劉昕萌 牛燕媚 傅力

天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系（天津300070）

1 miRNAs概述

microRNAs（miRNAs）是一類跨物種高度保守的小分子非編碼RNA，大約由20～30 個核苷酸組成。miRNAs主要通過與靶mRNA的3’-非翻譯區(qū)互補(bǔ)序列的堿基配對，在轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因表達(dá)，從而誘導(dǎo)mRNA裂解和翻譯抑制[1，2]。miRNAs 最初在細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄為長達(dá)幾千個堿基的初級轉(zhuǎn)錄本，稱為初級miRNA（primiRNA）[2]。核糖核酸酶（RNase）Ⅲ內(nèi)切酶（DROSHA）將pri-miRNA 切割成為miRNA 前體或前miRNA 的約60～70 個核苷酸的中間體[3]。輸出蛋白5（exportin-5，XPO5）將前miRNA 從細(xì)胞核運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)，其中第二種RNaseⅢ內(nèi)切酶Dicer1，將前miRNA 切割成約22 個核苷酸小片段的miRNA雙鏈[1，4]。最終一條鏈被降解，而另一條鏈形成成熟miRNA[3]，后者與RNA 誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物（RNA-induced silencing complex，RISC）的核糖核蛋白復(fù)合物相結(jié)合[3，5]。這種復(fù)合物能夠識別和結(jié)合目標(biāo)mRNA，導(dǎo)致其裂解或抑制蛋白質(zhì)翻譯[2]。

值得一提的是，miRNA 與mRNA 并不是一一對應(yīng)的關(guān)系，每個miRNA 可調(diào)節(jié)數(shù)百個mRNAs，相反，mRNA 可同時被不同的miRNAs 作為靶標(biāo)[6]。據(jù)估計，miRNAs控制著高達(dá)70% 的人類蛋白質(zhì)編碼基因的表達(dá)。鑒于其廣泛的表達(dá)范圍，miRNAs幾乎參與生物界包括發(fā)育、細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞死亡、基因表達(dá)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等各種生理過程[2，7，8]。miRNAs 不僅在機(jī)體正常生理過程中發(fā)揮重要作用，還參與機(jī)體疾病發(fā)生和發(fā)展過程。例如，miRNAs在介導(dǎo)應(yīng)激反應(yīng)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括細(xì)胞如何對環(huán)境變化作出反應(yīng)。根據(jù)應(yīng)激條件的不同，miRNAs 的生成可能會發(fā)生改變，從而影響靶mRNA的表達(dá)，以及miRNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物的活性和作用方式。重要的是，這些過程的失調(diào)與各種慢性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[9，10]。

2 骨骼肌miRNAs

有研究表明，在骨骼肌表達(dá)的150 余種miRNAs中，有25%是骨骼肌特異性表達(dá)的，被歸類為肌細(xì)胞miRNAs（myomiRNAs）[11]。肌肉特異性的miRNAs 決定了骨骼肌中由于制動、疾病、運(yùn)動適應(yīng)等各種原因造成的不同表型。比如，在肌肉特異性miRNAs 中，miR-1，miR-133，miR-206是目前被研究最多且最具有代表性的肌肉相關(guān)miRNAs，在肌肉發(fā)育和分化的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[11]。以往研究表明，miR-1表達(dá)升高會使細(xì)胞凋亡增加，miR-133表達(dá)升高會使細(xì)胞凋亡減少，二者功能相反[12-15]。miR-206 是一種肌肉特異性的miR?NA，只在骨骼肌中表達(dá)，并且是唯一一個只在脊椎動物中表達(dá)的肌肉特異性miRNA，可能與它在成人肌肉中肌纖維類型轉(zhuǎn)變功能有關(guān)系[15]。此外，還有幾種miRNAs 被證明與肥胖患者脂肪組織的炎癥、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡和胰島素信號傳導(dǎo)失調(diào)有關(guān)[16]。

雖然miRNAs 參與骨骼肌發(fā)育、再生和功能適應(yīng)，但人們對miRNAs 調(diào)節(jié)骨骼肌質(zhì)量的分子機(jī)制理解仍然有限。運(yùn)動，營養(yǎng)和疾病影響出生后骨骼肌質(zhì)量，也能調(diào)節(jié)骨骼肌miRNAs的表達(dá)[17]。

骨骼肌是機(jī)體餐后葡萄糖攝取的主要組織，也是消耗血液中超過70%葡萄糖的主要組織[12]。胰島素抵抗與很多疾病的發(fā)展有關(guān)。例如，在2 型糖尿病患者出現(xiàn)的骨骼肌胰島素抵抗，是心血管疾病發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵危險因素[18，19]。有一些miRNAs 被認(rèn)為是骨骼肌適應(yīng)高血糖水平的調(diào)節(jié)因子。Huang等人研究發(fā)現(xiàn)，miR-24在糖尿病骨骼肌中被下調(diào)。因此，分裂原激活的 蛋 白 激 酶（mitogen activated protein kinases，MAPK）家族中的p38-MAPK（miR-24 靶點(diǎn)）水平的增加可能有助于骨骼肌通過刺激葡萄糖攝取來適應(yīng)高糖耐量[20]。在另一種情況下，miR-106b 的過表達(dá)被證實(shí)可以抑制C2C12 肌管細(xì)胞的葡萄糖攝取，導(dǎo)致胰島素抵抗。生物信息學(xué)分析確定線粒體融合蛋白2（mito?fusin2，Mfn2）是miR-106b 的潛在靶點(diǎn)，通過使用miR-106b模擬抑制其報告基因活性和蛋白質(zhì)水平，證實(shí)了Mfn2 是miR-106b 的潛在靶點(diǎn)。此外，有研究表明過表達(dá)miR-106b 可導(dǎo)致細(xì)胞線粒體功能障礙。相反，采用微小RNA 海綿技術(shù)（microRNA sponge）抑制miR-106b 或轉(zhuǎn)染空載慢病毒的C2C12 肌細(xì)胞線粒體形態(tài)和功能則有所改善，可抵抗由腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）誘導(dǎo)的細(xì)胞胰島素抵抗[17]，提示miR-106b 在調(diào)節(jié)骨骼肌胰島素敏感性和線粒體功能中可能起重要作用。也有研究發(fā)現(xiàn)，miR-486 能調(diào)節(jié)骨骼肌等代謝組織的胰島素依賴性葡萄糖攝取，這可能與循環(huán)miR-486 和最大攝氧量之間的負(fù)相關(guān)有關(guān)[21]。

3 運(yùn)動對骨骼肌miRNAs水平的影響

運(yùn)動對整個生命周期的肌肉健康至關(guān)重要。有氧運(yùn)動在維持全身能量代謝方面發(fā)揮了重要作用，主要是通過骨骼肌對代謝底物的攝取、儲存和氧化[22]。另一方面，抗阻運(yùn)動是一種強(qiáng)有力的合成代謝刺激，可促進(jìn)肌肉蛋白質(zhì)合成和肌肉生長。由于miRNAs 影響很多細(xì)胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，目前越來越多的研究開始探究miRNAs在骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)中的作用。

圖1 與抗阻運(yùn)動和有氧運(yùn)動相關(guān)的骨骼肌miRNAs[21，23-26]

3.1 抗阻運(yùn)動

抗阻運(yùn)動可通過胰島素樣生長因子1（insulinlike growth factor 1，IGF-1）-磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）- 絲氨酸/蘇氨酸激酶Akt（Akt）途徑來增加蛋白質(zhì)合成而引起肌肉體積增加。IGF-1是一種促進(jìn)生長的因子，參與骨骼肌的生長和再生，能與其受體的結(jié)合觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號通路，最終引起Akt 的酪氨酸殘基磷酸化[1，26，27]。Akt 反過來作用于包括叉頭轉(zhuǎn)錄因子（forkhead box transcrip?tion factor，F(xiàn)oxO）家族在內(nèi)的蛋白質(zhì)，后者參與細(xì)胞增殖、凋亡、活性氧（reactive oxygen species，ROS）應(yīng)答以及細(xì)胞周期和細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)[28，29]。Akt 磷酸化并抑制FoxO，從而抑制蛋白質(zhì)降解。此外，Akt通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamy?cin，mTOR）刺激蛋白質(zhì)合成，mTOR復(fù)合物由兩種對雷帕霉素敏感性不同的多蛋白復(fù)合物mTOR 復(fù)合物1（mTORC1）和復(fù)合物2（mTORC2）組成，mTORC1的激活導(dǎo)致核糖體蛋白S6的磷酸化以及其它參與翻譯起始和延伸的因子轉(zhuǎn)錄增加，從而引起蛋白質(zhì)合成增加[1，28]。

在一項小鼠研究中，骨骼肌細(xì)胞肌肉特異性miR-1 和miR-133a 經(jīng)一周抗阻訓(xùn)練后下調(diào)，并且相應(yīng)的miRNA前體轉(zhuǎn)錄本和miRNA加工蛋白DROSHA和Ex?portin 5 的表達(dá)升高[30]。在人體抗阻訓(xùn)練后，骨骼肌miR-378、miR-29a 和miR-26a 下調(diào)，miR-451 上調(diào)，而其他15 個高表達(dá)miRNAs 無顯著變化[17]?？傊?，這些miRNAs 可通過下調(diào)mTOR 通路中的負(fù)調(diào)控因子（如PTEN，P13K）來刺激mTOR信號傳導(dǎo)，以應(yīng)對抗阻運(yùn)動的刺激[31]。據(jù)報道，老年男性和女性在12 周的抗阻或離心運(yùn)動訓(xùn)練后骨骼肌miR-1 下調(diào)，同時促進(jìn)骨骼肌生長的IGF-1 表達(dá)增加。雖然，每種運(yùn)動形式都會導(dǎo)致骨骼肌不同的分子和結(jié)構(gòu)適應(yīng)，但miR-1 的變化可能反映了骨骼肌重塑，因?yàn)橹挥锌棺柽\(yùn)動能增加骨骼肌橫截面積[31]。

3.2 有氧運(yùn)動

有氧運(yùn)動又被稱為耐力運(yùn)動，會調(diào)動全身多個大肌群，增加氧氣消耗[32]。長期有氧訓(xùn)練可誘導(dǎo)中樞和外周系統(tǒng)的許多生理適應(yīng)，如心率降低和心臟每搏輸出量增加以及促進(jìn)快肌纖維向慢肌纖維的轉(zhuǎn)化，線粒體生物合成增加[33]。研究表明，有氧訓(xùn)練與肌肉纖維中線粒體質(zhì)量和最大攝氧量（VO2max）的增加有關(guān)[32]。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子（peroxi?some proliferator- activated receptor γ coactivator，PGC）家族在骨骼肌對耐力訓(xùn)練的適應(yīng)中發(fā)揮重要作用，參與脂肪酸氧化、糖酵解和糖異生過程等多種代謝過程。其中PGC-1α和PGC-1β 主要調(diào)節(jié)線粒體的生物合成過程，并且各種miRNAs 也參與調(diào)節(jié)過程。當(dāng)miR-696 和miR-23 水平在有氧運(yùn)動中表達(dá)下降時，會上調(diào)PGC-1α 蛋白表達(dá)[33，34]。

在小鼠體內(nèi)，有氧運(yùn)動訓(xùn)練已被證明會上調(diào)骨骼肌中miR-181，miR-107，并下調(diào)miR-23[33]。據(jù)Nielsen等報道，人體經(jīng)過12 周耐力訓(xùn)練，股外側(cè)肌中幾種肌肉特異性miRNAs（myomiRs），如miR-1，miR-133a，miR-133b和miR-206的表達(dá)水平顯著下降，但在結(jié)束訓(xùn)練兩周后，其表達(dá)水平又回到了訓(xùn)練開始前的水平[35]。但是，骨骼肌中這些肌肉特異性miRNAs的靶蛋白（Cdc42 和ERK1/2）與miRNA 表達(dá)并沒有和預(yù)測的一致呈負(fù)相關(guān)[35]，因此，雖然骨骼肌miRNAs 對局部生理刺激產(chǎn)生反應(yīng)，但其在人體骨骼肌對耐力訓(xùn)練的適應(yīng)中所起的作用尚不明確。另有研究表明，血漿中miR-486 能調(diào)節(jié)骨骼肌等代謝組織的葡萄糖攝取。miR-486的表達(dá)增加通過直接影響人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源蛋白（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）和FoxO等負(fù)性途徑調(diào)節(jié)因子的抑制來增強(qiáng)IGF1-PI3K-Akt信號通路的活性。通過刺激泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和同時激活FoxO 轉(zhuǎn)錄因子家族而降低上述途徑的活性可能加速肌肉蛋白質(zhì)的降解[21，36]。

4 總結(jié)

盡管miRNAs是在二十多年前才被發(fā)現(xiàn)，但這一研究領(lǐng)域備受關(guān)注。已經(jīng)證明miRNAs 無論是在正常的生理還是疾病病理過程中都有著重要的作用。而骨骼肌中的miRNAs參與了骨骼肌細(xì)胞的增殖、分化、凋亡，并且對骨骼肌線粒體功能有著重要的調(diào)節(jié)作用。運(yùn)動作為預(yù)防慢性疾病的有效手段，大量研究證實(shí)運(yùn)動能改變骨骼肌miRNAs 水平，但其具體作用機(jī)制尚不清楚。而研究運(yùn)動后骨骼肌miRNAs 的變化，有助于認(rèn)識運(yùn)動與miRNAs 水平變化之間的關(guān)系，并進(jìn)一步深入理解miRNAs 變化對于骨骼肌運(yùn)動適應(yīng)的生理意義。這將有望為未來深入研究更多的miRNAs 在蛋白質(zhì)合成以及糖、脂代謝中的作用提供新思路。