miRNA在胎儿生长受限中的研究进展*

王俊旗,刘晓梅

(中国医科大学附属盛京医院妇产科,沈阳 110004)

胎儿生长受限(fetal growth restriction,FGR),又称宫内生长受限,是指胎儿在子宫内受各种因素的影响而未达到其预期的生长潜能,是一种常见的妊娠并发症,与多种围生儿不良结局(如胎儿畸形、死胎、新生儿窒息等)及成年期慢性非传染性疾病(尤其是心脏代谢和神经系统疾病)的发生发展有关[1-2]。FGR的形成通常涉及母体、胎儿及胎盘等多个因素,但FGR具体发病机制仍不明确,且尚无有效的临床治疗措施[3]。目前,我国FGR的发生率约为8.77%,FGR对胎儿的发育及新生儿的健康均有显著的不利影响,是亟待解决的产科疾病之一[4]。微小RNA(microRNA,miRNA)是一种高度保守的单链非编码小分子RNA,由约22个核苷酸组成,其主要通过与靶基因mRNA的3'非翻译区(3'-untranslated region,3'-UTR)结合,促进mRNA降解或抑制蛋白质翻译,在转录后水平调控靶基因的表达,并在多种生理和病理过程中起到重要的作用[5-6]。越来越多的研究表明,miRNA在FGR等妊娠相关并发症中发挥着重要作用。本文将综述近年来miRNA在FGR中的研究进展,阐述miRNA在FGR发生发展中的作用机制及其对FGR的临床意义,以期为FGR发病机制探索和临床治疗提供科学依据。

1 miRNA的结构与功能

1993年,有研究者在线虫体内发现了一个非编码的内源性短链RNA,其长度约为22个核苷酸,对LIN-14蛋白具有负性调节作用[7]。自此,人类鉴定出了第一个miRNA,并逐步开始揭示它们的结构与功能。大多数miRNA基因首先由RNA聚合酶Ⅱ转录为分子量较大的初级miRNA(primary miRNA,pri-miRNA),其包含一个或几个茎环结构,每个茎环结构都由约70个核苷酸组成[8]。miRNA的成熟都需要一系列酶和蛋白质的协助,可分为经典途径和非经典途径。在经典途径中,位于细胞核中的pri-miRNA被Drosha(一种双链RNA特异性核糖核酸内切酶)切割成为前体miRNA(precursor miRNA,pre-miRNA),而在非经典途径中,剪接体和脱支酶替代Drosha将pri-miRNA加工成pre-miRNA[5]。随后,经典和非经典途径形成的pre-miRNA均由Exportin5蛋白运输到细胞质中。在细胞质中,pre-miRNA被Dicer(另一种双链RNA特异性核糖核酸内切酶)切割形成miRNA双链体。在ATP依赖性伴侣蛋白的协助下,该双链体被加载到AGO蛋白中[5,9]。双链体被加载到AGO蛋白后,其中能与目标mRNA互补的一条链(即引导链)保留,作为miRNA诱导沉默复合物((miRNA-induced silencing complex,miRISC)的一部分,而另一条链则被释放并降解,最终形成的miRISC是miRNA发挥功能的主要结构[5,9-10]。总体来说,miRISC能发挥3种生物学功能:抑制翻译起始、抑制翻译延伸和促进目标mRNA降解[6,10]。目前,人们对miRICS介导的翻译抑制机制了解较少,而miRICS介导的目标mRNA降解机制则较为明确,主要涉及目标mRNA的脱腺苷化、脱帽和核酸外切[10]。其中,最常见的方式是miRNA与目标mRNA的3'-UTR结合介导其降解,最终导致目标蛋白表达减少。

2 FGR及其主要病因

国际上对于FGR的定义至今尚无统一的“金标准”,美国妇产科医师协会将FGR定义为,预估胎儿超声估测体重或腹围低于相应胎龄第10百分位[2]。根据FGR发生时的孕周,FGR还可分为早发型(<32周)和迟发型(≥32周)。早发型FGR约占所有FGR病例的20%～30%,与迟发型FGR相比,其临床结局较差,通常会有早产发生[11]。然而,无论是早发型还是迟发型FGR,都是多种不良因素共同作用的结果,其主要病因可分为母体因素、胎儿因素和胎盘因素[2,12]。在母体方面,妊娠期营养不良仍是导致FGR的重要原因[11,13]。妊娠期患有血管相关疾病如高血压、抗磷脂综合征(一种获得性免疫介导的血栓形成性疾病)的母亲,其胎儿在子宫内的生长更可能受限[14-16]。此外,母体在妊娠期暴露于烟草、酒精、化疗药物、污染空气等不良因素中也可能导致FGR[15,17-19]。在胎儿方面,胎儿的数量、遗传变异以及发育畸形均可能导致FGR。相对于单胎妊娠,多胎妊娠更易发生FGR[20-21]。据报道,约19%的FGR胎儿存在染色体异常,且最常见的异常为染色体三倍体[22]。此外,胎儿自身的发育畸形(如心脏畸形)也可能与FGR发生有关[23-24]。在胎盘方面,作为母体向胎儿有效输送营养和氧气的器官,胎盘对于胎儿的生长发育至关重要[25]。功能性胎盘发育不良是FGR的发病基础,与FGR相关的胎盘疾病则主要包括母体血管灌注不良、绒毛膜退化和子宫胎盘血管功能不全[11,25]。FGR的发生发展涉及母体、胎儿、胎盘等多种因素,其发病机制十分复杂,目前尚不能完全明确。

3 miRNA在FGR发生发展中的作用机制

3.1 miRNA抑制滋养层细胞的迁移侵袭及螺旋动脉重塑 滋养层细胞是胎盘的主要成分,滋养层细胞功能障碍与胎盘功能障碍密切相关。FGR的发生发展通常与螺旋动脉重塑不全有关,而滋养层细胞的迁移和侵袭对于螺旋动脉的转化则至关重要。在FGR胎盘和滋养层细胞中,miR-582-3p表达升高,对低密度脂蛋白受体相关蛋白6 mRNA的降解增加,该蛋白表达明显减少,导致滋养层细胞迁移和侵袭功能减弱并可能抑制滋养层依赖的母体螺旋动脉重塑,进而影响胎儿的宫内生长[26-27]。选择性宫内生长受限是指在单绒毛膜双胎妊娠中,其中一个胎儿的估计胎儿体重低于相应胎龄第10个百分位数,是一种特殊的FGR。在该类FGR胎盘和滋养层细胞中,miR-338-5p表达明显升高,可通过结合含有表皮生长因子的纤维蛋白样细胞外基质蛋白1 mRNA的3'-UTR来抑制该蛋白表达,从而抑制滋养层细胞的生长和侵袭,促进FGR[28]。此外,在FGR胎盘中,过度表达的miR-210-5p可通过抑制其下游靶点集落刺激因子1和整合素亚基αM诱导滋养层细胞的迁移能力减弱[29]。在FGR滋养层细胞中,miR-212-3p能靶向抑制胎盘生长因子的表达,从而抑制滋养层细胞的迁移和侵袭[30]。尽管机制尚不明确,FGR胎盘中升高的miR-193b-5p也可能通过抑制滋养层细胞的迁移能力导致胎盘功能障碍,诱发FGR[31]。在选择性宫内生长受限中,缺氧条件下,生长受限胎儿胎盘中的缺氧诱导因子1α能促进miR-210-3p的表达,该miRNA能抑制滋养层细胞中成纤维细胞生长因子1的表达,导致滋养层细胞侵袭能力减弱[32]。

3.2 miRNA诱导胎儿多种器官发育不良 miRNA表达异常可能诱导胎儿多种器官的发育不良,但由于样本的局限性,目前这部分研究仅局限于动物模型,FGR判断标准为胎儿出生体重低于同龄正常组平均值两个标准差。胰岛素样生长因子1(insulinlike growth factor 1,IGF1)具有诱导体细胞发育和增殖的作用,也可影响胎盘中葡萄糖和氨基酸的运输,IGF1缺乏会导致胎儿生长速度明显下降[33]。研究表明,miR-29可与IGF1 mRNA的3'-UTR结合从而降解该mRNA,这可能与猪FGR中胎儿骨骼肌发育不良有关[34]。在妊娠中晚期营养不良的FGR大鼠模型中,miR-29还可能抑制糖皮质激素的表达,这将诱导生长受限胎鼠肺部的细胞外基质沉积和促纤维化基因表达,最终导致胎鼠成年后发生慢性肺部疾病[35]。此外,在生长受限胎猪的空肠中,miR-29a表达明显升高,抑制了细胞外基质和紧密连接蛋白的表达,破坏了肠上皮完整性,最终导致胎儿肠道屏障破坏,肠道功能紊乱[36]。去乙酰化酶1(sirtuin 1,SIRT1)存在于海马、纹状体、大脑皮层和小脑中,参与调节神经元分化和凋亡、学习和记忆形成。在FGR大鼠模型中,miR-199a-5p的过度表达能通过抑制SIRT1间接抑制caspase-3表达,从而可能导致生长受限胎儿海马体发育不良和神经系统畸形[37]。营养不足会导致滋养层细胞中miR-10b、miR-363及miR-149表达升高,抑制KLF-4(调节血管生成的转录因子)、SNAT1、SNAT2(钠偶联中性氨基酸转运蛋白)以及LAT2(亮氨酸氨基酸转运蛋白)的表达,最终可能导致FGR相关的血管生成及氨基酸代谢障碍[38]。甲状腺素运载蛋白(transthyretin,TTR)有助于母体甲状腺素经胎盘进入胎儿循环,甲状腺素输送不足会导致发育异常。胎盘中TTR生物合成的调节对于正常胚胎发育至关重要。在地塞米松诱导的FGR大鼠模型中,滋养层细胞中的miR-141-3p异常升高,通过直接结合TTR的3'-UTR来抑制TTR表达,可能导致胎儿由于甲状腺素供应不足而引起相关器官发育受限[39]。FGR的孕妇血浆中,miR-424含量升高,升高的miR-424通过抑制成纤维细胞生长因子受体1表达导致胎盘发育受限[40]。

3.3 miRNA抑制胎儿生长的关键信号通路 Wnt信号通路和Hh信号通路在胚胎发育过程中均发挥着重要作用。融合抑制因子(suppressor of fused,SUFU)是一种能抑制上述两种信号通路的调节因子[41]。研究表明,miR-214-3p和miR-378a-5p均能抑制SUFU的表达,从而保证Wnt经典通路和Hh信号通路正常发挥作用[42]。然而,在FGR胎盘中,miR-214-3p和miR-378a-5p表达减少,SUFU表达则明显升高,可能导致Wnt信号通路和Hh信号通路抑制,最终引发FGR[42]。此外,FGR胎盘中miR-141表达升高也可能与Wnt信号通路抑制有关[43]。PI3K/Akt信号通路与机体生命活动密切相关,可调节细胞增殖、蛋白质合成等多种生命过程,该信号通路的抑制与FGR的发生密切相关[44]。在地塞米松诱导的小鼠FGR中,异常升高的miR-141-3p和miR-200a-3p可以抑制小鼠滋养层干细胞中内源性胰岛素样生长因子2蛋白的表达水平,并抑制其下游PI3K/Akt通路的激活[45]。此外,miR-212-3p也能通过胎盘生长因子间接地抑制滋养层细胞中PI3K/Akt信号通路的激活[30]。MAPK信号通路参与调节细胞生长和分化,该信号传导减少可能导致胎盘发育缺陷。FGR胎盘中miR-141升高可能抑制MAPK信号通路,进而导致FGR[43]。FGR中多种miRNA(如miR-16、miR-21、miR-20b)表达失调还可能与缺氧、炎症、细胞增殖和胎盘生长相关的信号通路有关,不同miRNA对FGR中不同信号通路的影响有待被进一步阐明[46]。

4 miRNA对FGR的临床意义

4.1 母体miRNA 在妊娠早期,母体血浆中miR-590-3p的含量并不能预测FGR,但在妊娠中后期,miR-590-3p含量越高,发生FGR的风险则越高,这表明其有望成为迟发型FGR预防和筛查的临床生物标志物[47]。母体外周血中miR-17-5p、miR-146a-5p、miR-221-3p、miR-574-3p和miR199a-5p的含量降低与FGR发生显著相关[48]。相对于正常妊娠母体,FGR母体外周血中缺氧相关miRNA(miR-210、miR-424、miR-21、miR-199a、miR-20b)含量明显升高,这些miRNA能够反映FGR的缺氧情况[49]。此外,母体外周血7种miRNA(miR-16-5p、miR-20a-5p、miR-145-5p、miR-146a-5p、miR-181a-5p、miR-342-3p、miR-574-3p)的含量及相关临床指标的联合检测对预测FGR具有重要意义[50]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)表达减少可能导致胎盘和胎儿器官中的血管形成障碍,这可能与FGR发生有关[51]。研究发现,FGR母体血浆中miR-206水平升高可能与VEGF信号传导抑制有关,且miR-206/VEGF比值能很好地预测FGR的发生,有望成为临床监测FGR的新指标[51]。此外,miR-30d基因敲除母鼠的妊娠过程受到影响,其着床部位较小,胎儿的头臀长和胎儿/胎盘重量比较小,这说明母体miR-30d在调节胚胎着床和随后的胎儿发育中发挥着重要作用[52]。妊娠晚期FGR母体血清中miRNA含量还可能与胎儿性别明显相关。当胎儿为女性时,FGR母体血清中miR-28-5p含量减少,而胎儿为男性时,miR-301a-3p含量则减少。无论胎儿性别如何,miR-454-3p和miR-29c-3p在FGR母体血清中的水平均下降,但当胎儿为女性时miR-454-3p表达与胎盘功能障碍相关,而当胎儿为男性时,miR-29c-3p表达与胎盘功能障碍相关[53]。综上所述,母体miRNA的含量变化可能与FGR的发生及胎儿性别有关,检测这些miRNA也有望为临床FGR的诊断提供帮助。

4.2 胎盘miRNA 研究表明,miRNA的表达具有组织特异性,胎盘特异性miRNA可能参与胎盘的分化和妊娠的维持。目前,共有10种miRNA被鉴定为胎盘特异性miRNA,其中有7种miRNA(miR-518b、miR-1323、miR-516b、miR-515-5p、miR-520h、miR-519d和miR-526b)与FGR有关[54]。值得注意的是,这些miRNA的基因均位于19号染色体,属于19号染色体miRNA簇(microRNA gene cluster on chromosome 19,C19MC)的成员。胎盘中C19MC异常表达可能导致胎盘功能障碍,进而导致FGR[54]。此外,其他胎盘中的miRNA对FGR也具有重要意义。在FGR胎盘中,miR-517-5p表达水平升高且与胎儿出生体重及胎盘重量呈负相关[55]。某些胎盘miRNA发挥作用还可能与胎儿性别有关。研究表明,当生长受限胎儿为男性时,miR-518f-5p表达水平与VEGF呈负相关;当生长受限胎儿为女性时,miR-517-5p表达水平与VEGF呈负相关,这表明miR-518f-5p和miR-517-5p可能通过抑制VEGF导致胎盘血管生成障碍且这种作用具有性别特异性[55]。胎盘中miRNA-424表达升高也可能与FGR中胎盘血管生成障碍有关[56]。胎盘中miR-518b表达降低和miR-519a水平升高提示着FGR的发生风险升高[57]。与正常胎盘相比,FGR胎盘中miR-141表达显著上调。受试者工作特征曲线显示,miR-141能有效预测FGR的发生,有望作为FGR诊断的辅助生物标志物[43]。综上所述,胎盘miRNA的表达水平可能与FGR的发生及胎盘血管生成障碍有关,可能是预测FGR的可靠生物指标。

4.3 脐带血miRNA 有研究发现,miR-185-5p和miR-132在迟发型FGR胎儿脐带血中的含量均升高,其中miR-185-5p含量与脑胎盘比率呈负相关,而miR-132含量则与胎儿出生体重呈负相关[58-59]。miR-148b-3p和miR-25-3p在迟发型FGR胎儿脐带血中含量升高,这两种miRNA与胎儿细胞代谢和神经元可塑性有关,有望联合其他标志物从而提高迟发型FGR诊断的准确性[60]。在早发型FGR中,脐带血中miR-125b-5p水平升高也与胎儿脑循环血量减少有关,在迟发型FGR中,脐带血中miR-451a水平升高与胎儿脑循环血量减少有关;联合检测miR-451a和miR-125b-5p水平可能有助于了解FGR胎儿的脑血流情况[61]。此外,miR-25-3p、miR-185-5p和miR-132-3p在迟发型FGR胎儿的脐带血中含量也显著升高,也有望作为迟发型FGR诊断和治疗的分子生物标志物[62]。一项FGR大鼠模型的研究表明,在FGR子代的生长发育过程中,肺动脉平滑肌细胞中miR-206表达升高,这可能导致肺动脉平滑肌细胞中钾电压门控通道蛋白功能障碍,最终诱发FGR子代肺动脉高压[63]。以上发现说明,miR-206有望作为临床生物标志物,促进FGR早期诊断,且抑制miR-206表达可能是FGR子代肺动脉重塑和肺动脉高压的有效治疗选择。综上所述,脐带血miRNA水平与迟发型FGR显著相关且可能与胎儿脑发育不良有关,具有重要临床意义。

5 结论及展望

目前,FGR的发病机制尚不明确,临床中也缺乏针对FGR的有效治疗手段,这些都迫使我们对FGR进行新的探索。近年来,越来越多的研究表明,miRNA可能通过抑制滋养层细胞的迁移侵袭及螺旋动脉重塑、诱导胎儿多种器官发育不良、抑制胎儿生长发育的关键信号通路等多种方式参与FGR的发生发展。此外,母体、胎盘以及脐带血中miRNA表达水平能很好地预测FGR的发生以及胎儿的发育,有望成为预防和筛查FGR的临床生物标志物。综上所述,miRNA对FGR具有重要意义,但其参与FGR发病的具体机制及对FGR可能产生的临床效益仍需更多研究证实。