非編碼RNA在糖尿病認知障礙中的作用

韋茂英 晏蔚田 魏璠 魏軍平

中國中醫科學院廣安門醫院內分泌科，北京 100053

糖尿病可引起包括中樞神經系統在內的多組織、多器官、多系統的損害，有報道稱，糖尿病與認知障礙和癡呆風險增加有關，糖尿病患者發生認知障礙的風險是正常人的2倍[1]。近期的一項橫斷面研究顯示，2型糖尿病合并認知障礙非癡呆和癡呆的患病率分別為28.3%和9.5%，糖尿病發病時間、HbA1c水平、嚴重低血糖病史等與糖尿病認知障礙(diabetic cognitive impairment, DCI)風險增加顯著相關[2]。目前對于DCI，只有控制血糖、血脂、營養腦神經、改善腦循環等對癥治療。因此，迫切需要在疾病早期階段尋找新的生物標志物及治療靶點，近年來表觀遺傳學的發展為DCI的研究提供了一個新方向，目前已經發現一些失調的非編碼RNA(ncRNAs)參與DCI的發生、發展過程，本文對此進行綜述。

1 ncRNAs

分子生物學中一個長期存在的定理是：DNA充當信使RNA轉錄的模板，信使RNA充當蛋白質翻譯的藍圖。雖然高達90%的真核生物基因組可以轉錄，但只有1%～2%的轉錄本可以編碼蛋白質，而其余的可歸類為ncRNAs。ncRNAs通常指不編碼蛋白質的RNA，但這并不意味著這種RNA既不包含信息也不具有功能，它們廣泛參與轉錄和轉錄后調控、染色質修飾、蛋白質功能調控等過程，與人類疾病的發生、發展密切相關。ncRNAs按大小可分為兩類：短于200個核苷酸的短鏈非編碼RNA(sncRNAs)和長于200個核苷酸的長鏈非編碼RNA(lncRNAs)。sncRNAs可分為微小RNA(miRNAs)、小干擾RNA(siRNAs)、小核仁RNA(snoRNAs)、PIWI蛋白質相互作用的RNA(piRNAs)等，其中miRNAs、lncRNAs、circRNAs是目前代謝性疾病、神經退行性疾病等的研究熱點[3-4]。

2 ncRNAs與DCI

2.1 miRNAs與DCI miRNAs是由20～24個核苷酸組成的ncRNA，通過與靶基因mRNA的3′非翻譯區結合，在轉錄后水平調控基因的表達。既往有報道稱miRNAs在中樞神經系統中最為豐富，已知的miRNAs中有50%存在于大腦，包括大腦皮層和海馬，對神經元分化、樹突發育和突觸可塑性等至關重要[5]。miRNAs的失調會加速認知能力的下降，增加神經功能障礙。目前越來越多的研究表明，miRNAs廣泛參與DCI病理過程的調節。

2.1.1 miRNA-384-5p miRNA-384-5p是一種參與神經功能調節的特異性miRNA，可調控巨噬細胞自噬，參與糖尿病腦病的發生、發展。Wang等[6]發現，在鏈脲佐菌素(STZ)誘導的C57BL/6小鼠腦內，巨噬細胞miRNA-384-5p表達水平顯著降低，而自噬增強。雙熒光素酶報告證實，自噬基因Beclin1是miRNA-384-5p的靶基因，因此自噬活性的增強與miRNA-384-5p對Beclin-1蛋白翻譯的抑制作用減弱有關。同時，研究還證實，對miRNA-384-5p的再表達可顯著減少腦內炎性巨噬細胞的數量，減輕STZ誘導的糖尿病模型小鼠的腦損傷。

2.1.2 miRNA-135a-5p 有報道稱，db/db小鼠骨骼肌中miRNA-135a的表達上調，而體內沉默miRNA-135a可顯著減輕高血糖狀態，改善糖耐量[7]。miRNA-135a有兩種剪切體，即miRNA-135a-5p和miRNA-135a-3p。Pons-Espinal等[8]研究發現，下調miRNA 135a-5p的表達可促進小鼠齒狀回神經前體細胞的增殖，導致靜息小鼠齒狀回中神經再生增加，推測其可能通過影響下游1,4,5,-三磷酸肌醇信號轉導而發揮作用。Sox6是早期神經元分化的重要調節因子，也是miRNA-135a-5p的潛在靶點，能與CD44的啟動子直接結合，過表達Sox6可以逆轉miRNA-135a-5p介導的神經元分化和樹突發育，miRNA-135a-5p/Sox6/CD44軸為探討神經元分化提供了一個新的分子機制[9]。

2.1.3 miRNA-146a 豐富環境是指將實驗動物飼養在更加復雜的生存和社會交往環境中，相對于標準環境，其具有更新鮮多變的生活環境、更廣闊的自由活動空間及群居動物間更多地密切接觸。該概念是由Hebb于1947年首次提出，旨在探討環境對腦損傷后腦功能恢復的影響，此后在神經退行性疾病方面被大量研究。Kubota等[10]報道，豐富環境可通過刺激內源性骨髓間充質干細胞分泌外泌體miRNA-146a，降低晚期糖基化終末產物誘導的星形膠質細胞白細胞介素1受體相關激酶1(IRAK1)、核因子-κB和腫瘤壞死因子(TNF)-α的表達，抑制炎性反應，改善糖尿病大鼠的認知功能?；瘜W合成的miRNA模擬物可經鼻腔給藥的方式有效傳遞到海馬。Mai等[11]發現，通過鼻腔給予miRNA-146a激動劑能改善淀粉樣前體蛋白/早老素1(APP/PS1)轉基因小鼠的行為和認知功能障礙，推測其與抑制海馬膠質細胞活化、減輕神經炎性反應、降低腦內淀粉樣β蛋白(Aβ)水平和細胞內微管相關蛋白(tau)高磷酸化等有關。Kalani等[12]研究表明，與db/m小鼠相比，db/db小鼠腦內miRNA-146a表達顯著下調。TargetScan生物信息分析顯示：miRNA-146a序列可識別朊蛋白(PrP)保守序列的87～93 bp，將攜帶miRNA-146a的小鼠腦內皮細胞源性外泌體注入db/db小鼠腦室，可以在一定程度上降低PrP水平，恢復短期記憶功能。

2.1.4 miRNA-23b-3p 沉默信息調節因子1(SIRT1)是依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白去乙?；?，激活后具有抗氧化應激、抑制炎性反應、調節細胞凋亡等效應，核因子E2相關性因子2(Nrf2)是細胞調節抗氧化應激反應的核心轉錄因子。研究發現，在DCI大鼠中miRNA-23b-3p表達上調，過表達的miRNA-23b-3p抑制了高糖狀態下神經細胞中SIRT1和Nrf2的表達，增加氧化應激，導致神經細胞凋亡[13]。

2.1.5 miRNA-34a 在2型糖尿病患者外周血單核細胞中miRNA-34a表達水平升高，miRNA-34a過表達可導致快速的認知損害和阿爾茨海默病樣病理改變，與Aβ沉積及tau蛋白在多個腦區的過度磷酸化有關[14-15]。沉默瞬時受體電位通道7(TRPM7)和miRNA-34a后，STZ誘導的BABL/c小鼠海馬組織活化的Bcl-2相關X蛋白、細胞色素C和裂解的半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)表達明顯下降，而B淋巴細胞瘤-2蛋白的表達顯著增加，提示抑制miRNA-34a在一定程度上對海馬細胞凋亡和記憶障礙有保護作用，從而改善糖尿病小鼠空間認知功能[16]。

2.1.6 其他 在糖尿病腦病患者外周血單核細胞中，miRNA-368相對表達水平上調，沉默miRNA-368會抑制糖尿病腦病患者外周血單核細胞增殖、促進細胞凋亡[17]。Kenny等[18]通過5年多的縱向隨訪發現，miRNA-206與認知減退和記憶障礙具有很強的相關性，血漿miRNA-206水平升高可以用來預測輕度認知障礙階段認知能力的下降及向癡呆癥的進展。

2.2 lncRNAs與DC LncRNAs是基因表達的重要調節因子，具有組織和時空表達特異性。在人類基因組中，大約40%已識別的lncRNAs在大腦中存在特異性表達，涉及4 000～20 000個lncRNAs基因，參與人類大腦進化的神經發育過程，包括增殖、軸突生長和突觸發生，以及神經可塑性[19]。

2.2.1 lncRNA H19 H19是最早報道的lncRNA之一，人類H19是一個2.3 kb的RNA分子，由位于11號染色體p15.5位點上的H19基因所編碼，它在胚胎器官中的表達很高，在大多數成人組織中缺失或大大減少。近年來諸多研究表明，lncRNA H19具有調節葡萄糖穩態和胰島素的合成與分泌、增強骨骼肌胰島素敏感性、調控細胞凋亡等功能，是目前糖尿病及糖尿病性心肌病變、視網膜病變等多種并發癥研究的熱點[20-22]。Zhao等[23]研究發現，在STZ誘導的糖尿病大鼠模型中，海馬組織lncRNA H19表達增加，并通過Wnt信號通路介導了海馬神經元和突觸體的凋亡，而沉默lncRNA H19可逆轉上述效應。Yu等[24]研究也證實，lncRNA H19在糖尿病小鼠海馬神經元中呈現高表達，海馬神經元存活率顯著降低，而下調lncRNA H19可通過抑制胰島素樣生長因子2(IGF2)甲基化，促進IGF2的表達，進而降低過氧化脂質水平，增強過氧化氫酶、超氧化物岐化酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性，抑制氧化應激并減少海馬神經元凋亡。

2.2.2 LOC103690121 Hao等[25]發現STZ誘導的糖尿病大鼠出現腦損傷和神經元的減少，在Morris水迷宮實驗中尋找隱藏平臺的潛伏期延長，表現出明顯的認知功能障礙。LncRNA微陣列分析顯示：糖尿病大鼠和對照組之間存在101個差異表達的lncRNAs，其中LOC103690121表達上調，進一步研究證實其可能通過調控磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路，促進了海馬神經元凋亡。

2.2.3 lncRNA ANRIL、lncRNA-Gm4419 近期研究發現，與正常組相比，糖尿病大鼠的海馬組織中lncRNA ANRIL表達顯著增加，ANRIL即INK4位點反義非編碼RNA；核因子-κB p65是核因子-κB的效應激酶，沉默ANRIL后，核因子-κB信號通路受到抑制，導致核因子-κB p65表達的改變，進而減少海馬神經元凋亡，促進糖尿病大鼠記憶恢復[26]。此外，尚有研究證實高糖環境下小膠質細胞中lncRNA-Gm4419表達明顯增加，過表達的lncRNA-Gm4419可上調核因子-κB p50，進而導致caspase-3表達增加，Bcl-2表達減少，最終促進了小膠質細胞的凋亡，有利于減輕中樞神經系統炎性反應[27]。

2.3 circRNAs與DCI circRNAs是一種共價閉合的高度豐富、組織特異且進化保守的新型內源性ncRNA分子，在真核細胞中廣泛存在并參與多種生物調節活動，如充當miRNA海綿、調控某些基因的轉錄、參與蛋白的翻譯等[28]。哺乳動物大腦中的神經細胞處于祖細胞狀態，需要高度保守的circRNA。CircSLC45A4是其遺傳位點產生的主要RNA剪接異構體，也是發育中人類額葉皮質中表達最高的circRNA之一。在人類神經母細胞瘤細胞系中敲除這種高度保守的circRNA足以誘導自發性神經元分化。在發育的小鼠皮質中，circSLC45A4的缺失導致基底祖細胞池的顯著減少，并增加神經源性調節因子的表達，如Notch受體2(Notch2)、叉頭框蛋白P2(Foxp2)、非協調性分子5同源蛋白(Unc5b)。此外，敲除circSLC45A4還可導致皮質板中細胞的大量耗竭[29]。越來越多的證據表明，circRNAs參與了糖尿病、神經退行性疾病、癌癥等衰老、年齡相關疾病的調控，在神經元分化過程中總體表達上調，并在突觸中高度富集，與突觸可塑性和神經元功能關系密切[30-31]。

2.3.1 hsa_circ_0054633 氧化應激和內皮功能障礙與DCI相關，血紅素氧合酶-1是一種抗氧化劑和細胞保護酶，對高糖引起的氧化應激和炎性反應具有保護效應，ROBO-1是一種跨膜受體蛋白，與細胞遷移以及神經軸突延伸有關。Pan等[32]在體外培養的人臍靜脈內皮細胞中觀察到，hsa_circ_0054633下調加劇了高糖誘導的內皮細胞功能障礙，包括增殖、遷移和血管生成抑制。下調miRNA-218可通過促進ROBO-1和血紅素氧合酶-1的表達來抑制高糖誘導的內皮細胞功能障礙，雙熒光素酶分析證實hsa_circ_0054633能抑制miRNA-218的表達，hsa_circ_0054633的過度表達可通過靶向miRNA-218/ROBO-1和miRNA-218/血紅素氧合酶-1信號，有效逆轉高糖誘導的血管內皮細胞功能障礙，與糖尿病血管損害關系密切。

2.3.2 circHIPK3 circHIPK3是由1 099個核苷酸組成的circRNA，在細胞增殖和抗凋亡中具有積極作用，Wang等[33]研究表明，circHIPK3在神經病理性疼痛的糖尿病患者血清和STZ誘導的糖尿病大鼠背根神經節中含量較高，且circHIPK3表達上調與神經病理性疼痛分級呈正相關。circHIPK3通過與miRNA-124相互作用，負調控miRNA-124的表達，沉默circHIPK3可降低糖尿病大鼠背根神經節白細胞介素(IL)-1β、IL-6、IL-12、TNF-α水平，抑制神經炎性反應。Zhao等[34]研究發現，在脊髓損傷的體內外模型中circHIPK3表達均下調，過表達circHIPK3可通過調節miRNA-558/DPYSL5軸，減輕神經元細胞凋亡，二氫嘧啶酶樣5即坍塌反應調節蛋白5，參與神經細胞發育、突起生長等過程。circHIPK3作為重要的表觀遺傳調控因子，廣泛參與了高糖誘導的β細胞功能障礙、胰島素抵抗、內皮細胞損傷等，同時又與神經系統密切相關。據此推測，其可能成為治療DCI等糖尿病相關血管損傷的新途徑。

2.3.3 其他 有報道稱，mmu_circRNA_34132、mmu_circRNA_017077和mmu_circRNA_015216在Nrf2基因敲除小鼠黑質和紋狀體中的表達下調，可能參與了Nrf2介導的神經保護；且mmu_circRNA_34132和胰島素分泌相關基因(Gnaq、Atp1b2和Prkaca)均能與mmu-miRNA-7024-5p及mmu-miRNA-7081-5p結合。因此，mmu_circRNA_34132在Nrf2介導的糖尿病保護中也具有重要意義[35]。

3 小結與展望

在過去的20年里，2型糖尿病的發病率急劇上升，認知功能減退與糖代謝紊亂密切相關，高糖所致的氧化應激、胰島素信號轉導通路障礙、神經炎性反應、血-腦屏障破壞、低血糖等多種機制促進了DCI的發生、發展。目前臨床對于DCI的早期診斷、治療存在一定的困難，雖然嚴格控制血糖可以獲益，但血糖的控制并不能遏制認知功能的進一步減退。近年來，隨著分子生物學、高通量RNA測序技術的快速發展，越來越多的ncRNAs被發現、證實，其異常表達可能是DCI發生的關鍵因素，這為DCI發病機制的研究提供了一個更深層次的認識，但目前ncRNAs在DCI中的研究仍處于初期階段，對于大部分ncRNAs的生物學特性、生物學功能、以及具體通過何種途徑、哪一信號轉導通路發揮作用均有待于深入探討，尤其是circRNAs作為ncRNAs中的新興一員，在神經退行性疾病中具有重要的價值，而在DCI中仍缺乏報道。此外，循環ncRNAs具有獲取簡單、穩定性好、創傷性小等優點，但作為DCI早期診斷、判斷預后的生物標志物仍需要進行大樣本、多隊列的驗證。在今后探索中，深度挖掘ncRNAs分子，可更好地推動DCI臨床治療及基礎研究的發展。