柳博 徐世紅 謝興文,3* 李寧 黃睿 丁聚賢 錢敏 郭宏剛 施彥龍

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

2.甘肅省中醫(yī)藥研究院，甘肅 蘭州 730050

3.西北民族大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730030

骨質(zhì)疏松癥的主要臨床表現(xiàn)為全身性骨痛、身體畸形及并發(fā)的骨質(zhì)疏松性骨折。最新的調(diào)查[1]表明我國65歲以上的老年人骨質(zhì)疏松患病率為32 %。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當前我國大于60歲人口約占總?cè)丝诘?0.1 %[2]，因此，隨著我國老齡化進程的日益加劇，該病發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢。有數(shù)據(jù)[3]顯示，預(yù)計到2050年，骨質(zhì)疏松所導(dǎo)致的骨折相關(guān)醫(yī)療支出將達到1 745億元。由此可見，骨質(zhì)疏松現(xiàn)已是我國面臨的重要社會公共衛(wèi)生問題，但相關(guān)治療藥物存在著品種單一、副作用明顯等不足之處。因此，尋找其疾病靶基因?qū)琴|(zhì)疏松的治療將起到事半功倍的作用。近年來隨著對microRNA的深入研究，發(fā)現(xiàn)其家族中microRNA-21在調(diào)控骨骼代謝方面起著重要的作用，尤其是在成骨細胞和破骨細胞的分化與功能方面具有舉足輕重的作用。因此，本文通過文獻的回顧性分析，進一步闡釋microRNA-21在骨質(zhì)疏松中的相關(guān)分子機制，為臨床治療和基礎(chǔ)研究提供一定的借鑒。

1 MicroRNA與骨質(zhì)疏松的研究

1.1 骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制

人體中的骨骼在一生中持續(xù)不斷地進行著骨重塑，即破骨細胞對受損骨組織的骨吸收和成骨細胞的新骨形成的過程，而成熟骨組織的維系依賴于骨髓間充質(zhì)干細胞(bone mesenchymal stem cell，BMSCs)來源的成骨細胞的骨形成與造血干細胞 (hematopoietic stem cell，HSC)來源的破骨細胞骨吸收之間的動態(tài)平衡關(guān)系[4-5]；作為一種全身代謝性骨骼疾病，OP的發(fā)生機制主要是因為骨重塑的這種微妙動態(tài)平衡狀態(tài)被打破，即體內(nèi)骨代謝平衡打破，骨吸收遠大于骨形成，從而表現(xiàn)為骨量的流失，進一步出現(xiàn)全身性的骨痛及各種骨折并發(fā)癥。隨著對microRNA在人體細胞增殖、分化及凋亡等過程中重要作用的揭示[6-10]，并且其在疾病發(fā)生發(fā)展過程中具有的特異性表達，為骨質(zhì)疏松的全新靶向治療方式提供了極大的可能性。

1.2 MicroRNA與骨質(zhì)疏松

MicroRNA是一類內(nèi)生長度約為18～22個核苷酸的單鏈非編碼小RNA分子，其在細胞內(nèi)具有多種重要的調(diào)節(jié)作用；microRNA轉(zhuǎn)錄后水平與靶基因mRNA的3- untranslation region(3-UTR)不完全堿基配對，進一步調(diào)控30 %以上基因的表達[7-9]；microRNA通過改變相應(yīng)的基因表達，可以調(diào)控細胞分化、凋亡、血管生成和細胞增殖等多種細胞生理過程[6,10]，可作為維持細胞生長動態(tài)平衡的良好候選基因，也為骨質(zhì)疏松的防治提供了新的方向。

隨著近年來對骨質(zhì)疏松發(fā)病機制的研究，越來越多的研究[11]表明microRNA與骨重塑的關(guān)系密切，如miR-214可通過靶向FGFR-1減弱間充質(zhì)干細胞的成骨分化，還可通過靶向Pten/PI3k/Akt通路促進破骨細胞形成[12]；相關(guān)研究[13-15]發(fā)現(xiàn)miRNA家族成員miRNA-214和miR-29c可有效調(diào)控間充質(zhì)干細胞成骨分化，主要表現(xiàn)為促進BMP-2、Wnt/β-Catenin通路的激活并調(diào)控骨基質(zhì)蛋白的表達。同時相關(guān)研究[16-19]發(fā)現(xiàn)miR-27、miR-2861、miR-3960、miR-335-5p、miR-204等microRNA均在調(diào)控成骨分化中有特異性表達。

近年來隨著對microRNA在抗骨質(zhì)疏松機制中作用的不斷深入研究，尤其是發(fā)現(xiàn)了其家族中microRNA-21在調(diào)控成骨細胞和破骨細胞的分化與功能方面起著重要作用；作為體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，microRNA-21基因位于第17號染色體，全長22 nt，參與體內(nèi)多個生物過程，如miRNA-21可以通過靶向抑制緊張素同源蛋白(PTEN)及調(diào)控TGF-β1信號通路抑制骨肉瘤細胞增殖[20]；亦可靶向抑制PTEN的表達以促進腫瘤細胞增殖和遷移[21]，此外microRNA-21還可通過PTEN/PI3K/Akt/mTOR信號通路調(diào)節(jié)高血壓大鼠的病理癥狀和心肌細胞凋亡[22]。關(guān)于骨質(zhì)疏松的相關(guān)研究[23]表明，microRNA-21在OP患者血清中的表達明顯高于對照組，并在OP患者并發(fā)的髖骨骨折患者中的表達水平存在顯著差異[24]。microRNA-21在多個體內(nèi)多個生物過程中均有表達，隨著對其在OP機制中的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)它在OP中具有顯著的特異性表達，參與骨重塑過程并發(fā)揮著獨特的作用[25]，現(xiàn)就microRNA-21在骨質(zhì)疏松相關(guān)分子機制中的研究進行綜述，為OP的防治提供一種新的靶標治療方向。

2 MicroRNA-21在OP中的機制研究

2.1 Micro-RNA 21與成骨細胞的相關(guān)性

目前，相關(guān)的研究[26-29]表明，micro-RNA與相關(guān)的成骨因子之間存在著緊密聯(lián)系，作為體內(nèi)重要的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子，參與了體內(nèi)的多種生物過程，特別是腫瘤的發(fā)生發(fā)展及治療；近年來的研究發(fā)現(xiàn)microRNA-21在調(diào)控成骨分化中也發(fā)揮著重要的作用。在研究細胞成骨分化的過程中發(fā)現(xiàn)，多種microRNA表達上調(diào)，其中包括microRNA-21，人為調(diào)控microRNA-21過表達可促進細胞成骨分化及異位成骨,并促進骨折愈合以及骨質(zhì)疏松患者的成骨分化[30-31]。而間充質(zhì)干細胞(MSC)分化為成骨細胞，作為成骨分化中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，相關(guān)研究[32]表明microRNA-21可以通過促使Sox2的表達進而調(diào)控MSC成骨分化及增殖；另有研究[33]發(fā)現(xiàn)當microRNA-21表達抑制時，TNF-α表達上調(diào)，導(dǎo)致成骨受到損害，進而導(dǎo)致機體骨形成與骨吸收失衡；而腫瘤壞死因子α(TNF-α)是一種具有誘導(dǎo)炎癥介質(zhì)激活、細胞凋亡及免疫調(diào)節(jié)的多效應(yīng)細胞因子[34],在骨質(zhì)疏松的相關(guān)分子機制中，對成骨分化具有重要的調(diào)控作用。已有研究[35]表明TNF-α能夠抑制人牙周膜干細胞成骨分化，其主要作用機制為抑制Osterix、Runx2等成骨基因表達。綜上所述，microRNA-21可能通過調(diào)控TNF-α、Sox2的表達及NF-κB信號通路的激活，進一步調(diào)控成骨的分化增殖，促進骨形成。

同時有研究[36]表明，在成骨分化中扮演著重要的角色的骨形態(tài)發(fā)生蛋白9(BMP-9)，是一種可高效誘導(dǎo)成骨分化的骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMPs)。在相關(guān)研究[37]中，小鼠多向分化干細胞(metanephric mesenchyme cell，MMC)在由BMP-9介導(dǎo)后，發(fā)現(xiàn)microRNA-21的水平顯著上調(diào)，并且二者通過發(fā)揮協(xié)同作用，進一步促進堿性磷酸酶和鈣鹽沉積。因此，該研究表明MMCs中microRNA-21表達及增強BMP-9可誘導(dǎo)成骨細胞形成及其礦化。

Micro-RNA不僅可通過與相關(guān)成骨因子之間相互作用、在成骨分化中發(fā)揮作用，還可通過相關(guān)的成骨信號通路發(fā)揮調(diào)控作用；研究[38]發(fā)現(xiàn)Smad7對MMCs的成骨分化具有負向調(diào)控作用，具有抑制成骨細胞的增殖、分化和礦化的作用。在骨質(zhì)疏松患者血漿中發(fā)現(xiàn)microRNA-21表達下降，Smad7處于高水平表達[39]，而microRNA-21則已經(jīng)被證實可通過抑制Smad7促進MMCs的成骨分化[38]。此外BMP9/Smad信號通路在骨重塑的過程中起著重要作用，尤其在MSC分化過程中起著關(guān)鍵作用，并在此過程中處于持續(xù)激活狀態(tài)[37]，同時microRNA-21與BMP9協(xié)同作用，進一步調(diào)節(jié)Smad7和BMP9/Smad信號通路的相互作用。上述的研究進一步表明，microRNA-21可能通過BMP9/Smad信號通路在成骨分化中發(fā)揮重要作用。

Liu等[40]發(fā)現(xiàn)microRNA-21與SPRY1、磷酸酶和緊張素同源物(PTEN)具有明顯相關(guān)性，而且Sprouty1 (SPRY1)是ERK/MAPK信號通路的抑制因子，對該信號通路具有負調(diào)控作用。通過研究[41-43]發(fā)現(xiàn)，microRNA-21可以抑制SPRY1的表達，進而激活ERK/MAPK通路，從而證明microRNA-21可以促進MSC成骨分化，進一步證明了microRNA-21在促進成骨分化中的作用；另有研究[43]發(fā)現(xiàn)microRNA-21在促進MSC成骨分化過程中，可通過激活PI3K/AKT/GSK3β信號通路，促進ALP、Runx2、OCN等成骨基因的表達，進而促進成骨分化；Zhao等[44]通過反轉(zhuǎn)錄-定量聚合酶鏈反應(yīng)技術(shù)對48例OP患者和48例正常人的骨組織和血清進行檢測，發(fā)現(xiàn)在OP患者的標本中microRNA-21表達水平最低；同時該研究通過分離培養(yǎng)rBMSCs，實驗組轉(zhuǎn)染microRNA-21并誘導(dǎo)成骨，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)與模擬組相比，microRNA-21可顯著促進骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化。

總之，microRNA-21可以通過調(diào)控MSC的成骨分化、TNF-α的表達以及ERK/MAPK信號通路、PI3K/AKT/GSK3β信號通路和BMP9/Smad信號通路等，調(diào)控成骨分化，在成骨細胞分化增殖過程中發(fā)揮著重要調(diào)控作用。

2.2 MicroRNA-21對OP中破骨細胞的作用

破骨細胞作為骨組織中唯一負責(zé)骨吸收的細胞類型，在功能上與成骨細胞相互對應(yīng)、相互配合，在骨骼的形成和發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。而破骨細胞的分化及其在骨代謝中功能的體現(xiàn)是一個復(fù)雜的協(xié)調(diào)過程，其中有多種細胞因子及信號通路共同參與；隨著對microRNA在骨質(zhì)疏松中相關(guān)分子機制的研究，microRNA-21在破骨細胞分化過程中起到的重要作用也得到了很好的揭示[45-47]。相關(guān)研究[48]證明了microRNA-21可調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細胞中RANKL/OPG的相對平衡，通過進一步降低成熟破骨細胞的再吸收活性來影響成熟破骨細胞的分化；而NF-κB配體受體激活劑(RANKL)作為成骨細胞分化過程中主要的驅(qū)動因子之一，可促進NF-κB、磷酸肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)等破骨細胞分化所必需基因的激活和表達[49]。骨保護素 (osteoprotegerin,OPG)具有骨保護效應(yīng)，可參與調(diào)節(jié)破骨細胞的分化和活化,與骨質(zhì)疏松的發(fā)生密切相關(guān)[50]；NF-κB受體活化因子配體(RANKL)是OPG的配體之一，兩者具有高度的親和力，最新的研究[51]表明OPG可結(jié)合RANKL，通過阻斷其促進破骨分化的作用，達到防治骨質(zhì)疏松骨量流失的目的。Sugatani等[52]通過體外實驗證實microRNA-21是rankl誘導(dǎo)破骨細胞分化的microRNA表達特征，并與雌激素對成熟破骨細胞的促凋亡作用相反[53]。Hu等[54]通過研究敲除microRNA-21的小鼠，發(fā)現(xiàn)microRNA-21在BMSCs不同功能方面的差異導(dǎo)致microRNA-21敲除小鼠維持骨形成和成骨細胞形成，同時在骨形成的過程中發(fā)現(xiàn)成骨細胞中microRNA-21靶向Spry1調(diào)節(jié)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)信號通路，從而抑制RANKL和促進OPG升高，表明microRNA-21可促進破骨細胞的生成。

Sugatani等[53]報道雌激素下調(diào)microRNA-21的表達，而microRNA-21作用于靶點FasL蛋白，并促進FasL蛋白的表達，進一步誘導(dǎo)破骨細胞的凋亡。Fujita等[55]證實了轉(zhuǎn)錄因子活化蛋白-1(AP-1)可以上調(diào)microRNA-21的表達，而核蛋白轉(zhuǎn)錄因子(c-fos)蛋白是AP-1 的主要成分；在破骨細胞分化過程中，c-fos亦可上調(diào) microRNA-21的表達水平，而microRNA-21作用于靶點程序性凋亡基因4(PDCD-4)的3’-UTR 區(qū)，可下調(diào)PDCD-4的蛋白表達，但PDCD-4又會抑制C-FOS的表達[52]，mircroRNA-21與PDCD-4、AP-1、C-FOS在破骨細胞的分化過程中，形成一個以microRNA-21為中心調(diào)節(jié)破骨細胞分化的網(wǎng)絡(luò)。由此可見，microRNA-21在破骨細胞形成及凋亡過程中具有舉足輕重的作用。

另外，Li等[56]對120例絕經(jīng)后婦女血漿進行預(yù)選，檢測三組的microRNA-21、microRNA-133a和microRNA-146a。microRNA-21的下調(diào)以及microRNA-133a的上調(diào)在骨質(zhì)疏松癥和骨量減少患者血漿中，與正常組相比發(fā)生了顯著變化，并與骨密度相關(guān)，進一步表明microRNA-21可能被用作絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的敏感和血漿生物標志物。由此可知，microRNA-21可以通過調(diào)控RANKL / OPG通路、增加RANKL表達、促進FasL蛋白表達升高來調(diào)控破骨細胞的骨吸收作用。

3 小結(jié)

近年來隨著我國社會老齡化程度的不斷加劇，OP的發(fā)病率逐年上升。作為一種全身代謝性疾病，OP患者的骨量流失，導(dǎo)致骨折風(fēng)險增加，給患者及其家屬帶來痛苦和經(jīng)濟負擔。目前臨床上應(yīng)用的抗骨質(zhì)疏松治療藥物主要有阿侖膦酸鈉、唑來膦酸、雷洛昔芬等[57]，但均有一定的副作用；對于骨質(zhì)疏松的診療，急需新的方案和藥物。近年來隨著對OP相關(guān)發(fā)病機制研究的日益深入，發(fā)現(xiàn)microRNA為體內(nèi)重要的骨調(diào)節(jié)因子，在成骨細胞的骨形成和破骨細胞的骨吸收中發(fā)揮著重要的作用[32,35,45-47],這為骨質(zhì)疏松的防治提供了新的啟示和思路。

本文雖對microRNA-21在成骨分化和破骨抑制的相關(guān)機制及調(diào)控作用方面做了相關(guān)的綜述，相關(guān)研究也證明了microRNA-21在骨質(zhì)疏松的發(fā)病機制中具有特異性的表達和獨特的調(diào)控作用，但對其相關(guān)通路及作用機制的研究尚處于初始階段，認識較少且單一，缺乏體內(nèi)實驗和體外相關(guān)實驗的相互印證。因此，microRNA-21在OP中對骨重塑的相關(guān)分子機制的調(diào)控有待進一步研究。相信隨著該研究的不斷深入，將有助于為骨質(zhì)疏松癥等骨科疾病的防治提供新的思路和方案，同時為開發(fā)新的抗骨質(zhì)疏松靶標藥物提供理論依據(jù)。