微RNA在胰岛素抵抗中的调节作用

李嘉熙,王 林(综述)，李冬民(审校)

(西安交通大学医学院遗传与分子生物学系，西安 710061)

微RNA(MicroRNA，miRNA)是一类具有18～24个核苷酸长度的单链RNA分子。植物、动物体内相继发现的多种miRNA参与众多基因的表达调控，使miRNA成为生命科学领域的一大研究热点。伴随高通量测序技术与生物信息学方法的应用，miRNA在细胞增殖、分化与死亡、营养代谢、免疫反应、肿瘤发生等多种生命过程中的重要调控作用被快速揭示，而miRNA对胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)的调控作用正日益受到代谢病研究者的广泛关注[1]。现主要综述miRNA在调控IR发生中的最新研究进展。

1 miRNA的生物合成及其作用机制

miRNA主要来源于RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ转录形成的茎环状转录本。在核内miRNA基因被RNA聚合酶Ⅱ转录生成含有1～6个发夹结构的、且具有帽子结构和多聚腺苷酸尾巴的miRNA初级转录本[2]；miRNA初级转录本再由Drosha酶-DGCR8复合体处理、剪切形成70个核苷酸长度的miRNA前体[3]；miRNA前体由输出蛋白5复合体从细胞核转运到胞质[4]，随后被Dicer酶切割形成具有局部发夹结构、20个碱基对长的特异性miRNA双链体[5]。双链体中的一条链通过非标准碱基配对与靶信使RNA(messenger RNA,mRNA)形成长6～8个核苷酸的双链区，组装成miRNA诱导的沉默复合体，导致靶mRNA翻译抑制或降解[6-7]。发生非标准碱基配对的区域可能位于靶mRNA的3′UTR处。

2 IR

2.1IR概述 胰岛素是糖脂代谢的关键性调节激素，通过与其特异性受体结合介导多种生物反应过程。当脂肪细胞、肝细胞以及肌肉细胞等对胰岛素的敏感性降低，导致正常浓度水平的胰岛素无法引起相应的生物学效应时，出现IR。IR是严重影响人类健康的多种代谢紊乱性疾病(代谢综合征)的共同病理基础。现已清楚，胰岛素作用的发挥必需激活复杂的胰岛素信号转导途径，途径中的任一环节出现损伤或障碍时，就可能导致IR。

2.2胰岛素信号转导途径 胰岛素对细胞产生的多种影响均起始于胰岛素与其特异性受体的结合。胰岛素受体属于包括胰岛素样生长因子受体和胰岛素受体相关受体在内的酪氨酸激酶受体亚家族，为四聚体蛋白，包含两个α亚基和两个β亚基，其中α亚基抑制β亚基的酪氨酸激酶活性[8]。胰岛素与受体结合后，主要激活四条主干信号途径——葡萄糖储存和摄取、蛋白质合成、脂肪合成的调节以及有丝分裂反应；本文主要介绍葡萄糖储存和摄取途径。

活化的胰岛素受体β亚基中酪氨酸残基磷酸化，并被如胰岛素受体底物(insulin receptor substrate,IRS)等连接分子的磷酸酪氨酸结合域识别，引起IRS关键酪氨酸残基的磷酸化[8-9]；其中部分磷酸化的IRS进一步被磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-Kinase,PI3K)调节亚基p85的SH2结构域所识别，引起PI3K的催化亚基p110催化磷脂酰肌醇二磷酸磷酸化为三磷酸肌醇。三磷酸肌醇一个重要的下游效应分子为Akt，活化的Akt磷酸化并使糖原合酶激酶3失活。糖原合酶激酶3能够磷酸化糖原合酶而抑制糖原合成，因此糖原合酶激酶3的失活能够增强糖原合成。胰岛素还可增加葡萄糖摄取，主要通过PI3K-Akt途径，经由活化的Akt，使葡萄糖转运子4由细胞质储存库转移插入细胞膜引起。

蛋白酪氨酸磷酸酯酶(protein tyrosine phosphatase,PTPase)催化胰岛素受体及其底物的去磷酸化，减弱胰岛素的作用，许多蛋白酪氨酸磷酸酯酶涉及胰岛素信号转导的负调控。其中一种细胞内的蛋白酪氨酸磷酸酯酶——PTP1B具有胰岛素受体磷酸酯酶活性[10]；磷酸酶和张力蛋白同源基因通过使3，4，5-三磷酸肌醇去磷酸化负调控胰岛素信号转导[11]。

3 miRNA与IR

近期的大量研究显示，胰岛素的信号转导途径受多种miRNA的调控，多种miRNA异常与IR和代谢综合征的发生密切相关[12-26]。

3.1miRNA影响胰岛素受体引起IR 胰岛素受体是胰岛素信号转导途径的第一环节，是引起IR的miRNA重要的靶点之一。Zhu等[12]研究发现,Lin28蛋白可以通过阻抑Let-7的成熟活化胰岛素-PI3K-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，改善靶细胞对胰岛素的敏感性。Let-7是早期发现的miRNA家族之一，所有Let-7家族成员与mRNA相互作用的种子序列相同，具有相似的功能。Lin-28是一种RNA结合蛋白，是Let-7家族miRNA的抑制物。最近发现，Lin28的表达升高增加胰岛素敏感性；与此同时，Let-7的表达下降，表明Let-7与IR的发生有一定关系[12]。在C2C12成肌细胞中，表达上调的Lin28使Akt Ser473和Thr308位点上磷酸化增强，促进PI3K/Akt通路的激活；向细胞内转染成熟Let-7f双链体后，Lin28诱导的Akt磷酸化减少，表明Lin28对PI3K/Akt通路的激活作用与抑制Let-7有关；进一步的荧光素酶报告基因研究发现胰岛素受体、IRS2的3′UTR是Let-7的作用靶点。无论是Let-7f双链体的转染或者是Lin28基因剔除均抑制胰岛素-PI3K-(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)通路，证明Let-7直接引起IR。

Frost等[13]在其研究中进一步证实并补充了上述结论。研究者向高脂饮食喂养的小鼠注射Let-7的反义寡核苷酸后，小鼠糖耐量显著改善，且葡萄糖刺激条件下胰岛素水平显著降低，说明小鼠外周组织的胰岛素敏感性较高。生物信息学预测Let-7可能靶向胰岛素受体与IRS2的3′UTR，经Let-7反义寡核苷酸处理的高脂饮食小鼠肝脏中IRS2表达回升，胰岛素受体在骨骼肌和肝脏中均回升，进一步解释了反义寡核苷酸介导的Let-7剔除提高组织细胞胰岛素敏感性的作用机制。

3.2miRNA影响IRS引起IR IRS是胰岛素信号转导途径中胰岛素受体下游的重要连接分子。目前，miRNA作用于胰岛素信号转导途径的研究多数集中在对IRS的调控上，说明IRS是IR发生中较为重要的调控靶点。

Ryu等[14]通过用溴乙锭、尿苷删除线粒体DNA，再用鱼藤酮或抗霉素A抑制线粒体代谢诱导线粒体功能障碍引起的IR中，IRS1表达下降、几个预测的靶向IRS1 3′UTR的miRNA表达升高，荧光素酶报告基因试验证明miR-126的确靶向IRS1 3′UTR。另外，miR-126在过表达后可以引起肝细胞的IR。因此，miR-126与肝细胞线粒体功能障碍引起的IR密切相关。

除miR-126外，Karolina等[15]发现miR-144可通过抑制IRS1使胰岛素信号转导途径受损。该小组采用微阵列技术测试了高脂饮食诱导的2型糖尿病模型大鼠胰腺、肝脏、脂肪、骨骼肌与外周血以及2型糖尿病患者外周血中miRNA与mRNA的分布，发现miR-144表达显著升高、而IRS1的mRNA表达下降，与生物信息学预测“IRS1的mRNA是miR-144的作用靶”相吻合；随后的荧光素酶报告基因实验证明IRS1的3′UTR区含有miR-144的两个结合靶点。随后分别用miR-144前体和miR-144反义寡核苷酸转染HeLa细胞与3T3L1细胞，前者miR-144显著升高而IRS1 mRNA降低，后者则相反，说明miR-144能够通过抑制IRS1调节胰岛素信号转导途径。

另外，Li等[16]也发现miR-7能够通过抑制IRS1的表达而抑制胰岛素信号转导途径。研究者用棕榈酸处理的C2C12细胞在胰岛素刺激后Akt磷酸化水平显著下降，表现出IR。再用油酸处理IR的细胞，其胰岛素刺激后Akt磷酸化恢复正常。该小组又分别对仅棕榈酸处理、先后用棕榈酸及油酸处理及正常C2C12细胞进行miRNA微阵列分析，结合实时定量聚合酶链反应和生物信息学技术对miRNA的功能预测，筛选出miR-7进行后续研究。后续试验中，转染miR-7双链体前体的C2C12细胞在经过胰岛素刺激后Akt磷酸化显著减少。荧光素酶报告基因试验证实miR-7靶向IRS1的3′UTR，在转染前体miR-7双链体的细胞中IRS1蛋白表达显著减少。这些结果证实miR-7主要通过抑制IRS1表达而对胰岛素信号转导途径进行调节。

在IRS中，IRS2也是miRNA作用的靶点之一。Dávalos等[17]发现miR-33a/b能够通过抑制IRS2调节胰岛素信号转导途径。利用生物信息学预测miR-33a/b的作用靶点时，发现IRS2是其可能的作用靶点之一。随后的荧光素酶报告基因试验证明miR-33a/b能够靶向IRS2的mRNA 3′UTR。当向Huh7细胞中转染miR-33a/b时，IRS2 mRNA表达显著受抑，而转染miR-33a/b反义寡核苷酸时则相反。而且，转染后胰岛素刺激引起的Akt磷酸化减少可由缺少3′UTR的IRS2互补DNA得以恢复。这些结果均说明miR-33a/b能够抑制胰岛素信号转导途径。

3.3miRNA影响PI3K引起IR PI3K是胰岛素受体下游的信号分子，能够直接激活Akt，并进一步激活下游的GLUT4而增加葡萄糖摄取，是胰岛素受体-PI3K-Akt-GLUT4通路的重要环节。Ling等[18]发现miR-320通过抑制PI3K的p85亚基而调节胰岛素信号转导途径。研究者利用高浓度葡萄糖及胰岛素诱导3T3-L1脂肪细胞产生IR，然后对其进行miRNA微阵列分析，结果显示miR-320表达显著上调。生物信息学预测miR-320的可能作用靶点是PI3K的p85α亚基mRNA。用miR-320的反义寡核苷酸转染IR的3T3-L1细胞后，发现PI3K的p85亚基恢复到正常表达水平，PI3K下游的Akt磷酸化和GLUT4的表达量也得以恢复，而胰岛素刺激下的葡萄糖摄取能力恢复了41%。说明了miR-320对于胰岛素信号转导的调节机制。

3.4miRNA间接影响胰岛素信号转导途径中分子引起IR 胰岛素的作用过程涉及庞大的信号传递与调节网络，除上述的主干途径外，还存在复杂的其他途径，miRNA作用于分支途径中的信号转导分子时也会对主干途径产生间接影响，引起IR。Jordan等[19]的研究显示miR-143靶向作用于氧化固醇结合蛋白相关蛋白8(是与胰岛素刺激下Akt磷酸化关系紧密的上游信号分子，甚至直接控制Akt磷酸化)的mRNA，负调控其表达，进而降低Akt活化，改变胰岛素敏感性。He等[20]发现miR-29a/b能够显著抑制胰岛素信号转导途径中的信号分子胰岛素诱导基因1以及不直接参与信号转导的小凹蛋白2的表达，对胰岛素信号转导途径中的其他分子也有一定程度的影响。另外，miR-29a/b能够间接影响Akt的活化，引起IR。Trajkovski等[21]的研究结果表明miR-103/107能够负调控易化胞外信号转导作用的Cav1，影响胰岛素受体的磷酸化，使胰岛素信号转导受损，引起IR。Herrera等[22]发现在IR发生中，miR-125a的表达显著上调，致使其位于促分裂原活化蛋白激酶转导通路中的靶分子表达下调，促分裂原活化蛋白激酶途径受抑(促分裂原活化蛋白激酶途径被认为与2型糖尿病的发生有关)，推测miR-125a可能间接引起IR。

上述研究结果显示，异常增高的miRNA表达与IR的发生密切相关；但少量研究显示，异常减少的miRNA也可间接引起IR。Yang等[23]的研究证明，在IR的肝细胞中，miR-122的表达显著下降，使其对靶基因PTP1B mRNA的抑制作用下降，去磷酸化作用加强，引起胰岛素敏感性降低。Ling等[24]则证明miR-21负调控PTEN，在IR的脂肪细胞中其表达显著下降，通过减弱对PTEN去磷酸化作用的抑制引起IR。而Balasubramanyam等[25]发现miR-146a负调控TRAF-6、核因子κB等促炎反应基因，在2型糖尿病患者体内miR-146a的表达显著下降，对促炎基因的抑制作用减弱，引起亚临床炎症，使血液和组织中的肿瘤坏死因子α与白细胞介素6水平升高，而这两种分子均被证明能通过影响胰岛素信号转导途径而导致IR[26]。

4 结语和展望

代谢紊乱性疾病已成为现代社会中影响人类健康的主要疾病，探究其发病机制、追索有效的预防和治疗方法，无疑有着极为重要的研究意义和实践价值。随着miRNA研究的不断深入，其在代谢紊乱性疾病发生的调节作用被不断揭示，已经发现多种miRNA参与调节胰岛素信号转导途径，其表达异常与IR的发生密切相关。但是，miRNA对胰岛素信号转导途径的调控机制复杂，一个效应过程可能涉及多种miRNA分子的共同作用。目前发现的IR相关的miRNA大部分是通过影响胰岛素信号转导途径的下游分子而起作用的，针对能够调控途径起始点处胰岛素受体的miRNA的研究却不多见。理论上，胰岛素受体活性的调节对胰岛素敏感性的影响更加直接。而且，对于已经发现的IR相关miRNA的详细作用机制尚未研究清楚，还存在不完善的地方。但是，伴随技术方法的不断革新，上述参与IR调控的miRNA研究的前沿成果与思路，必将为代谢紊乱性疾病的预防和治疗开辟新的突破口和努力的方向。

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