力学响应microRNA（miRNA）是一类对力学载荷敏感或者能产生响应的miRNA，在施加力学载荷以后，其表达量发生变化，并影响所调控的mRNA、蛋白质表达水平。迄今为止，已经在一些生理、病理组织或者器官中发现力学响应miRNA。然而，这些发现普遍具有局限性，尚不能很好地指导临床实践。基于此，本文对近几年力学响应miRNA的研究成果予以总结，以期为临床应用、后续研究提供指南。
引用本文： 汪洋, 郭勇. 力学响应microRNA. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(3): 583-586. doi: 10.7507/1001-5515.20160097 复制
引言
微小RNA(miRNA)是一类长度约21 nt的非编码RNA，它能够识别靶基因mRNA，在转录后水平负调控基因的表达。近年来研究者们发现一些在力学载荷作用下差异表达的miRNA，称之为力学响应miRNA-响应力学刺激、具备调节功能的非编码RNA[1-2]。骨质疏松、心血管疾病、呼吸系统疾病已经成为威胁人类生存质量的几大因素，在骨组织、心血管、呼吸道中，先后发现一些力学响应miRNA，有的miRNA的靶基因已被验证。这些力学响应miRNA，有的与成骨分化有关，有的与心血管疾病有关，还有的与呼吸系统炎症有关。如:miRNA-103a与成骨分化相关、miR-712与血管内皮炎症有关、miRNA-26a与气道重塑有关[3-5]。在骨质疏松疾病中促进成骨分化，对骨质疏松的治疗有很重要的意义；在心血管疾病中规避心血管异常负荷，可以降低患心血管疾病的几率；在呼吸系统炎症性疾病中，减弱炎症产生对于治疗呼吸系统疾病意义重大。因此阐明力学响应miRNA在这些组织或器官的存在及相应调控方式，从而为临床实际应用指明方向，具有很重要的意义。基于此，本文对近年研究者们针对上述疾病做出的力学响应miRNA相关研究进行总结，以期为临床应用提供指南。
1 调控成骨分化
成骨分化是骨组织形成中重要的过程，转化生长因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)信号通路在成骨分化过程中发挥着重要的功能[6-8]。到目前为止，已经有部分参与成骨分化的因子和其mRNA对应的力学响应miRNA被鉴定。这些因子均与TGF-β信号通路相关：runt相关转录因子2 (runt-related transcription factor 2,RUNX2) 蛋白、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins,BMPs)均在成骨分化过程中发挥着重要功能[9-10]。并且runx是TGF-β的重要靶点、BMPs/TGF-β信号通路是成骨分化中的重要信号通路[11-12]。
Zuo等和Mai等[3, 13]已分别证实miRNA-103a和miRNA-34c均靶向runx2，致使RUNX2表达量下降，抑制成骨分化。
碱性磷酸酶 (alkaline phosphatase,ALPase)的活性常做为成骨分化指标，在成骨分化过程中被广泛应用[15]。激活素在TGF-β信号通路中发挥着调节功能，且激活素Ⅱ型受体B( activin A type Ⅱ B receptor,ACVR2B)是一种跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体，在激活素的激活过程中发挥着重要功能[16-17]。Olsen等[17]证明激活素A与ACVR2A和ACVR2B结合抑制BMPs信号通路。Wei等[18]证实，力学响应miR-21通过靶向acvr2b，上调RUNX2和ALPase的表达水平，促进人牙周膜干细胞成骨分化。
RUNXs、BMPs、激活素均参与到TGF-β信号通路中，且激活素通过与受体结合抑制BMPs信号通路。与成骨分化相关力学响应miRNAs的发现不仅丰富了骨力学生物学效应分子，也丰富了TGF-β信号通路，为临床应用提供了更多选择。
2 调控心血管疾病
心血管疾病的产生有多种因素，研究者们进行了一些因力学因素而导致炎症、动脉粥样硬化、心肌梗死的研究。发现了一些与炎症、动脉粥样硬化、心肌梗死产生相关的力学响应miRNAs：miR-34a、miR-21、miR-712和miR-205家族及miR-208和miRNA-19a/b。靶基因如：血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1) 、过氧化物酶体增殖物激活受体α (peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα)和金属蛋白酶组织抑制剂-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 均与心血管炎症有关；内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和TIMP-3均与动脉粥样硬化有关；大鼠心肌内皮糖蛋白、萎缩素第一型基因(Atrogin-1) 和肌肉环指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 均与心肌梗死有关。这些靶基因编码的因子有的参与到信号通路中，如PPARα是PPARs超受体家族中的一员，该家族涉及的信号通路与炎症产生相关[18-26]。
VCAM-1一般在活化的内皮细胞表达，介导炎症组织中内皮细胞的相互作用，导致白细胞渗出到炎症部位[19-20]。Fan等[18]证明力学因素作用下，miR-34a表达量上调，进而提高细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1) 在内皮细胞的表达水平，促进VCAM-1的表达，提高单核细胞与内皮细胞循环性黏附，增加炎症产生几率：PPARα属于PPARs超受体家族中一员，且PPARs与炎性反应密切相关，Kumar等[22]证实：依赖于激活蛋白-1而大量表达的miR-21通过靶向PPARα，使激活蛋白-1激活，促进单核细胞黏附，导致炎症产生这样一个反馈循环；金属蛋白酶组织抑制剂-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 具有许多功能，在炎症反应中是通过与蛋白酶结合，发挥调节作用。SON等[4]发现由前体rRNA经过剪切修饰而来的miR-712，靶向TIMP3，调节血管内皮炎症。
炎症反应持续下，将促进炎性细胞与内皮细胞的黏附和血栓形成等，诱导动脉粥样硬化产生。TIMP-3、eNOS在动脉粥样硬化产生中分别有不同的功能。研究分别表明，miR-712和miR-205家族及miR-712在遭受力学刺激时，表达量上调，通过靶向TIMP-3来调节内皮炎症，导致血管通透性增高，进而导致动脉粥样硬化[4, 23]。eNOS是调控血管功能的关键，它既能产生让血管扩张的一氧化氮，又能产生让血管收缩的超氧化物。力学载荷作用下，miR-92a过量表达，抑制eNOS[4]；然而与miR-92a过表达效果相反的是miR-21，miR-21的过表达可以增强eNOS的活性而且减少血管内皮细胞凋亡[23]。这些研究涉及动脉粥样硬化产生的机理，为临床上预防和治疗动脉粥样硬化提供了更好的思路。
中度到重度冠状动脉粥样硬化可引起心肌纤维持续性和反复加重的缺血缺氧而导致心肌纤维化，可以逐渐发展成心脏衰竭。心肌纤维化、心脏衰竭的程度可由心肌内皮糖蛋白、心肌肥大作为相应指标，表达量预示着心肌纤维化程度。Atrogin-1和肌肉环指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 是常见的两种泛素连接酶，常常出现在肌肉萎缩性疾病中，关于二者在心肌细胞肥大的过程中发挥的功能早已被研究人员证实：在大鼠心肌细胞研究中发现，力学响应miR-208在被TGF-β1激活后，上调大鼠心肌内皮糖蛋白表达、致使心肌肥大[25]，而Song等[26]发现力学响应miRNA-19a/b家族通过靶向atrogin-1和MuRF-1抑制心肌肥大。临床上可以考虑干扰miR-208表达或者促进miRNA-19a/b家族表达来治疗因心肌肥大导致的心脏衰竭。
3 调控呼吸系统疾病
呼吸系统疾病是一种常见多发病，有哮喘、慢阻肺、肺炎等呈现形式。研究者们在气道、肺血管中进行了力学因素的研究。发现了以miR-26a、miR-37a和miR-568为代表的力学响应miRNAs，靶基因如：糖原合成酶激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT) 也得到了验证，其编码蛋白质涉及到临床诊断、肺炎性损伤[27-29]。这些研究将为临床治疗相关呼吸系统疾病找到诊断标准并提供新方法。
GSK-3β是一种在真核生物中普遍存在的多功能丝氨酸/苏氨酸激酶。研究证明，GSK-3β 在细胞信号传递之间发挥着重要功能[27]。气道重塑在临床上常作为严重性哮喘和慢阻肺的标志，且平滑肌细胞肥大在气道重塑过程中发挥着重要的功能。Mohamed等[5]证明，力学刺激以后，miR-26a通过靶向 GSK-3β信使RNA，抑制其表达，传递可能会导致哮喘或慢阻肺的肥大信号。因此miRNA-26a的表达水平可以在临床上作为严重性哮喘和慢阻肺的前期诊断标准。
肺血管通透性和肺泡水肿的增加是形成一些炎症的重要条件，如：急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和呼吸机相关性肺损伤。NAMPT具有许多功能，在肺部损伤导致的炎症性疾病中，由nampt基因编码的促炎细胞因子，与ARDS和呼吸机相关性肺损伤导致的炎症有关[28]。Adyshev等[29]进一步研究发现，力学响应miR-37a和miR-568可以通过表观遗传来治疗肺炎症性损伤，为治疗肺炎症性损伤提供了新的策略。
4 结论
生理负荷范围内的力学载荷，会对有机体产生有益的作用。然而，这些力学载荷的类型、作用方式、信号途径以及机制，并没有被研究透彻。生物体应激于力学载荷机制的揭示，不仅有利于我们发现新的力学效应分子，而且能够促进力学生物学的发展。随着现代新技术的出现，力学响应非编码小RNA(mechanoresponsive miRNA)在一些组织或者细胞中的功能已被发现。但是这些发现也有局限性：实验对象以老鼠为主、并未完全弄清机制以及组织特异性等。未来的研究中，需要我们针对相应的机制做出突破，不但要探究其调控机制，更重要的是能利用这些发现的机制，寻找到治疗相关疾病的靶标，以达到治疗疾病、提高生存质量的目的。
引言
微小RNA(miRNA)是一类长度约21 nt的非编码RNA，它能够识别靶基因mRNA，在转录后水平负调控基因的表达。近年来研究者们发现一些在力学载荷作用下差异表达的miRNA，称之为力学响应miRNA-响应力学刺激、具备调节功能的非编码RNA[1-2]。骨质疏松、心血管疾病、呼吸系统疾病已经成为威胁人类生存质量的几大因素，在骨组织、心血管、呼吸道中，先后发现一些力学响应miRNA，有的miRNA的靶基因已被验证。这些力学响应miRNA，有的与成骨分化有关，有的与心血管疾病有关，还有的与呼吸系统炎症有关。如:miRNA-103a与成骨分化相关、miR-712与血管内皮炎症有关、miRNA-26a与气道重塑有关[3-5]。在骨质疏松疾病中促进成骨分化，对骨质疏松的治疗有很重要的意义；在心血管疾病中规避心血管异常负荷，可以降低患心血管疾病的几率；在呼吸系统炎症性疾病中，减弱炎症产生对于治疗呼吸系统疾病意义重大。因此阐明力学响应miRNA在这些组织或器官的存在及相应调控方式，从而为临床实际应用指明方向，具有很重要的意义。基于此，本文对近年研究者们针对上述疾病做出的力学响应miRNA相关研究进行总结，以期为临床应用提供指南。
1 调控成骨分化
成骨分化是骨组织形成中重要的过程，转化生长因子-β (transforming growth factor-β,TGF-β)信号通路在成骨分化过程中发挥着重要的功能[6-8]。到目前为止，已经有部分参与成骨分化的因子和其mRNA对应的力学响应miRNA被鉴定。这些因子均与TGF-β信号通路相关：runt相关转录因子2 (runt-related transcription factor 2,RUNX2) 蛋白、骨形成蛋白(Bone morphogenetic proteins,BMPs)均在成骨分化过程中发挥着重要功能[9-10]。并且runx是TGF-β的重要靶点、BMPs/TGF-β信号通路是成骨分化中的重要信号通路[11-12]。
Zuo等和Mai等[3, 13]已分别证实miRNA-103a和miRNA-34c均靶向runx2，致使RUNX2表达量下降，抑制成骨分化。
碱性磷酸酶 (alkaline phosphatase,ALPase)的活性常做为成骨分化指标，在成骨分化过程中被广泛应用[15]。激活素在TGF-β信号通路中发挥着调节功能，且激活素Ⅱ型受体B( activin A type Ⅱ B receptor,ACVR2B)是一种跨膜丝氨酸/苏氨酸激酶受体，在激活素的激活过程中发挥着重要功能[16-17]。Olsen等[17]证明激活素A与ACVR2A和ACVR2B结合抑制BMPs信号通路。Wei等[18]证实，力学响应miR-21通过靶向acvr2b，上调RUNX2和ALPase的表达水平，促进人牙周膜干细胞成骨分化。
RUNXs、BMPs、激活素均参与到TGF-β信号通路中，且激活素通过与受体结合抑制BMPs信号通路。与成骨分化相关力学响应miRNAs的发现不仅丰富了骨力学生物学效应分子，也丰富了TGF-β信号通路，为临床应用提供了更多选择。
2 调控心血管疾病
心血管疾病的产生有多种因素，研究者们进行了一些因力学因素而导致炎症、动脉粥样硬化、心肌梗死的研究。发现了一些与炎症、动脉粥样硬化、心肌梗死产生相关的力学响应miRNAs：miR-34a、miR-21、miR-712和miR-205家族及miR-208和miRNA-19a/b。靶基因如：血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1) 、过氧化物酶体增殖物激活受体α (peroxisome proliferator-activated receptor α,PPARα)和金属蛋白酶组织抑制剂-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 均与心血管炎症有关；内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)和TIMP-3均与动脉粥样硬化有关；大鼠心肌内皮糖蛋白、萎缩素第一型基因(Atrogin-1) 和肌肉环指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 均与心肌梗死有关。这些靶基因编码的因子有的参与到信号通路中，如PPARα是PPARs超受体家族中的一员，该家族涉及的信号通路与炎症产生相关[18-26]。
VCAM-1一般在活化的内皮细胞表达，介导炎症组织中内皮细胞的相互作用，导致白细胞渗出到炎症部位[19-20]。Fan等[18]证明力学因素作用下，miR-34a表达量上调，进而提高细胞间黏附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1,ICAM-1) 在内皮细胞的表达水平，促进VCAM-1的表达，提高单核细胞与内皮细胞循环性黏附，增加炎症产生几率：PPARα属于PPARs超受体家族中一员，且PPARs与炎性反应密切相关，Kumar等[22]证实：依赖于激活蛋白-1而大量表达的miR-21通过靶向PPARα，使激活蛋白-1激活，促进单核细胞黏附，导致炎症产生这样一个反馈循环；金属蛋白酶组织抑制剂-3(tissue inhibitor of metalloproteinase 3,TIMP-3) 具有许多功能，在炎症反应中是通过与蛋白酶结合，发挥调节作用。SON等[4]发现由前体rRNA经过剪切修饰而来的miR-712，靶向TIMP3，调节血管内皮炎症。
炎症反应持续下，将促进炎性细胞与内皮细胞的黏附和血栓形成等，诱导动脉粥样硬化产生。TIMP-3、eNOS在动脉粥样硬化产生中分别有不同的功能。研究分别表明，miR-712和miR-205家族及miR-712在遭受力学刺激时，表达量上调，通过靶向TIMP-3来调节内皮炎症，导致血管通透性增高，进而导致动脉粥样硬化[4, 23]。eNOS是调控血管功能的关键，它既能产生让血管扩张的一氧化氮，又能产生让血管收缩的超氧化物。力学载荷作用下，miR-92a过量表达，抑制eNOS[4]；然而与miR-92a过表达效果相反的是miR-21，miR-21的过表达可以增强eNOS的活性而且减少血管内皮细胞凋亡[23]。这些研究涉及动脉粥样硬化产生的机理，为临床上预防和治疗动脉粥样硬化提供了更好的思路。
中度到重度冠状动脉粥样硬化可引起心肌纤维持续性和反复加重的缺血缺氧而导致心肌纤维化，可以逐渐发展成心脏衰竭。心肌纤维化、心脏衰竭的程度可由心肌内皮糖蛋白、心肌肥大作为相应指标，表达量预示着心肌纤维化程度。Atrogin-1和肌肉环指蛋白-1 (Muscle RING-finger protein-1,MuRF-1) 是常见的两种泛素连接酶，常常出现在肌肉萎缩性疾病中，关于二者在心肌细胞肥大的过程中发挥的功能早已被研究人员证实：在大鼠心肌细胞研究中发现，力学响应miR-208在被TGF-β1激活后，上调大鼠心肌内皮糖蛋白表达、致使心肌肥大[25]，而Song等[26]发现力学响应miRNA-19a/b家族通过靶向atrogin-1和MuRF-1抑制心肌肥大。临床上可以考虑干扰miR-208表达或者促进miRNA-19a/b家族表达来治疗因心肌肥大导致的心脏衰竭。
3 调控呼吸系统疾病
呼吸系统疾病是一种常见多发病，有哮喘、慢阻肺、肺炎等呈现形式。研究者们在气道、肺血管中进行了力学因素的研究。发现了以miR-26a、miR-37a和miR-568为代表的力学响应miRNAs，靶基因如：糖原合成酶激酶-3β (glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase,NAMPT) 也得到了验证，其编码蛋白质涉及到临床诊断、肺炎性损伤[27-29]。这些研究将为临床治疗相关呼吸系统疾病找到诊断标准并提供新方法。
GSK-3β是一种在真核生物中普遍存在的多功能丝氨酸/苏氨酸激酶。研究证明，GSK-3β 在细胞信号传递之间发挥着重要功能[27]。气道重塑在临床上常作为严重性哮喘和慢阻肺的标志，且平滑肌细胞肥大在气道重塑过程中发挥着重要的功能。Mohamed等[5]证明，力学刺激以后，miR-26a通过靶向 GSK-3β信使RNA，抑制其表达，传递可能会导致哮喘或慢阻肺的肥大信号。因此miRNA-26a的表达水平可以在临床上作为严重性哮喘和慢阻肺的前期诊断标准。
肺血管通透性和肺泡水肿的增加是形成一些炎症的重要条件，如：急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)和呼吸机相关性肺损伤。NAMPT具有许多功能，在肺部损伤导致的炎症性疾病中，由nampt基因编码的促炎细胞因子，与ARDS和呼吸机相关性肺损伤导致的炎症有关[28]。Adyshev等[29]进一步研究发现，力学响应miR-37a和miR-568可以通过表观遗传来治疗肺炎症性损伤，为治疗肺炎症性损伤提供了新的策略。
4 结论
生理负荷范围内的力学载荷，会对有机体产生有益的作用。然而，这些力学载荷的类型、作用方式、信号途径以及机制，并没有被研究透彻。生物体应激于力学载荷机制的揭示，不仅有利于我们发现新的力学效应分子，而且能够促进力学生物学的发展。随着现代新技术的出现，力学响应非编码小RNA(mechanoresponsive miRNA)在一些组织或者细胞中的功能已被发现。但是这些发现也有局限性：实验对象以老鼠为主、并未完全弄清机制以及组织特异性等。未来的研究中，需要我们针对相应的机制做出突破，不但要探究其调控机制，更重要的是能利用这些发现的机制，寻找到治疗相关疾病的靶标，以达到治疗疾病、提高生存质量的目的。