M icroRNA s在骨骼肌分化、发育中的作用

马继政,张爱军

(解放军理工大学 理学院军事系,南京 211101)

M icroRNA s在骨骼肌分化、发育中的作用

马继政,张爱军

(解放军理工大学 理学院军事系,南京 211101)

M icroRNAs(miRNAs)是一类高度保守的、非编码的小分子RNA。miRNAs能在转录后水平调控基因表达,参与骨骼肌增殖、分化和再生。运动诱导骨骼肌生理性适应机制涉及多种信号转导途径,取决于训练量、强度、训练的频率和蛋白的半衰期。并且这些适应性的特征表现和运动方式有关。但这些生理性适应性变化和确切机制并不清楚,存在非常复杂的基因调控网路。骨骼肌特异性miRNAs的发现,为运动诱导骨骼肌生理性适应机制研究提供了新的思路,有利于认识运动性骨骼肌适应分子机制。

M icroRNAs;生理性适应;骨骼肌

M icroRNA s(miRNA s)是一类长度为2l-25nt的单链RNA,属于非编码蛋白RNA,广泛存在于生物界,其表达具有组织和时期特异性,其中一些miRNA在进化上有很高的保守性[1]。目前,在6个物种约有3000多种miRNA已经被鉴定出来[2]。据估计miRNAs调节哺乳动物的1/3基因,miRNAs能在转录后水平调控基因表达,在调控基因表达中起着重要的作用。miRNAs并不是由其相应基因直接转录形成的,而是来自于内源性独立的转录单位或信使RNA转录内含子[3]。miRNAs调节机制是结合到目标基因3’-非编码区 (3’-UTR),通过抑制m RNA翻译或降解m RNA来调节基因表达[4]。运动诱导骨骼肌生理性适应机制涉及多种信号转导途径,取决于训练量、强度、训练的频率和蛋白的半衰期。但这些生理性适应性变化的确切机制并不清楚,存在非常复杂的基因调控网路和交互方式。近年来,一些新的骨骼肌miRNA不断被发现,为运动性骨骼肌适应机制研究提供了新的思路。

1 运动性骨骼肌适应的分子机制

目前,通过对细胞内的分子蛋白磷酸化的研究开始揭示不同运动方式下,细胞内的信号调节过程。例如急性抗阻力训练超过一定时间可导致骨骼肌肥大,其主要原因是激活生长因子相关的信号转导过程。人类和动物的研究结果显示一次抗阻力训练,可提高磷脂酰肌醇 (-3)激酶 (PI3K)、蛋白激酶B(PKB)、雷帕霉素靶体蛋白 (m TOR)和S6蛋白激酶-1(S6k1)等蛋白的活性。抗阻力训练诱导这一激活信号传导网络,可调节骨骼肌蛋白的合成。PI3K活化后可提高PKB和m TOR的活性,抑制 (磷酸化)帽结合蛋白4EBP1,从而抑制帽依赖性m RNA的转录,增强真核起始因子4E(e IF4E)生物活性,提高骨骼肌蛋白的合成率[5]。

耐力训练诱导相关的信号传导过程的变化,主要和分子能量代谢的机制有关。例如,腺苷酸-活化蛋白激酶(AM PK)信号转导通路。AM PK’s的主要功能之一是监控细胞内能量代谢,维持细胞内能量代谢平衡。AM PK的活性主要受磷酸盐能量水平和ADP/A TP比率的变化控制。在运动状态下,这一能量代谢调节波动变化同样发生,并可通过AM PK信号通路引起基因表达的变化[6]。另一方面,长期的耐力训练可增加骨骼肌细胞线粒体的密度和酶的活性,即“线粒体的生物合成”[5-7]。这一过程涉及大量的转录因子,其中被认为相对重要的转录因子包括：早期生长反应基因-1(Egr-1)、核呼吸因子1(NRF-1)和核呼吸因子2(NRF-2)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活子1α(PGC-1α)[5]。其中PGC-1α由于能够激活多种转录因子而受到重视。研究发现,过表达 PGC-1α转基因小鼠,骨骼肌type I肌纤维的含量增加,小鼠耐力能力提高[8]。相应地,耐力训练诱导 PGC-1α表达上调,诱导线粒体的生物合成。这一训练的特异性适应由耐力训练引起[9]。

近年来,大量的与运动耐力相关的信号转导通路和关键蛋白被发现和证实：①与一次急性耐力训练相关基因 (上调或下降),持续时间在75 min[10-11]。这些基因包括ABL1、Bcl-9-CBP/p300-Ctnnb1-LeF/Tcf、CBP/p300、E2f、ERK1/2、FOXO1A、GAS1、Hsp90、RF1、JUNB、LOX、MM P7、M YC、M YO1、NcoR、NF-κB、NR4A 1、NR4A 2、PDGF、PDK4、PEPCK、PI3K、PIM 1、PKA、PPARA、PPARD、PPARG、PPARGC1A、Ras、Rb、STAT 、STAT 5a/b、TFDP1、VAV 1 和 VEGF 等。②长期的耐力训练适应相关的信号通路和基因。训练强度在70%最大摄氧量,持续时间6周,每周训练四次[11]。 (A)整合素 (Integrin)信号通路和相关基因 (上调或下降)。(B)胰岛素样生长因子-1(IGF-1)信号通路和相关基因(上调或下降)。(C)血管内皮细胞生长因子 (VEGF)信号通路和相关基因 (上调或下降)。

2 miRNA s与骨骼肌调节

2.1 m iRNAs在骨骼肌表达调节

一些miRNA基因在骨骼肌特异表达和富集。骨骼肌特异表达miRNAsmiR-1、miR-133和miR-206[12]。这些miRNAs在进化上有很高的保守性转录网络,涉及到 M yoD、Twist和M EF2等转录因子[12]。例如miR-1在进化上高度保守,除了存在小鼠和人类外,还存在于脊椎动物、果蝇、斑马鱼和鸡中。调控miR-1表达信号通路同样具有高度保守性：果蝇miR-1在中胚层形成的早期表达,受到 Tw ist和M EF2调节,这两个转录因子主要调节哺乳动物的肌肉发育[13]。在脊椎动物中,存在两个多顺反子的基因编码miR-1和miR-133[13-14]。miR-1和 miR-133可单独表达或共同表达。miR-1/miR-133表达受到M yoD控制,从而调节骨骼肌分化,并诱导骨骼肌特异miR-206表达[15]。

2.2 m iRNAs参与骨骼肌增殖、分化和再生

骨骼肌细胞来自于胚胎发育期的中胚层,在细胞周期同时存在增殖成肌细胞和末期已分化的肌管。大量的调节因子(转录调节因子和细胞信号分子)在控制骨骼肌增殖和分化中起着重要作用[12-16]。骨骼肌增殖和分化过程可以用组织培养的细胞来研究。C2C12成肌细胞能够维持未分化的状态,在生长培养基应用血清培养可以继续增殖[17]。应用分化培养基进行培养,去除血清,C2C12成肌细胞能够迅速分化成较大多核的肌管细胞,并表达骨骼肌标志性蛋白。研究发现,在C2C12成肌细胞诱导分化成肌管细胞期间,骨骼肌miRNAs miR-1、miR-133和 miR-206的表达显著上调[14-18]。

C2C12成肌细胞系统,基因过表达和基因敲除等实验技术已被用来研究骨骼肌miRNA s的相关功能[14-18]。骨骼肌miRNA smiR-1和miR-206可以增强肌生成;miR-133表达上调可以抑制成肌细胞的分化,促进成肌细胞增殖。抑制内源性的miR-1、miR-133和miR-206的表达可以产生相反的效果。研究发现骨骼肌miR-1/206和miR-133存在相反的生物学功能[14],尽管 miR-1和 miR-133来自于共同的 miRNAs多顺反子,并且一起转录。研究进一步发现,这些miRNA在维持骨骼肌增殖和分化平衡中起着重要的作用[19]。M cCarthy等人[19]研究发现,成年的小鼠骨骼肌肥大模型,miR-1和 miR-133表达下调约50%,表明miR-1和miR-133参与骨骼肌过负荷的适应过程。miR-1通过作用于组蛋白去乙酰化酶4(HDAC4),抑制细胞分化[19];通过转录因子M EF2C抑制骨骼肌蛋白的表达[20]。miR-133则通过抑制血清反应因子 (SRF)促进成肌细胞增殖[21]。

miR-206可以促进成肌细胞分化。主要通过间隙连接蛋白connexin43(CX43)和DNA聚合酶a的 P180亚单位(Pola1)发挥作用[18-22]。CX43是肌发生起始阶段所必需的,但分化诱导后,CX43转录后迅速下调[23]。miR-206通过抑制CX43的表达从而降低成肌纤维之间的联系[22];miR-206在分化的早期下调Pola1,减少DNA的合成,在肌管形成过程中有助于抑制细胞的增殖[18];miR-206也通过调节M yoD依赖性 Follistatin-like 1(Fstl1)和 U trophin(U trn)基因而发挥生物学作用[15]。M yoD激活miR-206的表达,抑制Fstl1和U trn基因转录后的表达[15]。

与其他组织特异性表达miRNAs不同,miR-181广泛表达于不同的组织。在小鼠肌肉损伤的动物模型中,肌再生时miR-181的表达显著增加[24]。C2C12成肌细胞系统研究显示miR-181缺失,降低 M yoD的表达,抑制成肌细胞分化[24]。miR-181目标基因为同源框基因 Hox-A 11,能够抑制M yoD的表达。其可能的机制是：miR-181在细胞分化时表达增加,作用于 Hox-A 11,抑制细胞分化,诱导新的肌细胞生长[25]。研究表明miRNAs在建立肌细胞分化表型方面起着作用,并具有多种重要的生物学功能[25]。

2.3 m iR-1与骨骼肌调节

miR-1在骨骼肌特异表达、进化上高度保守,为骨骼肌发育所必需[26]。基因缺失实验揭示果蝇miR-1是决定果蝇存活率最基本的基因[27-28]。miR-1基因突变,使幼虫快速生长期出现严重的肌肉缺陷,从而致使突变体死亡[27]。发育期miR-1基因过表达可减少心室肌细胞生长和降低心室肌细胞增殖数量。上述表型变化的部分原因是 miR-1结合到Hand2基因3’-非编码区[28]。Hand2基因是心脏形成的一种关键调节因子。Hand2基因缺失同样可导致出现上述表型的变化[29]。在脊椎动物中,成熟miR-1来自于miR-1-1和miR-1-2基因,这两个基因表现为重叠表达模式[14,26]。但是,miR-1-2基因缺失的小鼠死亡率可达50%,主要由异常心脏形态发育引起。研究结果表明尽管两个基因表现为重叠表达模式,但miR-1-2在心脏形态发育中起着重要的作用。miR-1-2基因缺失并不影响骨骼肌正常发育,表明miR-1在骨骼肌和心肌中的作用存在不同。

2.4 m iRNAs失调与骨骼肌肥大

miRNAs对于动物发育的潜在重要性非常清楚：没有miRNA s动物不能存活。机体内miRNA s大量存在,大部分具有高度保守性,并且表达富集,具有组织特异性。大部分m RNAs含有保守miRNAs调控的目标位点。由于缺失肌肉生长抑制素 (M yostatin)基因可导致小鼠和人类的骨骼肌加倍。一项研究应用特塞尔绵羊证实了miRNAs失调与骨骼肌肥大存在联系[30]。M yostatin基因开放阅读框不存在多态位点,但 M yostatin基因 3’-U TR存在 G-A突变位点,为特塞尔绵羊特异miR-1和miR-206的目标位点,miR-1和miR-206在肌肉组织高度表达,表明通过获得功能的突变位点为miRNAs提供结合位点,负性调控 M yostatin基因表达。这一发现同样表明一个重要基因的非编码区域的突变可为miRNAs创造目标位点,从而参与多种生物学过程和疾病发生。

3 miRNA s与运动性骨骼肌适应机制

miRNAs的发现是RNA研究领域的重要突破,人类大约30%的基因受到miRNAs的调节。发现和鉴定特定组织细胞和发育阶段中miRNAs及在基因表达调控中的作用是当前功能基因组学研究的重点。同样的这些研究为探讨运动诱导骨骼肌特异性生理性适应机制提供了新的思路。力量训练主要增加肌纤维的横断面,肌细胞蛋白合成增加。耐力训练诱导相关的信号传导过程的变化,主要与分子能量代谢和线粒体的生物合成有关,其中涉及大量信号通路和蛋白分子,但对其确切变化仍有待于深入的研究。例如,运动训练诱导肌肉重量的增加可能是蛋白合成率增加的结果、蛋白降解率降低的结果,或者两者相互作用的结果。改变运动方式,能够选择性地激活Akt和m TOR的上游和下游的效应分子。运动可诱导大量mRNAs表达发生改变。目前尽管大量选效应分子如生长因子、胰岛素、整合素、G蛋白偶联的受体和氨基酸等受到关注,但一些缺少足够的试验支持[31]。miRNAs能在转录后水平调控基因表达,在调控基因表达中起着重要的作用,miRNAs失调可引起骨骼肌肥大。因此,探索和研究运动以及不同运动方式诱导骨骼肌miRNAs的变化,能够进一步了解运动诱导骨骼肌不同适应性变化的内在机制以及与病理性变化之间的差异[32]。

4 小结与建议

目前运动诱导骨骼肌分子机制的研究发展十分迅速,但这一领域内仍存在大量的尚未解决的问题。运动可诱导大量m RNAs表达发生改变,其中一些关键性的基因不断被发现和证实。寻找与运动训练特异性适应相关的骨骼肌miRNA s的表达变化,建立生理性变化的重要的基因调控网络以及与运动能力之间的关系等,最终能够为运动训练方法制定提供极其有用的信息,并且能够为肌肉功能失调的患者提供极其有用的针对性运动处方。

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The Role of M icroRNAs in Skeletal M uscle Differentiation and Development

MA Ji-zheng,ZHANG Ai-jun

(Department of Military Education and Training,PLA University of Science and Technology,Nanjing 2111011,China)

M icroRNA s(miRNA s)are highly conserved,small non-coding RNA s.M iRNA s can powerfully regulate gene exp ression at the post transcrip tional leve1 and participate in skeletalmuscle p roliferation,differentiation,and regeneration.There are many signaling netwo rks follow ing exercise.These adap tations are determined by training volume,intensity,frequency and the half-life of the p rotein.Moreover,many features of the training adaptation are specific to themode of exercise.However,the mechanism s involved in training adap tation remain unclear.M uscle specific miRNAswere found,w hich can p rovide a new method to understand the physiological adaptation to exercise and itsmolecular mechanism.

M icroRNAs;physiological adap tation;skeletalmuscle

G804.2

A

1008-3596(2010)05-0070-04

2010-06-20

马继政 (1971-),男,江苏新沂人,讲师,博士,研究方向为运动生理学。