力學響應microRNA（miRNA）是一類對力學載荷敏感或者能產生響應的miRNA，在施加力學載荷以后，其表達量發生變化，并影響所調控的mRNA、蛋白質表達水平。迄今為止，已經在一些生理、病理組織或者器官中發現力學響應miRNA。然而，這些發現普遍具有局限性，尚不能很好地指導臨床實踐。基于此，本文對近幾年力學響應miRNA的研究成果予以總結，以期為臨床應用、后續研究提供指南。
引用本文： 汪洋, 郭勇. 力學響應microRNA. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(3): 583-586. doi: 10.7507/1001-5515.20160097 復制
引言
微小RNA(miRNA)是一類長度約21 nt的非編碼RNA，它能夠識別靶基因mRNA，在轉錄后水平負調控基因的表達。近年來研究者們發現一些在力學載荷作用下差異表達的miRNA，稱之為力學響應miRNA-響應力學刺激、具備調節功能的非編碼RNA[1-2]。骨質疏松、心血管疾病、呼吸系統疾病已經成為威脅人類生存質量的幾大因素，在骨組織、心血管、呼吸道中，先后發現一些力學響應miRNA，有的miRNA的靶基因已被驗證。這些力學響應miRNA，有的與成骨分化有關，有的與心血管疾病有關，還有的與呼吸系統炎癥有關。如:miRNA-103a與成骨分化相關、miR-712與血管內皮炎癥有關、miRNA-26a與氣道重塑有關[3-5]。在骨質疏松疾病中促進成骨分化，對骨質疏松的治療有很重要的意義；在心血管疾病中規避心血管異常負荷，可以降低患心血管疾病的幾率；在呼吸系統炎癥性疾病中，減弱炎癥產生對于治療呼吸系統疾病意義重大。因此闡明力學響應miRNA在這些組織或器官的存在及相應調控方式，從而為臨床實際應用指明方向，具有很重要的意義。基于此，本文對近年研究者們針對上述疾病做出的力學響應miRNA相關研究進行總結，以期為臨床應用提供指南。
1 調控成骨分化
成骨分化是骨組織形成中重要的過程，轉化生長因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)信號通路在成骨分化過程中發揮著重要的功能[6-8]。到目前為止，已經有部分參與成骨分化的因子和其mRNA對應的力學響應miRNA被鑒定。這些因子均與TGF-β信號通路相關：runt相關轉錄因子2 (runt-related transcription factor 2,RUNX2) 蛋白、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins,BMPs)均在成骨分化過程中發揮著重要功能[9-10]。并且runx是TGF-β的重要靶點、BMPs/TGF-β信號通路是成骨分化中的重要信號通路[11-12]。
Zuo等和Mai等[3, 13]已分別證實miRNA-103a和miRNA-34c均靶向runx2，致使RUNX2表達量下降，抑制成骨分化。
堿性磷酸酶 (alkaline phosphatase,ALPase)的活性常做為成骨分化指標，在成骨分化過程中被廣泛應用[15]。激活素在TGF-β信號通路中發揮著調節功能，且激活素Ⅱ型受體B( activin A type Ⅱ B receptor,ACVR2B)是一種跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，在激活素的激活過程中發揮著重要功能[16-17]。Olsen等[17]證明激活素A與ACVR2A和ACVR2B結合抑制BMPs信號通路。Wei等[18]證實，力學響應miR-21通過靶向acvr2b，上調RUNX2和ALPase的表達水平，促進人牙周膜干細胞成骨分化。
RUNXs、BMPs、激活素均參與到TGF-β信號通路中，且激活素通過與受體結合抑制BMPs信號通路。與成骨分化相關力學響應miRNAs的發現不僅豐富了骨力學生物學效應分子，也豐富了TGF-β信號通路，為臨床應用提供了更多選擇。
2 調控心血管疾病
心血管疾病的產生有多種因素，研究者們進行了一些因力學因素而導致炎癥、動脈粥樣硬化、心肌梗死的研究。發現了一些與炎癥、動脈粥樣硬化、心肌梗死產生相關的力學響應miRNAs：miR-34a、miR-21、miR-712和miR-205家族及miR-208和miRNA-19a/b。靶基因如：血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1) 、過氧化物酶體增殖物激活受體α (peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα)和金屬蛋白酶組織抑制劑-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 均與心血管炎癥有關；內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和TIMP-3均與動脈粥樣硬化有關；大鼠心肌內皮糖蛋白、萎縮素第一型基因(Atrogin-1) 和肌肉環指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 均與心肌梗死有關。這些靶基因編碼的因子有的參與到信號通路中，如PPARα是PPARs超受體家族中的一員，該家族涉及的信號通路與炎癥產生相關[18-26]。
VCAM-1一般在活化的內皮細胞表達，介導炎癥組織中內皮細胞的相互作用，導致白細胞滲出到炎癥部位[19-20]。Fan等[18]證明力學因素作用下，miR-34a表達量上調，進而提高細胞間黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1) 在內皮細胞的表達水平，促進VCAM-1的表達，提高單核細胞與內皮細胞循環性黏附，增加炎癥產生幾率：PPARα屬于PPARs超受體家族中一員，且PPARs與炎性反應密切相關，Kumar等[22]證實：依賴于激活蛋白-1而大量表達的miR-21通過靶向PPARα，使激活蛋白-1激活，促進單核細胞黏附，導致炎癥產生這樣一個反饋循環；金屬蛋白酶組織抑制劑-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 具有許多功能，在炎癥反應中是通過與蛋白酶結合，發揮調節作用。SON等[4]發現由前體rRNA經過剪切修飾而來的miR-712，靶向TIMP3，調節血管內皮炎癥。
炎癥反應持續下，將促進炎性細胞與內皮細胞的黏附和血栓形成等，誘導動脈粥樣硬化產生。TIMP-3、eNOS在動脈粥樣硬化產生中分別有不同的功能。研究分別表明，miR-712和miR-205家族及miR-712在遭受力學刺激時，表達量上調，通過靶向TIMP-3來調節內皮炎癥，導致血管通透性增高，進而導致動脈粥樣硬化[4, 23]。eNOS是調控血管功能的關鍵，它既能產生讓血管擴張的一氧化氮，又能產生讓血管收縮的超氧化物。力學載荷作用下，miR-92a過量表達，抑制eNOS[4]；然而與miR-92a過表達效果相反的是miR-21，miR-21的過表達可以增強eNOS的活性而且減少血管內皮細胞凋亡[23]。這些研究涉及動脈粥樣硬化產生的機理，為臨床上預防和治療動脈粥樣硬化提供了更好的思路。
中度到重度冠狀動脈粥樣硬化可引起心肌纖維持續性和反復加重的缺血缺氧而導致心肌纖維化，可以逐漸發展成心臟衰竭。心肌纖維化、心臟衰竭的程度可由心肌內皮糖蛋白、心肌肥大作為相應指標，表達量預示著心肌纖維化程度。Atrogin-1和肌肉環指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 是常見的兩種泛素連接酶，常常出現在肌肉萎縮性疾病中，關于二者在心肌細胞肥大的過程中發揮的功能早已被研究人員證實：在大鼠心肌細胞研究中發現，力學響應miR-208在被TGF-β1激活后，上調大鼠心肌內皮糖蛋白表達、致使心肌肥大[25]，而Song等[26]發現力學響應miRNA-19a/b家族通過靶向atrogin-1和MuRF-1抑制心肌肥大。臨床上可以考慮干擾miR-208表達或者促進miRNA-19a/b家族表達來治療因心肌肥大導致的心臟衰竭。
3 調控呼吸系統疾病
呼吸系統疾病是一種常見多發病，有哮喘、慢阻肺、肺炎等呈現形式。研究者們在氣道、肺血管中進行了力學因素的研究。發現了以miR-26a、miR-37a和miR-568為代表的力學響應miRNAs，靶基因如：糖原合成酶激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT) 也得到了驗證，其編碼蛋白質涉及到臨床診斷、肺炎性損傷[27-29]。這些研究將為臨床治療相關呼吸系統疾病找到診斷標準并提供新方法。
GSK-3β是一種在真核生物中普遍存在的多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶。研究證明，GSK-3β 在細胞信號傳遞之間發揮著重要功能[27]。氣道重塑在臨床上常作為嚴重性哮喘和慢阻肺的標志，且平滑肌細胞肥大在氣道重塑過程中發揮著重要的功能。Mohamed等[5]證明，力學刺激以后，miR-26a通過靶向 GSK-3β信使RNA，抑制其表達，傳遞可能會導致哮喘或慢阻肺的肥大信號。因此miRNA-26a的表達水平可以在臨床上作為嚴重性哮喘和慢阻肺的前期診斷標準。
肺血管通透性和肺泡水腫的增加是形成一些炎癥的重要條件，如：急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和呼吸機相關性肺損傷。NAMPT具有許多功能，在肺部損傷導致的炎癥性疾病中，由nampt基因編碼的促炎細胞因子，與ARDS和呼吸機相關性肺損傷導致的炎癥有關[28]。Adyshev等[29]進一步研究發現，力學響應miR-37a和miR-568可以通過表觀遺傳來治療肺炎癥性損傷，為治療肺炎癥性損傷提供了新的策略。
4 結論
生理負荷范圍內的力學載荷，會對有機體產生有益的作用。然而，這些力學載荷的類型、作用方式、信號途徑以及機制，并沒有被研究透徹。生物體應激于力學載荷機制的揭示，不僅有利于我們發現新的力學效應分子，而且能夠促進力學生物學的發展。隨著現代新技術的出現，力學響應非編碼小RNA(mechanoresponsive miRNA)在一些組織或者細胞中的功能已被發現。但是這些發現也有局限性：實驗對象以老鼠為主、并未完全弄清機制以及組織特異性等。未來的研究中，需要我們針對相應的機制做出突破，不但要探究其調控機制，更重要的是能利用這些發現的機制，尋找到治療相關疾病的靶標，以達到治療疾病、提高生存質量的目的。
引言
微小RNA(miRNA)是一類長度約21 nt的非編碼RNA，它能夠識別靶基因mRNA，在轉錄后水平負調控基因的表達。近年來研究者們發現一些在力學載荷作用下差異表達的miRNA，稱之為力學響應miRNA-響應力學刺激、具備調節功能的非編碼RNA[1-2]。骨質疏松、心血管疾病、呼吸系統疾病已經成為威脅人類生存質量的幾大因素，在骨組織、心血管、呼吸道中，先后發現一些力學響應miRNA，有的miRNA的靶基因已被驗證。這些力學響應miRNA，有的與成骨分化有關，有的與心血管疾病有關，還有的與呼吸系統炎癥有關。如:miRNA-103a與成骨分化相關、miR-712與血管內皮炎癥有關、miRNA-26a與氣道重塑有關[3-5]。在骨質疏松疾病中促進成骨分化，對骨質疏松的治療有很重要的意義；在心血管疾病中規避心血管異常負荷，可以降低患心血管疾病的幾率；在呼吸系統炎癥性疾病中，減弱炎癥產生對于治療呼吸系統疾病意義重大。因此闡明力學響應miRNA在這些組織或器官的存在及相應調控方式，從而為臨床實際應用指明方向，具有很重要的意義。基于此，本文對近年研究者們針對上述疾病做出的力學響應miRNA相關研究進行總結，以期為臨床應用提供指南。
1 調控成骨分化
成骨分化是骨組織形成中重要的過程，轉化生長因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)信號通路在成骨分化過程中發揮著重要的功能[6-8]。到目前為止，已經有部分參與成骨分化的因子和其mRNA對應的力學響應miRNA被鑒定。這些因子均與TGF-β信號通路相關：runt相關轉錄因子2 (runt-related transcription factor 2,RUNX2) 蛋白、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins,BMPs)均在成骨分化過程中發揮著重要功能[9-10]。并且runx是TGF-β的重要靶點、BMPs/TGF-β信號通路是成骨分化中的重要信號通路[11-12]。
Zuo等和Mai等[3, 13]已分別證實miRNA-103a和miRNA-34c均靶向runx2，致使RUNX2表達量下降，抑制成骨分化。
堿性磷酸酶 (alkaline phosphatase,ALPase)的活性常做為成骨分化指標，在成骨分化過程中被廣泛應用[15]。激活素在TGF-β信號通路中發揮著調節功能，且激活素Ⅱ型受體B( activin A type Ⅱ B receptor,ACVR2B)是一種跨膜絲氨酸/蘇氨酸激酶受體，在激活素的激活過程中發揮著重要功能[16-17]。Olsen等[17]證明激活素A與ACVR2A和ACVR2B結合抑制BMPs信號通路。Wei等[18]證實，力學響應miR-21通過靶向acvr2b，上調RUNX2和ALPase的表達水平，促進人牙周膜干細胞成骨分化。
RUNXs、BMPs、激活素均參與到TGF-β信號通路中，且激活素通過與受體結合抑制BMPs信號通路。與成骨分化相關力學響應miRNAs的發現不僅豐富了骨力學生物學效應分子，也豐富了TGF-β信號通路，為臨床應用提供了更多選擇。
2 調控心血管疾病
心血管疾病的產生有多種因素，研究者們進行了一些因力學因素而導致炎癥、動脈粥樣硬化、心肌梗死的研究。發現了一些與炎癥、動脈粥樣硬化、心肌梗死產生相關的力學響應miRNAs：miR-34a、miR-21、miR-712和miR-205家族及miR-208和miRNA-19a/b。靶基因如：血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1) 、過氧化物酶體增殖物激活受體α (peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα)和金屬蛋白酶組織抑制劑-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 均與心血管炎癥有關；內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和TIMP-3均與動脈粥樣硬化有關；大鼠心肌內皮糖蛋白、萎縮素第一型基因(Atrogin-1) 和肌肉環指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 均與心肌梗死有關。這些靶基因編碼的因子有的參與到信號通路中，如PPARα是PPARs超受體家族中的一員，該家族涉及的信號通路與炎癥產生相關[18-26]。
VCAM-1一般在活化的內皮細胞表達，介導炎癥組織中內皮細胞的相互作用，導致白細胞滲出到炎癥部位[19-20]。Fan等[18]證明力學因素作用下，miR-34a表達量上調，進而提高細胞間黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1) 在內皮細胞的表達水平，促進VCAM-1的表達，提高單核細胞與內皮細胞循環性黏附，增加炎癥產生幾率：PPARα屬于PPARs超受體家族中一員，且PPARs與炎性反應密切相關，Kumar等[22]證實：依賴于激活蛋白-1而大量表達的miR-21通過靶向PPARα，使激活蛋白-1激活，促進單核細胞黏附，導致炎癥產生這樣一個反饋循環；金屬蛋白酶組織抑制劑-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 具有許多功能，在炎癥反應中是通過與蛋白酶結合，發揮調節作用。SON等[4]發現由前體rRNA經過剪切修飾而來的miR-712，靶向TIMP3，調節血管內皮炎癥。
炎癥反應持續下，將促進炎性細胞與內皮細胞的黏附和血栓形成等，誘導動脈粥樣硬化產生。TIMP-3、eNOS在動脈粥樣硬化產生中分別有不同的功能。研究分別表明，miR-712和miR-205家族及miR-712在遭受力學刺激時，表達量上調，通過靶向TIMP-3來調節內皮炎癥，導致血管通透性增高，進而導致動脈粥樣硬化[4, 23]。eNOS是調控血管功能的關鍵，它既能產生讓血管擴張的一氧化氮，又能產生讓血管收縮的超氧化物。力學載荷作用下，miR-92a過量表達，抑制eNOS[4]；然而與miR-92a過表達效果相反的是miR-21，miR-21的過表達可以增強eNOS的活性而且減少血管內皮細胞凋亡[23]。這些研究涉及動脈粥樣硬化產生的機理，為臨床上預防和治療動脈粥樣硬化提供了更好的思路。
中度到重度冠狀動脈粥樣硬化可引起心肌纖維持續性和反復加重的缺血缺氧而導致心肌纖維化，可以逐漸發展成心臟衰竭。心肌纖維化、心臟衰竭的程度可由心肌內皮糖蛋白、心肌肥大作為相應指標，表達量預示著心肌纖維化程度。Atrogin-1和肌肉環指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 是常見的兩種泛素連接酶，常常出現在肌肉萎縮性疾病中，關于二者在心肌細胞肥大的過程中發揮的功能早已被研究人員證實：在大鼠心肌細胞研究中發現，力學響應miR-208在被TGF-β1激活后，上調大鼠心肌內皮糖蛋白表達、致使心肌肥大[25]，而Song等[26]發現力學響應miRNA-19a/b家族通過靶向atrogin-1和MuRF-1抑制心肌肥大。臨床上可以考慮干擾miR-208表達或者促進miRNA-19a/b家族表達來治療因心肌肥大導致的心臟衰竭。
3 調控呼吸系統疾病
呼吸系統疾病是一種常見多發病，有哮喘、慢阻肺、肺炎等呈現形式。研究者們在氣道、肺血管中進行了力學因素的研究。發現了以miR-26a、miR-37a和miR-568為代表的力學響應miRNAs，靶基因如：糖原合成酶激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT) 也得到了驗證，其編碼蛋白質涉及到臨床診斷、肺炎性損傷[27-29]。這些研究將為臨床治療相關呼吸系統疾病找到診斷標準并提供新方法。
GSK-3β是一種在真核生物中普遍存在的多功能絲氨酸/蘇氨酸激酶。研究證明，GSK-3β 在細胞信號傳遞之間發揮著重要功能[27]。氣道重塑在臨床上常作為嚴重性哮喘和慢阻肺的標志，且平滑肌細胞肥大在氣道重塑過程中發揮著重要的功能。Mohamed等[5]證明，力學刺激以后，miR-26a通過靶向 GSK-3β信使RNA，抑制其表達，傳遞可能會導致哮喘或慢阻肺的肥大信號。因此miRNA-26a的表達水平可以在臨床上作為嚴重性哮喘和慢阻肺的前期診斷標準。
肺血管通透性和肺泡水腫的增加是形成一些炎癥的重要條件，如：急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和呼吸機相關性肺損傷。NAMPT具有許多功能，在肺部損傷導致的炎癥性疾病中，由nampt基因編碼的促炎細胞因子，與ARDS和呼吸機相關性肺損傷導致的炎癥有關[28]。Adyshev等[29]進一步研究發現，力學響應miR-37a和miR-568可以通過表觀遺傳來治療肺炎癥性損傷，為治療肺炎癥性損傷提供了新的策略。
4 結論
生理負荷范圍內的力學載荷，會對有機體產生有益的作用。然而，這些力學載荷的類型、作用方式、信號途徑以及機制，并沒有被研究透徹。生物體應激于力學載荷機制的揭示，不僅有利于我們發現新的力學效應分子，而且能夠促進力學生物學的發展。隨著現代新技術的出現，力學響應非編碼小RNA(mechanoresponsive miRNA)在一些組織或者細胞中的功能已被發現。但是這些發現也有局限性：實驗對象以老鼠為主、并未完全弄清機制以及組織特異性等。未來的研究中，需要我們針對相應的機制做出突破，不但要探究其調控機制，更重要的是能利用這些發現的機制，尋找到治療相關疾病的靶標，以達到治療疾病、提高生存質量的目的。