者转录后调节。近年来，随着对miRNA包括其靶基因涉及信号通路研究的深入，发现越来越多的miRNA及靶基因在哺乳动物生理过程中具有重要功能，在骨骼发育与修复上更具有不可忽视的作用。

1.miRNA调控骨骼细胞生长发育

1.1 miRNA调控成骨细胞

成骨细胞是骨骼发育的重要细胞，miRNA与成骨细胞分化及骨形成有着密不可分的联系。miRNA在干细胞成骨分化过程中发挥了重要作用[2]，已经被广泛用于骨再生方面的研究，多种miRNA对间充质干细胞及骨髓干细胞的成骨分化具有调控作用。

研究表明，部分miRNA能抑制骨分化，逆转骨丢失：miR-146a能抑制骨髓间充质干细胞的成骨分化[3]，而miR-214抑制人脂肪干细胞的成骨分化过程[4]。随着对miRNA及骨骼发育与修复相关生理过程研究的深入，miRNA对成骨细胞分化的影响呈现出多维度、多角度的特点。Pei通过细胞实验证明在骨髓间充质干细胞的表达下调的miR-22可以促进成骨细胞的形成。随后验证miR-22的antagomir将前成骨细胞转化为更分化和矿化的表型，ALP、CBFA1和COL1A1蛋白表达水平的上调。同时miR-22的拮抗因子抑制YWHAZ，增强CBFA1稳定性，促进成骨细胞分化。一些体内实验表明，miR-22的antagomir可以促进成骨细胞的形成，提高骨强度，逆转卵巢切除术介导的假小鼠骨丢失[5]。

另一些miRNA对成骨分化具有正调控。研究表明miR-101在人牙囊细胞(DFCs)中通过调节关键转录因子SATB2表达促进成骨分化过程[6]。Zheng将miR-181a/b-1过表达，发现磷酸酶和紧张素同源物(PTEN)水平被抑制，而PI3K/AKT信号随后增加。后续研究发现PTEN过表达可减弱miR-181a/b-1的增强作用，进一步证明miR-181a/b-1通过调控PTEN/PI3K/AKT轴增强成骨分化[7]。miR-497通过激活TGF-β1/Smads信号通路促进成骨细胞活力和胶原合成[8]。miR-208a-3p通过靶向ACVR1抑制成骨细胞分化并抑制骨形成，随后发现通过antagomiR-208a-3p抑制miRNA-208a-3p可能是种改善骨丢失的潜在治疗[9]。

信号通路的调节在成骨细胞分化中也有着至关重要的作用，Wnt/β-catenin信号通路在调节成骨细胞分化和成骨基质形成中发挥重要作用[10]。Tang首先通过细胞实验证明miR-144通过靶向Sfrp1来调控骨髓间充质干细胞增殖，抑制细胞凋亡，诱导成骨分化。随后在蛋白表达水平上证明了miR-144可能通过激活Wnt/β-catenin通路帮助调节骨质疏松症[11]。

1.2 miRNA调控破骨细胞

miRNA同样可以调控破骨细胞的分化。miR-185-3p能够促进破骨细胞的形成[12]，miR-92-a-1-5p直接靶向COL1A1下调I型胶原的表达，从而促进破骨细胞分化[13]。在人骨质疏松症患者血液的巨噬细胞中miR-503可使RANK的表达显著降低，此外，miR-503拮抗剂则通过使小鼠卵巢RANK的表达水平上调从而促进破骨细胞分化[14]。Cheng等在对进行小鼠体外实验表明miR-21在调节破骨细胞分化、破骨细胞生成的基础上，通过体内实验进一步揭示miR-21缺乏可抑制破骨细胞功能，防止小鼠骨丢失。此外，在病理状态下，敲除miR-21的小鼠对骨量的保护作用显著。Cheng的实验首次证明了miR-21作为一种在体内具有促进破骨细胞功能的miRNA，使研究者在miRNA的功能研究上有了更多的思路和突破[15]。

骨骼稳态需要成骨细胞和破骨细胞动态平衡来实现，研究表明破骨细胞可以直接形成成骨细胞。Li发现破骨细胞来源的外泌体miR-214-3p转移到成骨细胞抑制骨形成，而在破骨细胞中抑制miR-214-3p可能是一种治疗骨形成减少的骨骼疾病的策略[16]。Minamizaki 也通过细胞实验证明miR-125b是小鼠成骨细胞-破骨细胞通信的调节元件，骨基质提供miR-125b的细胞外存储，在骨吸收中具有功能活性[17]。

MicroRNA通过多种途径调控成骨细胞以及破骨细胞的形成和分化，影响骨骼发育和修复过程，将成为骨骼相关疾病的潜在治疗靶点。

2.miRNA在骨修复及再生中的研究现状

假体周围骨溶解（PPO）引起的无菌性松动是一期人工关节置换术的主要原因。研究表明miR-106b抑制磨损颗粒诱导的骨溶解和骨破坏，因此miR-106b可能作为PPO和无菌性松动的潜在治疗方法，放疗对骨再生能力有负面影响，使肿瘤切除后骨缺损重建困难。用miR-34a模拟物转染辐射受损的BMSCs，发现miR-34a在照射后的骨形成过程中上调，并且miR-34a通过靶向NOTCH1增强其体外成骨分化，而过表达miR-34a可增强照射后骨髓间充质干细胞的异位骨形成[18]。破骨细胞分化过程中miR-128通过靶向SIRT1抑制其表达，而对小鼠骨丢失起到保护作用[19]，RANKL是一种表达于成骨细胞表面的跨膜蛋白。研究发现抑制miR-182可以使过度的骨形成得以抑制，但并不完全阻断骨分化和骨重塑，这一过程是通过miR-182直接靶向EIF2AK2，从而调节破骨形成中RANKL实现的[20]。

3.miRNA对相关骨疾病的调控作用

Liu等构建了miR-26a的慢病毒稳株，并通过细胞实验证明过表达miR-26a可以促进小鼠颅骨骨缺失的骨再生[21]。miR-200c直接靶向SOX2并上调Sox2抑制的Wnt信号通路活性，这表明miR-200c可能作为一种独特的骨诱导剂应用于骨骼修复和再生[22]。Cui通过荧光素酶报告基因检测发现biglycan（Bgn）是miR-185的直接靶点，miR-185可通过BMP/Smad途径促进骨形成，而阻断miR-185的表达可增加骨质疏松症期间的骨形成，这一过程是miR-185通过调节Bgn表达和BMP/Smad信号通路来实现的[23]。Saferding发现miR-146a直接靶向WNT1和WNT5a，使与骨合成代谢相关的WNT信号通路在衰老过程中持续激活，导致成骨细胞的生成和活性增加，从而导致骨量增加[24]。Guo发现miR-206-3p是GATA4的重要下游因子，它可以调控口腔颌面间充质干细胞（OMSCs）和破骨细胞的功能[25]。

4.结语

骨代谢是维持骨骼稳态的重要部分，骨相关的生理过程如骨骼的生长发育，骨骼损伤后的修复等都需要对骨代谢相关的基因表达进行精确调控。miRNA及其靶基因作为表观遗传学的重要部分，在骨代谢中所发挥的功能也随着骨及与骨相关疾病研究的深入而愈加直观。无论是miRNA本身或miRNA之间，或是miRNA通过靶基因调控信号通路调节骨骼相关生理过程，都直接或间接通过哺乳动物成骨细胞、破骨细胞、相关信号通路及细胞因子对骨代谢进行调节。随着对MicroRNA与骨代谢相关研究的进展，MicroRNA将为骨骼生长、发育和修复提供新思路，MicroRNA靶向药物也将在各种骨疾病的治疗和预后方面有所突破。