骨骼肌微小RNA介導運動調節(jié)骨骼肌代謝作用研究進展

劉昕萌 牛燕媚 傅力

天津醫(yī)科大學醫(yī)學技術學院康復醫(yī)學系（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)互補序列的堿基配對，在轉錄后調節(jié)基因表達，從而誘導mRNA裂解和翻譯抑制[1，2]。miRNAs 最初在細胞核中轉錄為長達幾千個堿基的初級轉錄本，稱為初級miRNA（primiRNA）[2]。核糖核酸酶（RNase）Ⅲ內切酶（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 從細胞核運輸?shù)郊毎|，其中第二種RNaseⅢ內切酶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 誘導的沉默復合物（RNA-induced silencing complex，RISC）的核糖核蛋白復合物相結合[3，5]。這種復合物能夠識別和結合目標mRNA，導致其裂解或抑制蛋白質翻譯[2]。

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

2 骨骼肌miRNAs

有研究表明，在骨骼肌表達的150 余種miRNAs中，有25%是骨骼肌特異性表達的，被歸類為肌細胞miRNAs（myomiRNAs）[11]。肌肉特異性的miRNAs 決定了骨骼肌中由于制動、疾病、運動適應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miRNAs，在肌肉發(fā)育和分化的調節(jié)中發(fā)揮重要作用[11]。以往研究表明，miR-1表達升高會使細胞凋亡增加，miR-133表達升高會使細胞凋亡減少，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，并且是唯一一個只在脊椎動物中表達的肌肉特異性miRNA，可能與它在成人肌肉中肌纖維類型轉變功能有關系[15]。此外，還有幾種miRNAs 被證明與肥胖患者脂肪組織的炎癥、氧化應激、細胞凋亡和胰島素信號傳導失調有關[16]。

雖然miRNAs 參與骨骼肌發(fā)育、再生和功能適應，但人們對miRNAs 調節(jié)骨骼肌質量的分子機制理解仍然有限。運動，營養(yǎng)和疾病影響出生后骨骼肌質量，也能調節(jié)骨骼肌miRNAs的表達[17]。

骨骼肌是機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。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)展的關鍵危險因素[18，19]。有一些miRNAs 被認為是骨骼肌適應高血糖水平的調節(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。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）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高糖耐量[20]。在另一種情況下，miR-106b 的過表達被證實可以抑制C2C12 肌管細胞的葡萄糖攝取，導致胰島素抵抗。生物信息學分析確定線粒體融合蛋白2（mito?fusin2，Mfn2）是miR-106b 的潛在靶點，通過使用miR-106b模擬抑制其報告基因活性和蛋白質水平，證實了Mfn2 是miR-106b 的潛在靶點。此外，有研究表明過表達miR-106b 可導致細胞線粒體功能障礙。相反，采用微小RNA 海綿技術（microRNA sponge）抑制miR-106b 或轉染空載慢病毒的C2C12 肌細胞線粒體形態(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）誘導的細胞胰島素抵抗[17]，提示miR-106b 在調節(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相關有關[21]。

3 運動對骨骼肌miRNAs水平的影響

運動對整個生命周期的肌肉健康至關重要。有氧運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，抗阻運動是一種強有力的合成代謝刺激，可促進肌肉蛋白質合成和肌肉生長。由于miRNAs 影響很多細胞內網(wǎng)絡，目前越來越多的研究開始探究miRNAs在骨骼肌運動適應中的作用。

圖1 與抗阻運動和有氧運動相關的骨骼肌miRNAs[21，23-26]

3.1 抗阻運動

抗阻運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）途徑來增加蛋白質合成而引起肌肉體積增加。IGF-1是一種促進生長的因子，參與骨骼肌的生長和再生，能與其受體的結合觸發(fā)細胞內信號通路，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錄因子（forkhead box transcrip?tion factor，F(xiàn)oxO）家族在內的蛋白質，后者參與細胞增殖、凋亡、活性氧（reactive oxygen species，ROS）應答以及細胞周期和細胞代謝的調節(jié)[28，29]。Akt 磷酸化并抑制FoxO，從而抑制蛋白質降解。此外，Akt通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamy?cin，mTOR）刺激蛋白質合成，mTOR復合物由兩種對雷帕霉素敏感性不同的多蛋白復合物mTOR 復合物1（mTORC1）和復合物2（mTORC2）組成，mTORC1的激活導致核糖體蛋白S6的磷酸化以及其它參與翻譯起始和延伸的因子轉錄增加，從而引起蛋白質合成增加[1，28]。

在一項小鼠研究中，骨骼肌細胞肌肉特異性miR-1 和miR-133a 經一周抗阻訓練后下調，并且相應的miRNA前體轉錄本和miRNA加工蛋白DROSHA和Ex?portin 5 的表達升高[30]。在人體抗阻訓練后，骨骼肌miR-378、miR-29a 和miR-26a 下調，miR-451 上調，而其他15 個高表達miRNAs 無顯著變化[17]?？傊@些miRNAs 可通過下調mTOR 通路中的負調控因子（如PTEN，P13K）來刺激mTOR信號傳導，以應對抗阻運動的刺激[31]。據(jù)報道，老年男性和女性在12 周的抗阻或離心運動訓練后骨骼肌miR-1 下調，同時促進骨骼肌生長的IGF-1 表達增加。雖然，每種運動形式都會導致骨骼肌不同的分子和結構適應，但miR-1 的變化可能反映了骨骼肌重塑，因為只有抗阻運動能增加骨骼肌橫截面積[31]。

3.2 有氧運動

有氧運動又被稱為耐力運動，會調動全身多個大肌群，增加氧氣消耗[32]。長期有氧訓練可誘導中樞和外周系統(tǒng)的許多生理適應，如心率降低和心臟每搏輸出量增加以及促進快肌纖維向慢肌纖維的轉化，線粒體生物合成增加[33]。研究表明，有氧訓練與肌肉纖維中線粒體質量和最大攝氧量（VO2max）的增加有關[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練的適應中發(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 主要調節(jié)線粒體的生物合成過程，并且各種miRNAs 也參與調節(jié)過程。當miR-696 和miR-23 水平在有氧運動中表達下降時，會上調PGC-1α 蛋白表達[33，34]。

在小鼠體內，有氧運動訓練已被證明會上調骨骼肌中miR-181，miR-107，并下調miR-23[33]。據(jù)Nielsen等報道，人體經過12 周耐力訓練，股外側肌中幾種肌肉特異性miRNAs（myomiRs），如miR-1，miR-133a，miR-133b和miR-206的表達水平顯著下降，但在結束訓練兩周后，其表達水平又回到了訓練開始前的水平[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 表達并沒有和預測的一致呈負相關[35]，因此，雖然骨骼肌miRNAs 對局部生理刺激產生反應，但其在人體骨骼肌對耐力訓練的適應中所起的作用尚不明確。另有研究表明，血漿中miR-486 能調節(jié)骨骼肌等代謝組織的葡萄糖攝取。miR-486的表達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等負性途徑調節(jié)因子的抑制來增強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 轉錄因子家族而降低上述途徑的活性可能加速肌肉蛋白質的降解[21，36]。

4 總結

盡管miRNAs是在二十多年前才被發(fā)現(xiàn)，但這一研究領域備受關注。已經證明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節(jié)作用。運動作為預防慢性疾病的有效手段，大量研究證實運動能改變骨骼肌miRNAs 水平，但其具體作用機制尚不清楚。而研究運動后骨骼肌miRNAs 的變化，有助于認識運動與miRNAs 水平變化之間的關系，并進一步深入理解miRNAs 變化對于骨骼肌運動適應的生理意義。這將有望為未來深入研究更多的miRNAs 在蛋白質合成以及糖、脂代謝中的作用提供新思路。