运动和MicroRNAs

马继政 ， 孙 飙

运动特异性适应的原则是运动训练学的基石。进行长期训练，肌体适应表现是多层次的，涉及到细胞、组织、器官以及系统水平。运动诱导分子适应机制是一个十分复杂的过程，其中涉及到一些特异的信号转导通路，启动DNA复制，转录翻译形成新的蛋白[1]。这些生理性适应的变化受到个体的起始水平、遗传背景、运动方式、运动量、强度、频率和蛋白的半衰期所决定[2,3]，其中最重要的是运动训练诱导的适应具有刺激方式的特异性。长时间的耐力可诱导大量分子代谢和形态上的改变，包括：线粒体的生物合成、快肌纤维向慢肌纤维转换和新陈代谢基质的变化。相反，大强度抗阻力训练诱导适应主要为肌肉肥大和最大力量的生成[2]。不同的训练方式诱导适应的分子机制是不同的，激活各自特异的信号通路和相关的基因。尽管存在可见形态和功能上的变化，但分析个体对训练产生的反应时，研究结果存在较大的误差。有证据显示运动诱导的生理性适应与基因表达平衡，但是，基因间相互作用的复杂性限制了发现个体基因来解释这一误差。另外，基因表达的变化相应地根据机体受到的刺激而变化，在这方面MicroRNAs（miRNAs）的相关研究可能起到重要的作用。

1 MicroRNAs

对于外部的刺激（如运动），可通过不同的机制调节基因的表达，包括miRNAs， miRNAs是1993年发现一类长度为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miRNAs在进化上有很高的保守性[4]。不象人类基因组众多的RNAs，这些小RNA具有独特的能力，调节基因表达的复杂调控网络。目前，已知miRNAs由特定的基因，或特定基因区域（和编码蛋白的区域无关）合成[5]，miRNAs成熟过程涉及到复杂的代谢过程：起始于细胞核，然后转移至细胞质（图1）[6]。第一步是从特定的基因转录生成较长的初级miRNA链，由Drosha酶复合物酶切，释放前体，称为前体miRNA，不同于miRNA[6]。在核质/细胞质转运蛋白Exportin-5的作用下，从核内运输到胞质中，由在Dicer酶的作用下，前体miRNA被剪切成约22个核苷酸长度的双链miRNA。双链miRNA分离，其中一个充当功能性的miRNAs，另一条链一般降解[7]。

成熟形式miRNAs，在RNA诱导沉默复合体（RNAInduced Silencing Complex， RISC）帮助下，结合目标mRNA。这一结合阻止核糖体识别mRNA含有的遗传信息，导致目标基因的蛋白合成下降[8]。通常，功能性的miRNAs辨认RISC，结合目标mRNA。研究表明单一miRNA可调节数百个截然不同的基因，另外可共同合作控制单一基因[4]。人类miRNA发现已超过700个，尽管对miRNAs生物功能认识并不完全清楚[6,8]，但据估计miRNAs调节哺乳动物的30%～60%基因[6]。

图1 哺乳细胞miRNA生物合成的示意图[6]Figure 1 Biosynthesis of Mammalian Cells miRNA

2 MicroRNAs和运动

运动、怀孕和个体生长可作为刺激物促进心脏增长。在19世纪中期，发现了“运动员心脏”[9]。最近，由于运动多方面的益处，以及不运动产生的危害，致使运动作为一个治疗手段来治疗心脏病，包括业已表现出病理性增加心室重量的左室收缩失调[10]。研究发现miRNAs在生理性的心肌肥大和病理性的心肌肥大表达存在不同[11]。

骨骼肌同样是一个具有适应性的器官，具有非凡的适应能力，能够通过细胞自动调节而对机械负荷发生反应。动物试验研究业已发现有氧和力量训练特异骨骼肌miRNAs表达变化（见表1）。

表1 运动对microRNA产生的影响（动物试验研究）TTaabbllee Ⅰ Effects of Exercise on microRNA (Animal studies)

一些miRNAs表达于骨骼肌，miRs-1、 -133a、 -133b和 -206占其中的25%，这些miRNAs通常被认为是“促肥大”[16]。健康人群，12周耐力训练这4个miRNAs显著下降，表明这些miRNAs可根据身体活动的水平的变化进行调整，14天后回归到正常水平，评估单一的运动反应时，仅miRs-1和 -133a增加[17]。力量训练，个体获得肌肉的重量的变化存在较大的差异，常伴随着不同miRNAs的表达，研究发现12周力量训练，训练变化较小的个体miR-378表达下降，miR-478表达增加。另外，miR-378变化和瘦体重密切相关[16]。

表2 运动对microRNA产生的影响（人体试验研究）TTaabbllee Ⅱ Effects of Exercise on microRNA (Human studies)

关于循环血液miRNAs变化，Baggish等人[18]研究发现运动诱导的相关的miRNAs的变化，如血管生成（miR-20a、 miR-210、miR- 221、miR-222和 miR-328）、 炎 症（miR-21和 miR-146a）、心肌和骨骼肌的收缩（miR-21和 miR-133a）、肌肉对低氧和缺血的适应（miR-21、miR-146a和miR-210）。最近，Bye等人[19]发现最大摄氧量（VO2max）较低的人群miR-101、21-222表达增加。运动涉及到miRNAs的变化人体研究见表2。 循环血液miRNAs可作为诊断各种疾病的标志物，因此发现运动调节循环血液miRNAs的变化，可揭示运动生理学的独特的生理标注物，洞察运动分子适应机制。

3 MyomiR网络

Van Rooij等人在研究miRNA在骨骼肌中作用时，提出了肌肉特异MyomiR（Muscle-Specific miRNA）网络这一概念。最初这一概念来源于Van Rooij等人的实验[23]，该研究发现失活miR-208a阻滞Myh7基因对肥大应激的反应。Myh7编码β肌球重链蛋白（β-MHC）。miR-208a是Myh6内含子，Myh6编码α肌球重链蛋白。miR-208a可调节第二个肌球蛋白（β-MHC）的表达，表明其他相互作用也可能存在。

MyomiR网络见图2[24]，miR-208b来源于Myh7基因第31内含子，miR-499来源于Myh7b基因的第19内含子，这些MyomiR表达和宿主基因平行，如miR-208b在骨骼肌Ⅰ型慢肌高表达，在心肌表达较低；miR-499在心肌和Ⅰ型慢肌高表达。研究业已表明这些MyomiR调节转录因子（Sox6、Purβ和Sp3）的表达，这些转录因子抑制慢肌表型的表达，研究表明Sox6是β-MHC表达的主要阻遏物。

图2 骨骼肌MyomiR网络示意图[24]Figure 2 MyomiR Network of Skeletal Muscles

Van Rooij等人[25]研究发现MyomiR网络构建肌纤维的类型：通过抑制转录因子的表达来完成。如Sox6抑制慢肌基因的表达（β-MHC），而miR-208b和miR-499抑制转录因子，从而促进慢肌基因的表达。这些分子相互作用建立一个反馈循环，miR-208b调节Sox6，抑制miR-208b宿主基因Myh7的表达。失活miR-208b和miR-499可导致比目鱼肌Ⅰ型肌纤维显著丧失，伴随着Sox6表达增加，β-MHC表达下降60%。相反，miR-499过表达可导致比目鱼肌所有肌纤维转换为Ⅰ型，野生型的小鼠Ⅰ型为55%，从而增加耐力运动的成绩。另外，Sox6过表达可引起β-MHC和慢肌钙蛋白I表达丧失，但是不改变快成分的肌钙蛋白的表达，表明其他的目标基因参与调节快成分的表达。上述研究表明MyomiR网络参与调节肌纤维的类型。

3.1 MyomiR网络参与调解快肌纤维向慢肌纤维转换

认识MyomiR网络参与调节肌纤维的转换中的作用非常重要.McCarthy等人[26]研究表明MyomiR网络在骨骼肌可塑变化中具有可操作性，伴随骨骼肌萎缩，一个标志性肌纤维转换是慢型β-MHC表达下调。相应地，骨骼肌萎缩，miR-208b和miR-499表达下调，Sox6表达2倍增加，β-MHC表达下调至28%。但仍需要基因敲除miR-208b和miR-499来证明MyomiR网络是否参与调节肌纤维的转换。

3.2 MyomiR网络调解肌肉的质量

MyomiR网络另一作用是可能参与调解骨骼肌的质量，miR-208b和miR-499预测目标基因为肌肉生长限制因子（myostatin，Mstn），主要参与调解骨骼肌的质量。Callis等人[27]研究表明miR-208可抑制Mstn表达，Bell等人[28]研究表明miR-499可抑制Mstn表达。

4 结论

MiRNAs在各种生理过程中起着重要的作用。涉及到细胞的最初的应激反应，可快速对各种刺激发生反应，从而作为研究运动适应机制理想的候选分子。但是，关于MiRNAs机制的研究主要来源于培养的细胞和动物实验，需要人体研究来进一步证实。另外，尽管MyomiR网络参与调节骨骼肌的适应机制，但是，调节MyomiR表达的机制并不清楚，这些研究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和针对性运动处方。

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