徐 瑞綜述,趙吉清審校

(第三醫(yī)學(xué)大學(xué):1.學(xué)員旅二隊;2.軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院防化醫(yī)學(xué)教研室,重慶400038)

microRNA對于神經(jīng)元的發(fā)育、分化、功能和可塑性方面有重要意義。一方面,成熟microRNA可與靶mRNA分子配對抑制其轉(zhuǎn)錄后的翻譯或直接降解mRNA,以調(diào)節(jié)相關(guān)靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達,進而調(diào)控神經(jīng)元的發(fā)育、分化。另一方面,當(dāng)神經(jīng)元受到刺激時,可以通過microRNA加速一些蛋白質(zhì)的合成來應(yīng)答,同時調(diào)節(jié)突觸的可塑性。本文主要就microRNA對神經(jīng)發(fā)育及可塑性的影響進行綜述。

1 microRNA與神經(jīng)元發(fā)育分化

神經(jīng)發(fā)育過程是精確調(diào)控多種基因功能的過程,研究顯示microRNA參與了神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育分化。目前已在神經(jīng)干細胞中發(fā)現(xiàn)了一些高表達和差異表達的microRNAs,參與調(diào)控神經(jīng)干細胞的自我更新和分化過程。miR-124在神經(jīng)干細胞中的表達很低,它的內(nèi)源性靶基因包括層黏連蛋白g1基因(laminin g1)和整合素b1基因(integrin b1)在神經(jīng)干細胞中高表達;而在神經(jīng)元中低表達miR-124可能是通過抑制laminin g1和integrin b1的表達使神經(jīng)干細胞發(fā)育為成熟神經(jīng)元[1]。miR-124在分化神經(jīng)元和成熟神經(jīng)元中高表達,可在神經(jīng)元的分化過程中促進軸突生長,此作用可能與miR-124對細胞骨架的調(diào)控有關(guān)[2]。

miR-92b主要在神經(jīng)干細胞中表達[3],可能參與維持神經(jīng)干細胞的特性。在神經(jīng)干細胞中過表達miR-124、miR-128和miR-9可降低星型膠質(zhì)細胞的分化比率,抑制miR-9或(和)miR-124表達可促進細胞分化。miR-9和miR-124還可通過抑制信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(STA T3)的磷酸化而維持神經(jīng)干細胞特性[4]。

在神經(jīng)祖細胞和非神經(jīng)細胞中RE1沉默轉(zhuǎn)錄因子(RE1 silencing transcription factor,REST)活化能抑制神經(jīng)元特異性基因的表達。REST通過抑制miR-124和miR-9的表達,從而抑制離子通道蛋白、突觸蛋白和其他神經(jīng)元特異性蛋白的表達,而這些都是神經(jīng)元分化所必需的[5]。最近的研究表明,miR-124能直接抑制羧基端小結(jié)構(gòu)域磷酸酶1(SCP1),而SCP1是REST發(fā)揮抑制神經(jīng)元基因表達的必需成分,因此miR-124能間接地抑制 REST的活性[6]。這表明存在一種負反饋機制:在非神經(jīng)元和神經(jīng)元前體細胞中,神經(jīng)元特異性基因(包括miR-124)的表達是被REST和SCP1抑制的,隨著細胞向神經(jīng)元方向分化以及REST受轉(zhuǎn)錄抑制,miR-124通過在轉(zhuǎn)錄后水平抑制REST輔助因子 SCP1的表達而快速終止REST的生物功能。

在脊椎動物神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中,神經(jīng)祖細胞從增殖轉(zhuǎn)換成分化,同時伴隨有神經(jīng)祖細胞專一性Swi/Snf類BAF(npBAF)染色質(zhì)重塑復(fù)合物組分的改變,形成神經(jīng)發(fā)育和樹突形成所必需的神經(jīng)元專一性BAF(nBAF)復(fù)合物。研究發(fā)現(xiàn)在發(fā)育轉(zhuǎn)換中,BAF亞基之一BAF53a與BAF53b的交換受兩個microRNA(miR-9和miR-124)的調(diào)節(jié)。BAF53a在神經(jīng)祖細胞增殖中起重要作用,在小鼠腦發(fā)育中的神經(jīng)元內(nèi)的表達下調(diào),BAF53a的表達關(guān)閉才能產(chǎn)生BAF53b。

miR-124和miR-9可以通過選擇性的抑制BAF53a的表達,從而調(diào)控BAF53b的表達,而后者可以誘導(dǎo)神經(jīng)元前體細胞向不同方向分化。所以miR-124的缺失將導(dǎo)致胚胎干細胞不向神經(jīng)元方向分化[7]。

現(xiàn)在還不清楚BAF53a的抑制是否需要miR-124和miR-9的同時參與。miR-9在發(fā)育中比miR-124表達的更早,所以在發(fā)育的某一個限定時期內(nèi)可能導(dǎo)致BAF53a的抑制。另外,這種雙重調(diào)控可能比單獨miR-124或miR-9引起B(yǎng)AF53a翻譯受抑制的時期要長。miR-124和miR-9也已經(jīng)被證實了在樹突的伸長中有著積極的作用。海馬神經(jīng)元中由于BAF53a突變導(dǎo)致的miR-124和miR-9異位表達阻止了BAF53a的下調(diào),促進了 KCl誘導(dǎo)的樹突生長。但是,野生型的BAF53a沒有這種作用[7-8]。

多聚嘧啶核苷酸序列結(jié)合蛋白(PTPB)可以控制mRNA的翻譯進而控制蛋白質(zhì)的合成方向。目前已經(jīng)證實PTPB1和PTPB2在調(diào)控干細胞向神經(jīng)方向分化方面有重要作用,PTPB1可以調(diào)控干細胞向非神經(jīng)元方向分化,PTPB2則相反,調(diào)控干細胞向神經(jīng)方向分化。而PTPB1的表達受到miR-124的抑制,miR-124通過下調(diào)PTBP1來調(diào)節(jié)神經(jīng)元的分化[9]。

2 microRNA與突觸可塑性

突觸可塑性與突觸內(nèi)相關(guān)蛋白質(zhì)的合成有關(guān)。大量的實驗證實了microRNA對于突觸的功能有重要作用。而且突觸的活性可以誘導(dǎo)或抑制一些microRNA的表達。海馬區(qū)化學(xué)性長時程增強(LTP)和代謝型谷氨酸受體依賴的長時程壓抑(LTD)的誘導(dǎo)均可導(dǎo)致microRNA的表達上調(diào),從而抑制突觸內(nèi)相關(guān)蛋白質(zhì)的過度合成[10]。突觸可塑性常與樹突棘的形成、脫落、擴張和萎縮等形態(tài)變化相伴發(fā)生。

2.1 活性依賴的調(diào)節(jié) 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brainderived neurotrophic factor,BDNF)和突觸活動可以通過轉(zhuǎn)錄因子cAM P應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(CREB)來激活miR-132的轉(zhuǎn)錄。miR-132可以抑制p250GAP(一種可以激活GTP酶從而調(diào)控Rac1/PAK1途徑的蛋白質(zhì))的表達[11]。在成熟神經(jīng)元的培養(yǎng)中,活性依賴的miR-132轉(zhuǎn)錄促進樹突棘的形成及微小興奮性突觸后電流(mEPSCs)的發(fā)生。p250GAP是調(diào)節(jié)miR-132功能的重要物質(zhì)[12]。此外,p250GAP 3′UTR有多個供其他 microRNA結(jié)合的microRNA調(diào)控元件(MRE),提示了這些激活的microRNA和miR-132一起抑制了p250GAP的表達。另外基因敲除和轉(zhuǎn)基因小鼠模型也證實了miR-132的功能[13]。miR-125b也可以調(diào)節(jié)樹突的分支和神經(jīng)元自發(fā)活性。海馬神經(jīng)元中過度表達的miR-125b可調(diào)節(jié)樹突棘的形態(tài)以及減少mEPSCs的頻率和振幅。相反,如果消耗內(nèi)源性的miR-125b會導(dǎo)致樹突軸變短和mEPSC的頻率增加。已經(jīng)證明NMDA受體的亞基NR2A是 miR-125b的靶點[12]。

2.2 空間調(diào)節(jié) 轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的區(qū)別之一在于發(fā)生在不同的亞細胞域。已經(jīng)證明成熟的microRNA在突觸前和突觸后都存在,神經(jīng)元可以利用microRNA以一種空間調(diào)節(jié)的方式快速調(diào)控靶基因,回應(yīng)突觸活性改變,這種調(diào)節(jié)有助于突觸反應(yīng)和突觸強度調(diào)節(jié)。

2.2.1 突觸前microRNA 在秀麗隱桿線蟲(C.elegans)和海生動物Aplysia中,可以發(fā)現(xiàn)突觸前神經(jīng)元中末端存在著miR-124和miR-338。軸突中的miR-338可以通過調(diào)節(jié)軸突內(nèi)細胞色素C氧化酶Ⅳ來調(diào)節(jié)能量代謝。而miR-124存在于Aplysia的突觸前感覺神經(jīng)元內(nèi),反復(fù)釋放5-羥色胺可以產(chǎn)生長時程易化(LTF)。而在感覺神經(jīng)元miR-124的過度表達則可以阻斷 LTF;相反,miR-124抑制則可以誘導(dǎo) LTF。miR-124介導(dǎo)的抑制 LTF的機制可能是抑制了CREB1的表達。突觸前神經(jīng)元內(nèi)的microRNA的可能作用是通過調(diào)節(jié)肌動蛋白細胞骨架從而來調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。miR-375(一種在大腦和胰島內(nèi)都表達的microRNA)能抑制重組胰島素樣生長因子1的表達間接支持這一觀點[14-15]。

2.2.2 突觸后microRNA microRNA和RNA誘導(dǎo)基因沉默復(fù)合物(RISC)一直被認為參與了突觸后應(yīng)答的調(diào)節(jié)。突觸后microRNA作用機制可能是建立一個對刺激產(chǎn)生及時和局限的反應(yīng)。Dicer、Argonaute和FMRP存在于成熟神經(jīng)元的樹突內(nèi),功能研究證明RISC在神經(jīng)肌肉接頭處調(diào)節(jié)突觸的形成,而且Dicer和 Armitage的變異將影響突觸長期可塑性。miR-138(一種在突觸小體里大量存在的microRNA)被發(fā)現(xiàn)可以抑制乙酰蛋白硫脂酶(APT-1)的表達,而AT P-1可以通過作用于RhoA-ROCK途徑使樹突棘的體積變小。神經(jīng)元活性可以通過轉(zhuǎn)錄激活因子MEF2的作用產(chǎn)生從miR-379到410的一系列的突觸后microRNA。這些長片段的初級microRNA可以被剪切成許多不同的microRNA,包括miR-134。miR-134存在于成熟的海馬神經(jīng)元的樹突棘中,可以通過下調(diào)RNA結(jié)合蛋白Pumilio2來調(diào)節(jié)樹突的生長。miR-134可降低Lim結(jié)構(gòu)域激酶(Lim-domain-containing protein kinase,Limk1)基因的表達,減小樹突棘的大小而不影響樹突棘的數(shù)目。而BDNF可以阻斷miR-134的作用,激活Limk1蛋白的合成,從而使樹突棘體積變大[16-17]。

2.3 RISC復(fù)合物的調(diào)節(jié) 蛋白質(zhì)組學(xué)與mRNA水平的分析表明在mRNA基因沉默期間蛋白質(zhì)和mRNA水平明顯相關(guān)。mRNA水平的變化最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)豐度的變化。翻譯抑制、退化或mRNA的切割導(dǎo)致的mRNA基因沉默與microRNA有關(guān)。micro RNA和Ago2配對結(jié)合能對目標mRNA進行切割,而抑制或降解mRNA。有研究推測翻譯的抑制將導(dǎo)致mRNA的降解,這種模式是否涉及其他的microRNA仍待定。亦有研究發(fā)現(xiàn)通過RISC核心成分GW182/hTNRC6的作用將導(dǎo)致mRNA的降解。在果蠅中發(fā)現(xiàn)GW182并不需要靶點被Argonaute識別,但當(dāng)其作為RISC的一部分時,它直接和真核起始因子4G(eIF4G)競爭多聚腺苷酸結(jié)合蛋白1(PABPC1),而GW182-PABPC1可以阻斷Cap依賴的翻譯,引起脫腺苷化復(fù)合物CAF1/Not1/CCR4的募集,在體外通過脫腺苷化使靶基因失去穩(wěn)定性[18-20]。

翻譯的抑制更適合遠端的樹突或軸突。RISC在突觸轉(zhuǎn)錄物轉(zhuǎn)運到末梢期間利用 RNA結(jié)合蛋白FM RP或CPEB代替CAF1/Not1/CCR4復(fù)合體來抑制翻譯。而且FM RP在突觸形成過程中發(fā)揮重要作用,是RISC的一個bone fide亞基。同樣CPEB依賴mRNA轉(zhuǎn)錄物的調(diào)節(jié)在多種生物里(包括Aplysia、Drosophila和哺乳動物)都與突觸的可塑性和記憶有關(guān)[21-22]。

microRNA合成的每一步都受到調(diào)控,包括microRNA前體合成,剪切成成熟的microRNA,對 RNA的編輯以及microRNA與靶基因的結(jié)合。如在視交叉核上分離到一些microRNA,包括 miR-132和miR-219可以調(diào)控晝夜節(jié)律[23-24]。

同樣RISC復(fù)合物中的蛋白質(zhì)成分可能也參與調(diào)節(jié)?，F(xiàn)已證明了RISC復(fù)合物和次級溶酶體或多泡體(MVB)之間有功能聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)部分GW182,Ago2和microRNA在果蠅和哺乳動物細胞中可以分割MVB,這樣就可以阻斷MVB和溶酶體的融合,導(dǎo)致GW182在細胞質(zhì)內(nèi)的聚集,從而增加沉默作用。這就揭示了RISC復(fù)合物受到溶酶體的反作用,這也許是一種自身的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)?？赡?RISC復(fù)合物的活性需要其組成成分的更新和再生來維持酶的活性[25]。

但是神經(jīng)元的活動是怎么通過降解RISC來去抑制一些轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,同時又通過同一microRNA途徑來抑制另外的一些靶基因?在活性依賴的脫抑制作用下,刺激引起RISC蛋白降解和重塑可能是一個局部且快速的反應(yīng)。相反,由microRNA引起的轉(zhuǎn)錄上調(diào)引起的反應(yīng)可能與神經(jīng)元的發(fā)育和突觸可塑性有關(guān)。miR-132和miR-134表達的上調(diào)可能相對緩慢,這是因為要經(jīng)歷microRNA前體轉(zhuǎn)錄的激活、合成、運輸和裝配到RISC這個過程。由于miR-134的靶產(chǎn)物(如LIMK1)的去抑制引起的即時變化,可能分別在miR-132和miR-134引起p250GAP和Pumillio2的抑制介導(dǎo)下,還會有更多持久的反應(yīng)。當(dāng)研究了大量的被microRNA調(diào)控的轉(zhuǎn)錄物后,有理由相信有的作用靶點參與短時間的效應(yīng),有的參與長時間的反應(yīng)。對神經(jīng)元活動暫時的控制或多步的反應(yīng)可以為細胞提供快速應(yīng)對周圍環(huán)境的變化的能力,同時又能通過對蛋白質(zhì)合成的改變來適應(yīng)這些變化。

[1]Cao X,Pfaff SL,Gage FH,et al.A functional study of miR-124 in the developing neural tube[J].Genes Dev,2007,21(5):531.

[2]Yu JY,Chung KH,Deo M,et al.MicroRNA miR-124 regulates neurite outgrowth during neuronal differentiation[J].Exp Cell Res,2008,314(14):2618.

[3]Kapsimali M,Kloosterman WP,de Bruijn E,et al.MicroRNAs show a wide diversity of expression profiles in the developing and mature central nervous system[J].Genome Biol,2007,8(8):R173.

[4]Krichevsky AM,Sonntag KC,Isacson O,et al.Specific microRNAs modulate embryonic stem cell-derived neurogenesis[J].Stem Cells,2006,24(4):857.

[5]Conaco C,Otto S,Han JJ,et al.Reciprocal actions of REST and a microRNA promote neuronal identity[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2006,103:2422.

[6]Visvanathan J,Lee S,Lee B,et al.The microRNA miR-124 antagonizes the anti-neural REST/SCP1 pathway during embryonic CNS development[J].Genes Dev,2007,21(7):744.

[7]Yoo AS,Staahl BT,Chen L,et al.MicroRNA-mediated switching of chromatin-remodelling complexes in neural development[J].Nature,2009,460:642.

[8]Otto SJ,McCorkle SR,Hover J,et al.A new binding motif for the transcriptional repressor REST uncovers large gene networks devoted to neuronal functions[J].J Neurosci,2007,27:6729.

[9]Giraldez A J,Cinalli R M,Glasner M E,et al.MicroRNAs regulate brain morphogenesis in zebrafish[J].Science,2005,308(5723):833.

[10]Park CS,Tang SJ.Regulation of microRNA expression by induction of bidirectional synaptic plasticity[J].J Mol Neurosci,2009,38(1):50.

[11]Vo N,Klein ME,Varlamova O,et al.A cAMP-response element binding protein-induced microRNA regulates neuronal morphogenesis[J].Proc Natl Acad Sci USA,2005,102:16426.

[12]EdbauerD,NeilsonJR,FosterKA,et al.Regulation of synaptic structure and function by FMRP-associated microRNAs miR-125b and miR-132[J].Neuron,2010,65:373.

[13]Shaked I,M eerson A,Wolf Y,et al.MicroRNA-132 potentiates cholinergic anti-in?ammatory signaling by targeting acetylcholinesterase[J].Immunity,2009,31:965.

[14]Aschrai A,Schwechter AD,M ameza MG,et al.MicroRNA-338 regulates local cytochrome coxidase IV mRNA levels and oxidative phosphorylation in the axons of sympathetic neurons[J].J Neurosci,2008,28:12581.

[15]Rajasethupathy P,Fiumara F,Sheridan R,et al.Characterization of small RNAs in aplysia reveals a role for miR-124 in constraining synaptic plasticity through CREB[J].Neuron,2009,63:803.

[16]Siegel G,Obernosterer G,Fiore R,et al.A functional screen implicates microRNA-138 dependent regulation of the depalmitoylation enzyme APT1 in dendritic spine morphogenesis[J].Nat Cell Biol,2009,11:705.

[17]Fiore R,Khudayberdiev S,Christensen M,et al.Mef2-mediated transcription of the miR379-410 cluster regulates activity-dependent dendritogenesis by ine-tuning Pumilio2 protein levels[J].EMBO J,2009,28:697.

[18]Fabian M R,Mathonnet G,Sundermeier T,et al.Mammalian miRNA RISC recruits CAF1 and PABP to affect PABP-dependent deadenylation[J].Mol Cell,2009,35:868.

[19]Jinek M,Fabian M R,Coyle SM,et al.Structural insights into the human GW182-PABC interaction in microRNA-mediated deadenylation[J].Nat Struct Mol Biol,2010,17:238.

[20]Zekri L,Huntzinger E,Heimstadt S,et al.The silencing domain of GW182 interacts with PABPC1 to promote translational repression and degradation of microRNA targets and is required for target release[J].M ol Cell Biol,2009,29:6220.

[21]Holtz J,Pasquinelli AE.Uncoupling of lin-14 mRNA and protein repression by nutrient deprivation in Caenorhabditis elegans[J].RNA,2009,15:400.

[22]Jin P,Zarnescu DC,Ceman S,et al.Biochemical and genetic interaction between the fragile X mental retardation protein and the microRNA pathway[J].Nat Neurosci,2004,7:113.

[23]Kadener S,Menet JS,Sugino K,et al.A role for microRNAs in the Drosophila circadian clock[J].Genes Dev,2009,23:2179.

[24]Yang M,Lee JE,Padgett RW,et al.Circadian regulation of a limited set of conserved microRNAs in Drosophila[J].BMC Genomics,2008,9:83.

[25]RybakA,FuchsH,HadianK,et al.The let-7 target gene mouse lin-41 is a stemcell specific E3 ubiquitin ligase for the miRNA pathway protein Ago2[J].Nat Cell Biol,2009,11:1411.