肌肉特异性MicroRNA与肌肉减少症发病机制的关系研究进展

刘洪文　余博飞　李贞鹏

【摘要】肌肉减少症的发病机制主要包括激素的改变、运动神经元退化、线粒体功能障碍、长期低水平炎症和相关营养因子代谢失调等。MicroRNA特别是肌肉特异性MicroRNA（myomiR家族）在肌肉减少症的发病机制中发挥重要作用，可直接或间接对骨骼肌细胞的增殖、分化和凋亡进行调控。本文系统的讨论了myomiR家族在肌肉减少症中的调节机制，这可能为本病的精确诊断和寻找新的治疗靶点提供一种全新的思路。

【关键词】肌少症；发病机制；MicroRNA

Research Progress on the Relationship between Muscle-specific MicroRNA and Pathogenesis of Sarcopenia/LIU Hongwen，YU Bofei，LI Zhenpeng，et al.//Medical Innovation of China，2018，15（23）：-141

【Abstract】The mechanism of sarcopenia main including hormonal changes，motor neuron degeneration，mitochondrial dysfunction，chronic inflammation at low levels and metabolic disorder of related nutritional factors.The muscle specific MicroRNA（myomiR） family in MicroRNA，which plays a vital role in the mechanism of sarcopenia，it can directly or indirectly regulate the proliferation，differentiation and apoptosis of skeletal muscle cells.This paper systematically discusses the regulatory mechanism of the myomiR family in muscle reduction，which may provide a new idea for the accurate diagnosis of the disease and the search for new therapeutic targets.

【Key words】Sarcopenia；Pathogenesis；MicroRNA

First-authors address：Department of Traditional Chinese Medicine，Fujian University of Traditional Chinese Medicine，Fuzhou 350001，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2018.23.036

肌肉减少症是指随着年龄的增加以骨骼肌质量和力量减退为特征，以骨骼肌萎缩导致的运动功能障碍为临床表现的一种老年综合征，又称年龄相关性肌肉减少症，简称肌少症。骨骼肌力量的下降是本病最主要的问题，可导致机体虚弱、心肺功能受损、增加跌倒骨折的风险，肌少症被认为是一种新的老年综合征[1]；2016年亚洲肌少症工作组数据显示：亚洲老年人肌少症的患病率为4.1%~11.5%，而且发病率随着年龄的增加而增加，但肌少症带来的危害尚未引起广大临床医生和社会足够的重视[2]。MicroRNA（miRNA）被誉为21世纪最具希望进行靶向诊断和治疗的小分子RNA[3]，对骨骼肌的生长、发育和代谢平衡具有关键的调控作用；miRNA的表达谱显示：miRNA对骨骼肌形态和功能的维持都有重要的调控作用[4]。本文就肌少症发病机制的最新研究进展及其与miRNA的关系做一综述。

1肌少症发病机制研究现状

肌少症的病理特征是骨骼肌细胞的萎缩；骨骼肌卫星细胞是骨骼肌的前体细胞，一般处于沉默状态，在骨骼肌细胞受刺激的情况下参与它的再生与修复，如骨骼肌细胞受损时肌卫星细胞会加快增殖、分化的速度。正常人骨骼肌细胞的数量在体内维持代谢平衡，生成減少或凋亡过快均可打破此平衡，引起骨骼肌萎缩，导致运动功能障碍。

1.1激素的改变肌少症涉及的激素主要有雌激素、睾酮、IGF-1、胰岛素和生长激素等。正常男性30岁以后睾酮水平开始下降（1%/年），并且骨骼肌的数量和力量也开始下降，对低睾酮水平引起肌少症的老年男性补充足量的睾酮，其骨骼肌数量和力量可以恢复至正常水平，但有较大副作用[5]。雌激素、IGF-1和生长激素都会随着年龄的增长逐渐降低；在老年女性中，大多肌少症患者都有雌激素水平的下降，雌激素水平的下降可能与TNF-α和IL-6等促炎因子相关，此外，雌激素在骨骼肌细胞上有直接的作用靶点，并对体内蛋白的合成有调节作用[6]。IGF-1主要与骨骼肌细胞的增殖有关，并且对维持骨骼肌卫星细胞和运动神经元的功能有重要作用；生长激素可以促进骨骼肌细胞的增殖，但对骨骼肌力量的改善没有太大作用[7]。通过刺激蛋白的合成，胰岛素对骨骼肌纤维细胞量的维持有重要作用，肌少症患者，特别是肥胖型肌少症，大多存在胰岛素抵抗。

1.2运动神经元退化运动神经元是维持机体运动功能的基础，有数据显示：大约25%的肌少症患者明显存在运动神经元的退化并且有神经芽性生长进行代偿，运动神经元生物活性的退化是主要问题[8]。最近的研究证明，老年小鼠与年轻小鼠相比失神经支配的神经-肌肉节点显著增加，特别是在趾长伸肌腱等Ⅱ型肌纤维中，值得注意的是：运动神经元在脊髓中的失神经支配区域并没有增大，表明可能是轴突的减少而不是神经元本身的问题[9]。

1.3线粒体功能障碍随着年龄的增加，线粒体的质量和数量也会逐渐下降；线粒体生物活性在健康老年人中被证实与ATP的合成、O2的消耗和行走速度密切相关[10]，线粒体的减少可导致行走速度的降低，因此有学者认为应该把行走速度也纳入肌少症的界定标准。线粒体的重要作用主要体现在能量的供应、维持氧化-还原平衡和蛋白的合成起调节作用，对维持骨骼肌细胞的生物活性有非常重要的作用[11]；另外，其功能还与长期慢性炎症相关联，线粒体可以通过对氧化物、NF-κB通路和ATP的调节进而介导体内的炎症水平和骨骼肌细胞的自噬水平[12]。

1.4长期低水平炎症随着年龄的增加骨骼肌细胞生成减慢、凋亡加快，打破骨骼肌细胞代谢平衡逐渐引起骨骼肌萎缩，这也是炎症调节因子逐渐释放的一个过程，这些因子可抑制蛋白合成、加速降解，而且可以直接作用于骨骼肌细胞，加速骨骼肌细胞的凋亡[13]；炎症因子可以刺激和上调炎症信号通路如NF-κB和JAK-STAT通路，并最终活化骨骼肌泛素-自噬系统[14]。长期的炎症具有双向的促炎作用，随骨骼肌逐渐破坏而释放的炎症因子不仅可以增加炎症因子的表达并且可以抑制抗炎因子如IL-10的表达；研究发现TNF-α、IL-6和C反应蛋白等几个特殊的炎症因子在炎症导致的肌少症中发挥主要作用[12]。

1.5蛋白质、维生素D（Vitamin D）和抗氧化营养物等营养因子代谢失调营养供给不足和营养吸收障碍均可引起骨骼肌萎缩；在众多营养因子中Vitamin D、蛋白质和抗氧化物与肌少症有密切的联系。老年人通常会有一定程度的蛋白合成障碍、Vitamin D摄取能力下降和体内活性氧簇（ROS）的堆积。Vitamin D被认为与肌钙蛋白的合成和免疫应答相关[15]；Pludowski等[16]发现Vitamin D对体内Ca2+的调节具有协同作用，Vitamin D的缺乏会导致骨软化病和肌肉疾病；此外Vitamin D的充足供给可降低骨骼肌细胞的自噬水平和泛素-蛋白酶体系统的表达[17]。蛋白的摄入被认为是通过维持氨基酸介导的雷帕霉素复合物1（mTORC1）的合成代谢来完成对骨骼肌蛋白合成的调控作用，下调mTORC1的活性可以抑制Akt、mTOR、p70S6K和rpS6的磷酸化并降低骨骼肌蛋白的活性[18]。正常情况下，氧化机制与抗氧化机制在体内维持动态平衡状态；而抗氧化机制发挥作用离不开从饮食中获取的Vitamin E、

Vitamin C和胡萝卜素等；在老年人群中ROS在体内的堆积导致的氧化应激可能是引起骨骼肌细胞数量和功能下降的一个重要原因。

2miRNAs的生物学特征

miRNA是长约22个核苷酸的非编码单链小RNA分子；初始miRNA（pre-miRNA）被核酸内切酶Ⅲ-Drosha及其辅助子DGCR8加工复合物识别、并加工形成长60~75个核苷酸的前体miRNA（pri-miRNA），pri-miRNA被核内转运蛋白（exportin-5）转运出细胞核进入细胞质，被第二个核酸内切酶Ⅲ-Dicer蛋白识别、加工形成约22个核苷酸的单链成熟miRNA，功能成熟的miRNA结合RISC复合物识别目标mRNA并进行部分碱基配对，导致目标mRNA降解和翻译终止；miRNA即通过此过程发挥其调控作用，miRNA主要通过与靶基因的3端非翻译区（3-UTR）的结合来表达[19]；随着越来越多的miRNA被发现，它们在生物学中的作用越来越受到重视，miRNA的调控网主要涉及转录后的调控，但是miRNA、mRNA与它们导致疾病的具体分子机制和治疗策略之间的关系仍然不是很清楚。miRNA调控着大量的靶标基因，目前的研究证明miRNA的调控作用非常复杂，一个miRNA能有数以百计的靶基因，同时一个mRNA也可能被多个miRNA调控。对miRNA的研究已经涉及肿瘤、心血管疾病、免疫性疾病和代谢性疾病等各临床疾病，同时在运动系统领域的研究也日渐深入，miRNA对骨骼肌细胞代谢平衡的调节作用逐渐被发现。

3miRNA在肌少症中的调控作用

特异性的在骨骼肌中表达的miRNA被称为肌肉特异性miRNA（myomiR），myomiR家族主要包括miR-1、miR-133a、miR-133b、miR-206、miR-208a、miR-208b、miR-486和miR-499等，是参与骨骼肌細胞增殖、分化和凋亡的主要miRNA，myomiR表达障碍会导致不同的生理、病理状态。并不是所有的myomiR都只在骨骼肌细胞中表达，myomiR也在其他组织中呈低表达，但主要作用还是在肌肉组织。myomiR并不是唯一在骨骼肌中表达的miRNA，其他miRNA如miR-431、miR-221和miR-222等都可以参与肌骨骼肌细胞的调控，所以，miRNA对骨骼肌细胞的调控是多通路，相互交叉、相互作用的。

miR-1主要通过mTOR信号通路实现对MyoD1蛋白表达水平的调控，而miR-1也可以直接作用与MyoD1蛋白对肌肉生长抑制素（MSTN）进行抑制[20]。miR-1与某些靶标之间可以相互影响，如miR-1可以提高靶标MEF2的表达水平，MEF2也会上调miR-1的表达水平[21]；而涉及骨骼肌生长发育和代谢平衡的IGF-1可以通过IGF1-Akt-FOXO3-miR-1轴调控miR-1的表达。miR-1和miR-206可通过控制6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PD）实现对肌肉氧化水平和代谢平衡的调控，此外，miR-1和miR-206可以诱导MEF2C的表达，促进成肌细胞分化，也可以直接促进骨骼肌卫星细胞增殖、分化[22]。miR-133a/b在肌肉中的表达作用具有双向性，miR-133a/b可以通过对MAPK通路和下游的成纤维细胞生长因子受体1（FGFR1）和蛋白磷酸酶2A催化亚单位（PP2AC）进行双向调控，促进或抑制成肌细胞的分化[20]；Dai等[23]发现miR-133a

基因敲除的小鼠，表現出中央核肌病、线粒体功能障碍和肌纤维形态的改变，最后骨骼肌细胞逐渐凋亡；miR-208a、miR-208b和miR-499共同被编码在MYH6、MYH7和MYH7B这三个肌球蛋白基因上，它们共同对肌球蛋白含量、肌纤维形态和肌肉的功能进行调控，miR-208b和miR-499可以共同调控抑制骨骼肌细胞增殖的靶标丝裂原活化蛋白激酶6（MAPK6）和MSTN[24]；此外，miR-208b和miR-499可以通过刺激MYH7和MYH7B的表达，活化雌激素相关受体γ，促进I型肌纤维增殖[25]。miR-486对骨骼肌细胞的作用主要是促进其增殖，miR-486通过直接作用于靶标Pax7促进肌干细胞分化，然而miR-486的异常表达会抑制肌干细胞分化的能力，但miR-486的过表达可以提升骨骼肌的力量[26]。

MicroRNA与肌肉减少症发病机制的关系总结，见图1。

4总结与展望

肌少症作为一种新认识的老年综合征，发病机制十分复杂，其诊断标准目前在国际上尚未达成一致，主流观点认为可从骨骼肌质量和力量两方面来界定。miRNA广泛参与骨骼肌细胞代谢通路中，特别是myomiR家族对调节骨骼肌细胞的代谢平衡发挥重要作用，myomiR家族主要在骨骼肌中表达，伴随肌少症发生、发展全过程，那么是否可以将myomiR家族出现持续、异常的表达作为诊断肌少症的一个参考指标[27]，这需要对myomiR家族及其他相关miRNA的功能做进一步的研究。

营养支持疗法和长期康复锻炼是目前治疗肌少症的主要方案，其他治疗手段包括激素替代疗法、抗炎和抗氧化治疗等；如果肌少症患者在中青年时期获得一个比较高的骨骼肌峰值，肌少症的患病率是否可能下降？这是值得思考的问题。Matsuzaka等[28]发现，对骨骼肌受伤的小鼠局部注射miR-1、

miR-133和miR-206可以上调生肌因子MyoD1、myogenin和Pax7的表达提高骨骼肌卫星细胞的分化能力，这表明利用miRNA调节骨骼肌细胞增殖、分化和凋亡机制，促进骨骼肌细胞再生、抑制提前凋亡，可能为肌少症的治疗提供一种全新的方法。

参考文献

[1] Cesari M，Nobili A，Vitale G.Frailty and sarcopenia：from theory to clinical implementation and public health relevance[J].European Journal of Internal Medicine，2016，35：1-9.

[2] Chen L K，Lee W J，Peng L N，et al.Recent Advances in Sarcopenia Research in Asia：2016 Update from the Asian Working Group for Sarcopenia[J].J Am Med Dir Assoc，2016，17（8）：e761-767.

[3] Zhonghan Li，Tariq M R.Therapeutic targeting of microRNAs：current status and future challenges[J].Nature Reviews Drug Discovery，2014，13（8）：622-638.

[4] Mcgregor R A，Poppitt S D，Cameronsmith D.Role of microRNAs in the age-related changes in skeletal muscle and diet or exercise interventions to promote healthy aging in humans[J].Ageing Research Reviews，2014，17（9）：25-33.

[5] Morley J E，Malmstrom T K.Frailty，sarcopenia，and hormones[J].Endocrinology & Metabolism Clinics of North America，2013，42（2）：391-405.

[6] Ogawa S，Yakabe M，Akishita M.Age-related sarcopenia and its pathophysiological bases[J].Inflammation & Regeneration，2016，36（1）：17.

[7] Rodriguez J，Vernus B，Chelh I，et al.Myostatin and the skeletal muscle atrophy and hypertrophy signaling pathways[J].Cellular & Molecular Life Sciences Cmls，2014，71（22）：4361-4371.

[8] Drey M，Grosch C，Neuwirth C，et al.The Motor Unit Number Index（MUNIX） in sarcopenic patients[J].Exp Gerontol，2013，48（4）：381-384.

[9] Rudolf R，Khan M M，Labeit S，et al.Degeneration of neuromuscular junction in age and dystrophy[J].Frontiers in Aging Neuroscience，2014，6：99.

[10] Coen P M，Jubrias S A，Distefano G，et al.Skeletal muscle mitochondrial energetics are associated with maximal aerobic capacity and walking speed in older adults[J].Journals of Gerontology，2013，68（4）：447-455.

[11] Marzetti E，Calvani R，Cesari M，et al.Mitochondrial dysfunction and sarcopenia of aging：from signaling pathways to clinical trials[J].Int J Biochem Cell Biol，2013，45（10）：2288-2301.

[12] Fan J， Kou X， Yi Y， et al. MicroRNA-Regulated Proinflammatory Cytokines in Sarcopenia[J]. Mediators of Inflammation，2016：1-9.

[13] White J P， Puppa M J， Gao S， et al. Muscle mTORC1 suppression by IL-6 during cancer cachexia： a role for AMPK.[J]. Am J Physiol Endocrinol Metab， 2013， 304（10）：E1042-E1052.

[14] Mcintire K L，Chen Y，Sood S，et al.Acute uremia suppresses leucine-induced signal transduction in skeletal muscle[J].Kidney International，2014，85（2）：374-382.

[15] Bouillon R，Gielen E，Vanderschueren D.Vitamin D receptor and vitamin D action in muscle[J].Endocrinology，2014，155（9）：3210-3213.

[16] Pludowski P，Holick M F，Pilz S，et al.Vitamin D effects on musculoskeletal health，immunity，autoimmunity，cardiovascular disease，cancer，fertility，pregnancy，dementia and mortality-a review of recent evidence[J].Autoimmunity Reviews，2013，12（10）：976-989.

[17] Ceglia L，Niramitmahapanya S，Da S M M，et al.A randomized study on the effect of vitamin D- supplementation on skeletal muscle morphology and vitamin D receptor concentration in older women[J].Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism，2013，98（12）：E1927-E1935.

[18] Margolis L M， Rivas D A， Maria B， et al. Prolonged Calorie Restriction Downregulates Skeletal Muscle mTORC1 Signaling Independent of Dietary Protein Intake and Associated microRNA Expression[J]. Frontiers in Physiology， 2016， 7（413）.

[19] Dalmay T.Mechanism of miRNA-mediated repression of mRNA translation[J].Essays in Biochemistry，2013，54：29.

[20] Mitchelson K R，Qin W Y.Roles of the canonical myomiRs miR-1，-133 and-206 in cell development and disease[J].World Journal of Biological Chemistry，2015，6（3）：162-208.

[21] Nariyama M，Mori M，Shimazaki E，et al.Functions of miR-1 and miR-133a during the postnatal development of masseter and gastrocnemius muscles[J].Molecular & Cellular Biochemistry，2015，407（1-2）：17-27.

[22] Koning M，Werker P M，Dw V D S，et al.MicroRNA-1 and microRNA-206 improve differentiation potential of human satellite cells：a novel approach for tissue engineering of skeletal muscle[J].Tissue Engineering Part A，2012，18（9-10）：889-898.

[23] Dai Y，Wang Y M，Zhang W R，et al.The role of microRNA-1 and microRNA-206 in the proliferation and differentiation of bovine skeletal muscle satellite cells[J].In Vitro Cellular & Developmental Biology-Animal，2016，52（1）：1-8.

[24] Siddique B S，Kinoshita S，Wongkarangkana C，et al.Evolution and Distribution of Teleost myomiRNAs：Functionally Diversified myomiRs in Teleosts[J].Marine Biotechnology，2016，18（3）：436-447.

[25] Gan Z，Rumsey J，Hazen B C，et al.Nuclear receptor/microRNA circuitry links muscle fiber type to energy metabolism[J].Journal of Clinical Investigation，2013，123（6）：2564-2575.

[26] Alexander M S，Casar J C，Motohashi N，et al.MicroRNA-486-dependent modulation of DOCK3/PTEN/AKT signaling pathways improves muscular dystrophy-associated symptoms[J].Journal of Clinical Investigation，2014，124（6）：2651-2667.

[27] Altana V，Geretto M，Pulliero A.MicroRNAs and Physical Activity[J].Microrna，2015，4（2）：74-85.

[28] Matsuzaka Y，Tanihata J，Komaki H，et al.Characterization and Functional Analysis of Extracellular Vesicles and Muscle-Abundant miRNAs （miR-1，miR-133a，and miR-206） in C2C12 Myocytes and mdx Mice[J].PLoS One，2016，11（12）：e0167811.

（收稿日期：2018-03-14）（本文編辑：张爽）