microRNA与神经系统发育

1、microRNA与神经系统发育理microRNA与神经系统发育张丽妹韩鸿雅(北京交通大学理学院生命科学与生物工程研究院,北京100044)摘要microRNA(miRNA)介导的基因沉默是生物体内普遍存在的重要基因表达调控方式,其调控失常与很多人类疾病相关.miRNA在神经组织表达丰富.神经系统miRNA的功能研究是近年非常活泼的新领域.基于近期的研究进展,本文重点讨论了miRNA在神经轴模式化,神经元命运决定,神经细胞发生,神经元突触形成及成熟神经元突触重塑中的重要作用.关键词microRNA;神经系统;发育中图分类号Q189miRNA是一类长度约2024nt(少数小于20nt)的非编码单链

2、小分子RNA,在细胞内介导同源序列依赖的基因沉默.脑组织是miRNA富集表达的组织.神经组织中miRNA的表达呈明显的发育阶段特异性,组织区域特异性及细胞特异性.在成熟神经元中许多miRNA甚至还呈现了明显的细胞内局部定位特征.近年,通过对神经系统miRNA的靶基因鉴定及其功能研究,miRNA在神经系统发育中的重要作用逐渐得以揭示.一,miRNA与神经轴的模式化(一)miR-9与中后脑边界的神经诱导功能自脊椎动物神经化早期,神经轴前后极性依赖于诱导信号的区域特化而逐渐建立,中枢神经管从前到后将依次发育为前脑,中脑,后脑和脊髓.控制中脑和后脑发育的关键区域位于中脑与后脑的交界处(midbrain

3、hindbrainboundary,MHB).MHB通过释放Fgf8等诱导位于其前部的神经管发育为中脑,其后部的神经管发育为后脑.而与MHB的中后脑发育诱导活性相重叠的,此区域细胞那么在一定时期内保持未分化的祖细胞特性.研究发现,转录因子Her3,5,9和l1是维持MHB区未分化状态的关键分子.Leucht等研究发现MHB的中后脑发育诱导活性与此区域细胞未分化状态的维持是通过miR一9来协调控制的.miR一9在斑马鱼胚胎发育晚期开始在MHB外的神经管区域表达.过表达miR一9及miR一9表达阻断实验显示her5,hero以及几个Vgf信号通路的成员(启.fgfr1及canopy1)都是miR一

4、9的靶基因.miRO特异性地在MHB以外的区域表达,使MHB区免受其基因沉默调节,中后脑发育诱导活性所需的信号分子(等)及维持MHB区祖细胞状态所需的转录因子(Her5,Her9等)才得以在此区域表达.miR一9的活性划定了MHB的边界(图1).,串脑后脑_1-而图1miR-9在中后脑边界的表达及作片j(二)miRNA与Hox基因簇Hox基因家族是脊椎动物神经管前后极性和分节特征的主控基因.哺乳动物Hox基因家族包含39个同源异型结构域转录因子;以4个基因簇(A,B,c和D)的形式存在于基因组,每个Hox基因簇含911个基因.在同一基因簇中,从3到5方向,Hox基因表达的时间依次延迟,表达区域

5、沿前后体轴依次向后推移.神经管后端表达的Hox基因(Hoxl,2,3)在后脑和脊髓的模式化(patterning)中起重要作用.近期,对miR一10的研究提供了一个较清晰的miRNA参与神经轴模式化的例子.如图2所示,在斑马鱼,miR.10位于HoxB4a5方向,并且与HoxB4a在同一初始转录本内.miR一10可以靶向HoxB1a和HoxB3a而阻断二者的表达.后脑菱脑节R4(HoxB1a强表达区)和R5/6(HoxB3a强表达区)均为miR一10的表达空白区,而自R6/7的边界起,miRl0开始表达,HoxBla和HoxB3a那么呈弱表达状态.可见,miR一10的区域特异性表达帮助建立了其

6、靶基因HoxBla和HoxB3a的菱脑节分布模式.是否还有更多miRNA以类似的方式参与了神经轴以及体轴的模式化有待进一步研究.HoxBlaHoxB2aHoxB3attoxB4a一中脑ZZmiRl0瞳臣矗蜀互鍪二二HoxB3a图2miR一10对Hox基因簇的调控脊髓二,miRNA与神经元细胞命运决定神经系统行使其复杂功能的根底是神经元细胞的多样性.与神经元形态和功能高度多样性相对应的是各神经元特异的基因表达模式.特异的基因表达模式决定了某一种神经元的特定命运.图3lsy_6和miR-273参与线虫化学感受神经兀的命运决定线虫具有ASEL(ASEleft)和ASER(ASEfight)两种双侧对

7、称的化学感觉神经元.两者具有很多左右对称的特征,但是各自表达完全不同的一套化学感受受体,如在ASEL表达gcy一6和gcy一7等;在ASER表达gcy一5和gcy一22等,使线虫得以感受和区分特异的环境输入信息并对外界化学刺激作出选择性应答.ASEL和ASER均由ASE神经元分化而来.这两种神经元的命运决定以及其终末分化状态的稳定是由y一6和mir一273两种miRNA的负反应通路介导的.如图3,tys一6和cog一1分别是ASEL和ASER神经元分化命运的决定者.lsy-6只在ASEL中生理科学进展2021年第42卷第2期表达,由转录因子die-1激活,lsy一6可抑制其靶基因cog一1,最

8、终促使gcy一7等高表达且抑制gcy.5等表达.而mir一273倾向于在ASER中表达,它的靶基因那么是可激活y一6的转录因子die一1;mir.273通过die一1抑制了一6的表达;cog一1得以解除抑制而高表达,并最终促使gcy一5高表达且抑制gcy.7等表达.三,miRNA与神经发生(一)miR一124miR一124是成熟神经元中表达最丰富的miRNA之一,在神经系统内广泛表达于脑,视网膜和脊髓的神经元中,而在未分化的神经祖细胞表达水平极低.Kfichevsky等(2006年)发现,miR一124a开始表达的时相与神经元前体细胞转换为神经细胞和星型胶质细胞的时相一致,并证实miR-124

9、a能改变培养的胚胎干细胞分化为神经元和胶质细胞的比例.成熟的miR.124序列从蠕虫到人类完全保守.在人和小鼠的基因组中的不同染色体上有三个miR一124基因.在HeLa细胞株中过表达miR一124可使一百多个基因表达下降.目前,较为确定的miR一124的靶基因包括PTBP1,SCP1及Sox9等.目前所揭示的miR一124的靶基因及其在神经元发生中的作用如图4所示.非神经元细胞RESTl-一基因表达TP1LIminrl神经元:孝I24y三Slnotxe9gnnp分图4miR.124的靶基因及其在神经元发生中的作用多聚嘧啶核苷酸序列结合蛋白(PTBP)是一种选择性剪接调控蛋白.BP有多种亚型且

10、功能各理科学进展2021年并42鲞勇异.BP1在非神经元和神经祖细胞中高表达而在神经元中低表达.PTBP2表达模式与PTBP1相反.PTBP2mRNA的剪接也受PTBP1调控.在非神经元和神经祖细胞,PTBP1可以结合PTBP2初始转录本中的一个关键外显子,从而抑制神经元特异的PTBP2剪接体产生.FFBPI是miR一124的靶基因.神经元分化过程中,miR一124的表达使PTBPl表达下降,PTBP2呈现神经元特异的选择性剪接,并通过其对靶蛋白选择性剪接的调控使细胞呈神经元特有的蛋白质表达模式.小聚合酶羧基端结构域磷酸酶SCPI(smallPolUcarboxylterminaldomain

11、phosphatases1)的功能之一是在非神经元细胞中降低RNA聚合酶对神经元特异表达基因的转录活性.这一功能与重要的抗神经转录因子REST(RE1silencingtranscriptionfactor,REST,也称为NRSF)密切相关.在非神经元细胞和未分化的祖细胞,REST将SCP1,MeCP2(methylCpGbindingprotein),HDAC(histonedeacetylases)等蛋白募集到神经元特异基因的RE1元件,抑制神经元特异基因转录.研究显示,miR一124与REST/SCP1复合物形成了一个负反应调控环路.一方面,SCP1是实验证实的miR一124的靶基因,

12、即其表达受miR一124的负调控;另一方面,conaco等(2006年)发现miR一124a的基因转录调控区存在RE1位点,受REST/SCP1复合物的负调控.因此,在非神经细胞和神经祖细胞中,REST复合物抑制miR一124的表达;随着祖细胞向神经元方向分化,REST受转录及转录后调控呈低表达,miR一124抑制而得以表达,而miR一124会通过对SCP1的抑制,更进一步终止REST/SCP1复合物的抗神经作用.miRNA一124的表达及REST/SCP1复合物的失活这两个神经发生的重要事件,互相促进,迅速调控蛋白质表达模式向神经元方向转化.miR一124的另一个靶基因是转录因子Sox9.侧

13、脑室室管膜下区(subventricularzone,SVZ)是成体哺乳动物中主要的成体神经干细胞贮存区.miR一124介导的转录因子Sox9的表达抑制可以诱导SVZ干细胞向神经元分化l6J.另外,Cao等(2007年)发现,鸡神经管中神经祖细胞维持所必需的层粘连蛋白(1aminin)1和整联蛋白(integrin)131基因都是miR一124的靶基因.然而值得注意的是,与前述在相同的研究体系(鸡神经管)中发现过表达miR一124减缓了神经祖细胞的增殖和促进了神经发生不同J,Cao等抑制或过表达miR124并没有明显改变神经祖细胞的分化状态,提示它不是神经元分化的主要决定因素.这种不一致性产生

14、的原因还有待进一步研究.在神经元分化过程中,miR一124的功能还包括调节细胞骨架重建进而促进神经突生长.Yu等(2021年)发现在小鼠畸胎瘤细胞株P19细胞过表达miR一124可以促进神经突生长.miR一124的表达影响了两个RhoGTP酶家族成员Cdc42和Racl,使Cdc42表达水平降低而RAC1倾向核定位分布.表达有组成活性的Cdc42和Racl可以抵消miR一124的促神经突生长作用.Cdc42的3UTR并没有miR124的靶点,因此它可能间接受miR一124的调控.对于miR一124如何调控Cdc42,Makeyev等曾报道的miR一124可以通过BP影响Cdc42的选择性剪接一

15、很可能是机制之一.(二)miR一9多个研究提示miR-9具有调节神经干细胞分化的作用.首先,如前述miR一9的表达空白区与MHB区祖细胞活性相对应.另外,Krichevsk等(2006年)发现,同miR一124a相似,miR一9在神经元中高表达,并且实验证实miR一9同样能改变培养的胚胎干细胞分化为神经元和胶质细胞的比例.Zhao等发现电穿孔向胚脑内导入miR一9引发了神经元的提前分化.miR一9促进神经元分化的机制至少局部是通过抑制核受体蛋白TLX来实现的.TLX是一种转录调节因子,它可以将HDAC等募集到它的下游靶标基因,如p21及PTEN,以抑制它们的转录,进而促进神经干细胞的增殖和自我

16、更新.实验证实miR一9可以抑制TLX的表达因而负调节神经干细胞的增殖和加速神经元的分化J.与REST/miR一124之问的调控关系非常类似的,miR一9同时还受TLX的转录调控J.通过miRNA与转录调节因子间反应回路协调基因表达似乎是生物体中的一种很普遍的模式.四,miRNA与神经系统可塑性神经系统的功能在外环境作用下,从神经元到神经环路都可能发生适应性变化,即可塑性变化.突触结构和功能的可塑性是脑内信息存储,学习,记忆,意识等功能的根底.miR一132与新生神经元的突触发生及成熟神经元神经活动依赖的突触可塑性密切相关.Vo等(2005年)发现miR一132的表达受与神经可塑性密切相关的转

17、录因子CREB(cAMPresponseelementbindingprotein)的诱导.在新生大鼠大脑皮质神经元,过表达miR一132可诱发神经突生长,抑制其表达效应相反.实验证实p250GAP是miR.132的下游靶基因.miR一132调节新生神经元神经突发生长的作用,至少局部是由于它对p250GAP的表达调控来实现的.p250GAP是Rho家族的GTP酶活化蛋白的成员之一,以往研究显示p250GAP可以通过Rac/Cdc42信号通路调节神经突生长.miR.132一p250GAP也参与成熟神经元的突触可塑性调节.Wayman等在体外培养的海马神经元观察到荷包牡丹碱(bicuculline

18、,GABA能A型受体拮抗剂)诱发的NMDA受体依赖的突触活性可以诱导miR.132高表达.而且miR一132可以通过抑制p250GAP翻译而调节突触活性介导的树突生长J.miR一134和miR一138均为在海马神经元树突部位富集表达的miRNA,且均具有负调节树突棘大小的作用加.miR一134随着脑发育成熟而表达增加.过表达miR.134导致神经元树突棘体积显着缩小,而抑制它效应相反.miR一134对树突棘大小的负调节是通过抑制蛋白激酶LIMK1的翻译合成来实现的.LIMK1可以抑制ADF/cofilin(actindepoly.merizingfactor/cofilin,肌动蛋白解聚因子/

19、丝切蛋白),促进肌动蛋白聚合,促进树突棘形成和维持树突棘结构.更为重要的,miR一134对HMK1的翻译抑制,可以被脑源神经生长因子BDNF诱发的突触活动所缓解,说明miR.134同miR一132一样在神经活动相关的突触成熟及可塑性中起重要作用J.催化去棕榈酰化修饰的酶一酰化蛋白硫酯酶1(Acylproteinthioesterase1,APT1)基因是miR-138的靶基因.实验证实miR.138通过APT1的翻译抑制可使APT1底物之一的G蛋白God3的棕榈酰化修饰水平增加而利于其结合于细胞膜.Gal3的膜结合可以激活RhoAGTP酶通路进而抑制树突棘的发生和维持.五,结语与展望miRNA

20、是目前生物学中非常活泼的领域.神经系统miRNA使我们可以以新的视角审视并探索神经生物学的大量难题,如神经系统发育,脑认知及学习记忆的机制.如本文所综述的,在这一miRNA与神经生物学的交叉领域已经取得了一些进展.这一学科交叉领域也必将为攻克神经系统发育异常及神经元退行性变所导致的各种难治疾病奠定根底.新近已有研究鉴定了一些与神经系统重大疾病相关的miRNA.神经系统是人体最为复杂的系统,多种细胞所构成的庞大的神经网络协同控制着整个机体的活生理科学进展2021年第42卷第2期动.神经元细胞内有更为复杂的蛋白合成及运输定位调控.因此,神经系统miRNA的研究应该进行更为精细的实验设计.将miRN

21、A的功能与其细胞特异性乃至细胞内的局部区域特异性定位联系起来是未来研究的趋势.而且,已有研究提示miRNA介导的基因沉默同样受多种复杂的机制所调控,如对RISC复合物组装过程,靶位点的可接近性,靶mR.NA的细胞内定位等过程的调控.miRNA功能的可调控性也许可成为解析神经元突触部位蛋白定位表达机制新的切人点.参考文献1LeuchtC,StigloherC,WizenmannA,eta1.MieroRNA-9directslateorganizeractivityofthemidbrain-hindbrainboundary.Natureneurosci,2021,11:641648.2Wol

22、teringJM,DurstonhJ.MiR?10repressesHoxB1aandHoxB3ainzebrafish.PLoSOne,2021,3:e1396.3JohnstonRJJr,ChangS,EtchbergerJF,eta1.MicroRNAsactinginadouble-negativefeedbacklooptocontrolaneuro-nalcellfatedecision.ProcNatlAcadSciUSA,2005,102:1244912454.4MakeyevEV,ZhangJ,CarraseoMA,eta1.TheMicroRNAmiR一124promotesneuronaldifferentiationbytriggeringbrainspecificalternativepremRNAsplicing.MolCell,2007,27:435448.5VisvanathanJ,LeeS,LeeB,eta1.ThemicroRNAmiR-124antagonizestheantineuralREST/SCP1pathwayduringembryonicCNSdevelop