MircoRNAs与体力活动

殷　鑫，马继政，王　巍，牛　洁



MircoRNAs与体力活动

殷鑫1,2，马继政2，王巍2，牛洁2

1. 南京体育学院运动健康科学系，江苏 南京210014;2. 解放军理工大学军人身体适应训练研究中心，军人体能训练与机能评定实验室, 江苏 南京211101

摘要：MircoRNAs(miRNAs)是一类进化上高度保守的非编码RNA，在多种细胞进程中具有重要调节功能。体力活动的类型、时间、强度都会影响miRNAs变化，产生不同的生理适应。但是，这些生理适应性变化规律及具体机制尚不清楚，存在复杂的基因调控。体力活动相关miRNAs变化，为研究体力活动中循环、肌肉、组织生理性适应机制提供新的思路，有助于精细监测、评定、认识体力活动。

关键词：mircoRNA；体力活动；骨骼肌；myomiR

1前言

MircoRNAs的作用机制在健康预防领域研究较多，在各种体力活动后也被检测。体育锻炼已经被证实是一个预防疾病强有力的工具，作用机制可能与miRNAs的变化有关系，但是其分子机制尚不清楚，目前为止仍然没有精确的运动后产生miRNAs变化的分子机制。找到清楚且完整的视角深入理解体力活动，认识各类体力活动造成机体不同的生理性适应，为疾病预防或治疗提供更加精确的信息。

为了在变化的环境需求中保持和改善人类的健康，探究miRNA的调控网络和体适能，生理适应以及训练能力之间的关系显得尤为重要。

2MircoRNAs

MircoRNAs(miRNAs)是一类由20-25个核苷酸组成的小的非编码RNA，作用于RNA沉默和转录后水平的基因表达调节。在20年前miRNAs并不为人所知，科学研究的重心都集中在编码蛋白质的基因上，其中不包括因此而研究的非编码序列。但是，在1993年，Ambro和Ruvkun实验室在秀丽隐杆线虫内发现了第一个miRNA，也就是lin-4，通过转译抑制导致lin-14蛋白合成的减少，控制幼虫由L1期向L2期的转化。1987年Ferguson等人发现了lin-4可以负面调节lin-14基因表达[1]。

在2000年Reinhart等人发现另一个miRNA，Let-7，调节秀丽隐杆线虫幼虫发育的L4期到成熟的转变过程。在线虫中，降低Let-7活性会导致成虫期发育迟缓，相反则会造成幼虫期发育早熟[2]。Let-7控制各种发育包括动物系统进化，参与细胞增殖、分化、死亡，并且它的序列从果蝇到人类中进化上是高度保守的，对各种生命进程具有不可或缺的作用。

Let-7在进化上高度保守的发现，推动了mircoRNA领域的研究，大约有1900个miRNAs在人类和其它物种中被发现。MiRNA生物合成高度复杂并且精细调节一系列生物学进程，包括转录，核过程，出核转运过程，胞突等[3]。近期miRNAs分子作为肌肉发育和肌肉性能的调节者，以及作为潜在的疾病治疗因子已经得到人们关注。在体力活动中，众多因素影响miRNA水平，包括年龄、性别、训练状态、锻炼类型等。为了解miRNA的分子调控机制和及在不同类型运动后的变化水平，需要更多综合性的研究。

3体力活动和miRNAs

众所周知，体力活动可以影响机体大多数器官系统，包括心血管系统、呼吸系统、神经内分泌系统，尤其对骨骼肌系统影响最大。体力活动产生刺激促进细胞内外信号交流，归于生理过程，表现为代谢和结构上的积极适应，例如机体表现出最合理的肌纤维效率和神经肌肉的募集程度，线粒体的生物合成增加，肌肉增长和重建[4]。此外，久坐的习惯会对以上适应产生负面的影响，显著增加患慢性疾病的风险，例如癌症、心血管疾病、骨质疏松、糖尿病和其它一些代谢性疾病。

体力活动能够调节miRNAs在骨骼肌，心血管和免疫系统的水平。这些变化又调节了目标基因的表达，促使机体产生短期或者长期的适应，而不同类型的运动又会导致不同miRNAs的变化[5]。这提示我们不同类型运动与miRNAs水平差异存在一定关系，然而运动改变miRNAs水平机制仍然不清楚。

3.1耐力性运动

耐力性运动牵涉全身数个大肌肉群，促进氧气消耗的增加，改善身体状况。这种长时间重复次最大强度的运动会诱发表型的变化，例如快肌纤维向慢肌纤维的转化，线粒体生物合成的增加，毛细血管密度增加[6]。PGC家族在耐力性运动骨骼肌适应中扮演重要的角色，参与新陈代谢过程例如脂肪酸氧化、糖酵解和糖异生过程。PGC1-α和PGC1-β主要作用于线粒体生物合成过程的调节，并且各种miRNAs也参与到调节的过程中。当miR-696和miR-23水平在有氧运动中表达下降，PGC1-α蛋白的表达就上升了[7,6]。

在人类中，耐力性运动会引起肌肉相关miRNAs(myomiRs)水平变化,并且锻炼形式和恢复时间也影响myomiRs水平。Banzet等人研究表明，在一堂训练课中，离心运动占训练较多(简称离心组)，与向心运动占训练较多(简称向心组)相比，在分子响应方面存在很大不同。离心组miR-1，miR-133a，miR-133b和miR-208b水平出现显著的上升，但是，在向心组中却没有检测到miRNAs的变化[8]。其他实验数据表明，在60分钟的自行车训练课后，miR-1和miR-133水平迅速升高，而在通过12周运动计划训练后，miR-1，miR-133a，miR-133b，和miR-206水平都下降了[9]。即在急性耐力性运动时会出现miR-1和miR-133水平的上升[9,6]，而在长期耐力性运动后却会出现两者水平的下降。表明miRNAs水平在不同的训练状态下可以为机体适应训练提供内源性的调控。

HUNT体适能研究中心证实了最大摄氧量与miRNAs的调节有显著的相关性。最大摄氧量是心血管健康的一个指标，可以为心血管意外发生提供预测。有氧能力低的受试者在循环中miR-210,miR-21，miR-222水平显著升高[10]。在已分析的miRNAs和一些心脑血管疾病主要危险因素，例如血压、肥胖、吸烟习惯和胆固醇等没有相关性。因此，miRNAs在涉及氧气运输的生物学调节过程中可能具有重要的作用，对耐力性运动是必不可少的，需要更多的机制研究。

3.2抗阻运动

抗阻运动和耐力性运动相比，在代谢方面的适应变化很少，而肌肉蛋白的生物合成增加较多。MiR-1可以靶向作用于IGF-1。机械抗阻训练会降低miR-1在骨骼肌中水平，增强IGF/AKT的信号通路，从而增加蛋白质合成[11]。常见的肌肉肥大动物模型是“协同肌切除”模型。通过外科手术切除小鼠两个主要的协同肌(比目鱼肌和腓肠肌)，给予剩余的跖肌过量的机械负荷诱导肌肉肥大。7天后，在小鼠跖肌中miR-1、miR-133a水平下降了50%[11]。人类试验中[12]，力量运动已经被证明影响多种miRNA的变化。在年轻人当中，一次急性力量运动伴随氨基酸的摄取会显著导致骨骼肌miR-1水平下降，其结果与小鼠肥大刺激试验miR-1在肌肉中水平下降是一致的。而且有研究表明miR-1可以靶向抑制各种因子如促生长因子(IGF-1)和蛋白激酶(protein kinase B)的信号通路[13]。因此，力量运动后miR-1水平下降可能与骨骼肌应对刺激后蛋白质合成增加有关。

Davidsen等人选取一群成年男性进行12周力量训练，采用事后分析的方法，并通过每个受试者去脂体重变化，将其分为低反应者组(Low renponsers)和高反应者组(High responsers)，选择表达最高的miRNAs，观察两组之间是否存在表达差异。结果表明，高反应者组miRNAs水平在股外肌不受影响，而低反应者组miR-451和miR-378表达量明显改变，并且miR-26a和miR-29a水平呈下降的趋势。此外，miR-378水平变化与去脂体重的变化呈现明显相关性(R2=0.51)。去脂体重的变化对维持miR-378的水平具有重要的意义[14]。此外，近期miR-378研究表明，miR-378可以通过调节PGC1-β表达来调节线粒体新陈代谢，并且，在运动中miR-378可以作为生理反应和耐力性运动的观察指标[15],为运动状态监控和运动处方制定提供更加深入准确的评判标准。

抗阻运动能够增加骨密度、预防骨质疏松、改善肌肉状态等，但其分子机制尚不清楚，miRNA在耐力性运动方面研究较多，而在抗阻运动方面研究较少。因此，miRNA为研究抗阻运动带来的生理适应提供了新的思路，找到不同类型体力活动与miRNAs变化之间关系及其作用机制是当前研究的重点，并且，找到miRNA与传统训练学分子标志物之间是否存在相关性也将为miRNA的作用机制提供思路。

4骨骼肌和miRNAs

近期研究表明miRNAs在骨骼肌功能中扮演重要的角色，数个miRNAs已经被认为是在生理病理状态下肌肉生成、肌肉质量和营养代谢的调节因子。大约60%的编码蛋白基因可能被miRNAs调控。因此，miRNAs是影响身体综合发育的关键因素,参与维持内环境稳态,细胞凋亡,并通过改变蛋白含量带来年龄相关的变化。

4.1肌生成中的MircoRNA

骨骼肌发育是一个复杂的过程，各种因素之间相互影响、相互作用，贯穿肌细胞增殖分化为成熟肌纤维的整个肌生成过程，并且骨骼肌适应受到基因调控。肌生成调节因子(MRFs)家族,包括成肌分化抗原(MyoD),成肌素(myogenin)，生肌因子5(Myf5)，肌细胞增强转录因子2(MEF2)，都是骨骼肌细胞发育的关键调节因子[16]。

已有研究表明MircoRNA参与了发生在骨骼肌中的大多数生物学过程。例如，miR-133a通过沉默抑制细胞增殖的生长激素释放因子(SRF)实现肌细胞的增殖[17]。此外，miR-30家族调控成肌细胞分化，为miRNA通路提供负反馈作用[18]。

在细胞分化的早期，miR-24水平上升，在之后的分化过程中维持上升，并且在分化成熟的心肌和骨骼肌中都有表达[19]，在细胞分化的后期miR-181水平降低[20]。活体体内的实验证实了miR-26a可以靶向作用于转录因子Smad1和Smad4促进细胞分化，表明miR-26a在TGF-b/BMP通路中具有重要作用[21]。同时，肌细胞生成过程也包括静止的卫星细胞激活、增殖、分化和融合。MiR-31存在于静止的卫星细胞，抑制Myf5的mRNA翻译过程。在激活的卫星细胞中，miR-31水平降低，Myf5蛋白累积，而蛋白的累积最初需要Myf5的mRNA翻译。MiR-489水平在静止的卫星细胞中表达很高，并且在卫星细胞被激活后miR-489水平迅速下降。包括miR-106b，miR-25，miR-29c，miR-320c，在人类肌肉静止的卫星细胞中的表达比增殖的卫星细胞中低[22]。

4.2 肌肉相关的miRNAs

组织特异性的miRNA的定义，是指某个miRNA在特定组织中的表达水平相比其它组织中检测到的平均水平，高出20倍以上[23]。肌肉中表达的150多种miRNs中，25%的miRNA是肌肉特异性。有研究第一次证明miR-1在横纹肌特异性表达[24]，之后，Sempere等人提出了组织特异性miRNAs的简介，描述了30个在特定组织中富集的miRNAs，包括miR-1,miR-133a，miR-206,miR-208a，miR-208b，miR-378,miR-486,miR-499等众所周知的miRNAs[25]。MyomiRs属于两个家族，miR-1/206和miR-133。MiR-1和miR-206都具有相同的种子序列，除了位于3’端的3个核苷酸。MyomiRs都是由三个基因位点编码，每一个都包含miR-1/206族成员之一和miR-133家族成员之一。这些基因位点的定位在人和老鼠中是不同的。在人类中miR-1-1和miR-133a-2的基因都成群聚集在20号染色体，而在老鼠中则是成群聚集在2号染色体。此外，miR-206和miR-133b在人类中都位于6号染色体，在老鼠中位于1号染色体[26]。

肌肉特异性的miRNAs决定了在骨骼肌中由于各种原因，例如制动、疾病、训练适应等造成的表型变化。MyomiR-378参与骨骼肌的发育过程，在成肌细胞分化过程中靶向作用于肌源性的抑制物MyoR。此外，myomiR-486通过抑制肌萎缩的转录调节因子FoxO1促进肌细胞生成。在肌肉特异性的miRNAs中，miR-1，miR-133，miR-206是目前为止被研究最多且最具有代表性的肌肉相关miRNAs。这些miRNAs对于调节骨骼肌和心肌的发育是必不可少的，对各种病理学情况具有深远的影响。研究证明，miR-1作用范围中包括胰岛素样生长因子1(IGF-1)信号通路[27]。MiRNA-1和miRNA-133在相同的基因表达，在一个互补的回路中合作，表现出相反的生物学功能。MiR-1表达升高细胞凋亡增加，miR-133表达升高细胞凋亡减少[28]。miR-1过表达会带来肌源性分化的增加；相反，miR-133水平在成肌细胞增殖过程中表达上升，在成肌细胞分化过程中表达下降[29]。MiR-206是一个肌肉特异性的miRNA，只在骨骼肌中表达，并且是唯一一个只在脊椎动物中表达的肌肉特异性miRNA，可能与它在成人肌肉中肌纤维类型转变功能有关系[29]。此外，肌相关的miR-208b和miR-499在心肌细胞中高表达，涉及到肌纤维由快肌转变到慢肌的过程。主要表达在心肌中的myomiRs有miR-1,miR-133a,miR-133b,miR-208a和miR-499。尤其是miR-208a和miR-499的表达和心肌梗死相关连。MircoRNA-208a被用来维持心脏相关转录因子的表达，并对心脏传导系统的发育有重要作用。

5循环miRNAs与体力活动

除了在骨骼肌中，循环血液miRNAs(c-miRNAs)的表达水平也被证明与运动相关。一项实验显示，一系列耐力性运动后血液中miR-146a，miR-222，miR-21和miR-221表达水平都有所升高,并且在经历90天的训练之后，受试者循环血液中miRNAs水平仍会在急性运动后出现暂时上升[30]。急性和长期耐力性运动都会降低循环血液中肌肉富集性miR-486水平，但是，其它所有肌肉相关的miRNAs表达水平均低于可测含量。

虽然在不同体力活动后循环中miRNAs呈现不同变化，但是循环miRNAs的精确生理学功能仍不清楚。Aoi等人研究重点集中在年轻健康，没有经受过长期规律训练的受试者，评估急性锻炼和长期锻炼对骨骼肌特异性的miRNAs在血清中表达变化的影响。多数myomiRs (miR-1,miR-133a,miR-133b,miR-206,miR-208b和miR-499)都在血清中被发现有低水平表达。Baggish等人报道了miR-146a和miR-222水平在持续性自行车训练后升高，但是miR-133a水平没有变化。此外，miR-146a水平上升和最大摄氧量变化呈正相关[31]。在马拉松跑后，miR-133a，miR-1，miR-146a水平显著升高。一方面，研究证实了在马拉松跑后不但miR-133a表达升高，而且血管内皮损伤生物标志物miR-126的表达也有所升高；另一方面，Sawada等人报道，在一次单独抗阻训练之后则没有检测到miR-133的升高，而只有miR-221和miR-146a水平的降低[32]。因此，运动可能导致循环中肌肉特异性的miRNAs低水平的分泌，并且增强了miRNA的生物学通路。

从miRNAs和分子变化之间的关系得出，c-miRNAs将在病理或生理状态下成为有意义的分子标志物。例如Mooren等人提出miR-1，miR-133a，miR-206作为有氧能力的分子标志物，因为这些miRNAs与最大摄氧量和达到无氧阈时的跑速呈现较高的相关性[33]。

6体力活动调节miRNAs与非传染性疾病预防的关系

有规律的体力活动对身体健康具有诸多益处，患有肌肉疾病的病人可以通过适当的训练获得恢复，多数慢性退行性病变患者都能从中获益。体力活动带来的数种miRNAs水平变化，表明体力活动对于非传染性疾病预防具有潜在的价值，并且c-miRNAs将成为健康预防和治疗干预领域有用的分子标志物。

有规律的锻炼不仅可以减少癌症患者的死亡率，而且能改善其生理和免疫功能。相比久坐习惯带来的健康问题，多种体力活动例如抗阻运动则会增加骨骼肌合成代谢、骨骼肌力量、骨密度等，预防骨质疏松的发生。此外，适量体育锻炼会增加免疫细胞数量，改善睡眠，促进血液循环，增强免疫功能等。

数个miRNAs，例如miR-25，miR-92和miR-126都直接涉及到糖尿病的发病机制。近期研究显示：miR-25和miR-92a与胰岛素合成调节有关系[34]。II型糖尿病导致数个c-miRNAs水平异常，包括miR-126水平降低，糖尿病受试者在六个月的规定饮食、体力活动锻炼后提高了miR-126在血清中水平[35]。

研究数据表明血浆中的miRNAs是病理状态下有用的预测工具。临床miRNAs用来预防和治疗疾病的介入需要进一步研究。

7总结

MiRNAs参与机体各种生理过程，对刺激发生反应，作为重要的候选小分子研究体力活动后的适应机制。骨骼肌中miRNAs变化对骨骼肌生理适应尤其是蛋白质的生物合成具有重要意义，循环血液中的miRNAs可随血液传送到身体各部位发挥作用。而研究抗阻运动后循环血液中miRNAs变化，有助于认识抗阻运动与循环miRNAs变化之间的关系，深入理解循环miRNAs变化对于抗阻运动后骨骼肌适应的生理意义。体力活动近期被认为是对于长期慢性退行性疾病潜在的预防工具，大量研究证实体力活动能够改变miRNAs水平，但是变化机制仍需进一步研究。运动导致的氧化应激可能是一个机制，能够改变骨骼肌中miRNAs水平。

MiRNAs作为潜在分子标志物，从体力活动角度研究miRNAs不仅可以用来监控身体训练状态，而且可以为预测和治疗疾病提供新的方向，从新的角度认识体力活动对于预防和治疗疾病的作用。

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第一作者简介：殷鑫(1993-)，男，江苏宿迁人，在读硕士，研究方向：运动生理学。

中图分类号：

文献标识码：A

文章编号：1005-0256(2016)07-0157-4

doi:10.19379/j.cnki.issn.1005-0256.2016.07.063

MircoRNAs And Physical Activity

Yin Xin1,2, Ma Jizheng2, Wang Wei2, Niu Jie2

Abstract:MircoRNAs(miRNAS) is a non-coding RNAs, which is highlyconversed, and it has an important regulatory function in a variety of cellular processes. The type, time and intensity of physical activity are all affected by miRNAs and produce different physiological adaptation. However, these physiological adaptation changes and specific mechanisms with a complex gene regulation are not clear. Physical activity related to miRNAs changes provides a new way to study the mechanism of circulation, muscle and tissue physiological adaptation in physical activity, which is helpful to the fine monitoring, evaluation and understanding of physical activity.

Key words:MircoRNA;physical activity; skeletal muscle;myomiR

1. Department of Exercise and Heath, Nanjing sports Institute, Nanjing 210014, Jiangsu，China;

2. The Research Center of Military Physical Adaptation Training, the Lab of Military Physical Conditioning and Motor Function Assessment，the PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, Jiangsu,China.