MicroRNA介导的营养因子对肌肉减少症的作用

刘洪文余博飞 徐杰

(1福建中医药大学中医骨伤及运动康复教育部重点实验室，福建 福州 350001；2福建医科大学省立临床医学院 福建省立医院骨科)

肌肉减少症又称年龄相关性肌肉减少症，简称肌少症。2016年亚洲肌少症工作组的数据表明，亚洲老年群体肌少症的患病率为4.1%～11.5%，而肌少症与营养不良密切相关〔1〕；肌少症的发病机制复杂，主要包括长期慢性炎症积累、胰岛素抵抗、线粒体功能障碍、运动神经元退化、与年龄相关的激素代谢紊乱和遗传因素等〔2,3〕。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，miRNA有大量的靶基因，人体约60%的基因受到miRNA调控〔4〕,miRNA可通过抑制或促进mRNA表达来实现对靶细胞的调控，对骨骼肌生长、发育和代谢平衡具有关键的调控作用。miRNA调控营养因子代谢的机制和在肌少症发病机制中的作用研究近年来已经掀起热潮，根据对miRNA表达谱的分析，miRNA对机体营养吸收、转化及骨骼肌形态和功能的维持都有关键的调控作用〔5〕。

1 肌少症与营养代谢系统

1.1 肌少症与营养不良 长期慢性炎症、胰岛素抵抗和线粒体功能障碍等均可导致机体蛋白摄入量的减少，使骨骼肌能量供给不足，导致骨骼肌细胞代谢失衡，最终导致骨骼肌细胞数量和功能减退〔6〕。必须注意的是有众多通路可引起骨骼肌萎缩，而各通路相互交叉相互影响，但对骨骼肌营养的供给是各通路的一个交叉点〔7〕。因此，充足的营养供给对延缓和治疗肌少症至关重要。从饮食中摄入的众多营养因子中维生素(vitamin)D、蛋白质和抗氧化物与肌少症有密切的联系〔8〕，见图1。

图1 microRNAs、营养因子、肌少症关系

1.2 相关营养因子与肌少症

1.2.1 vitamin D vitamin D被认为与肌钙蛋白的合成、骨骼肌细胞的增殖、分化、代谢和免疫应答相关〔9〕。有研究证明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〔10〕；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〔11〕。在基因层面，vitamin D可以提高一系列蛋白的转录水平和钙的代谢水平，但是vitamin D供给不足导致骨骼肌质量和力量减退的具体机制目前仍存在争议，其机制可能涉及基因组学和非基因组学。vitamin D受体(VDR)与骨骼肌的强度相关，在VDR基因敲除的大鼠骨骼肌纤维发生了明显的萎缩，并且产生了运动功能障碍，然而VDR调节肌肉形态和功能的机制仍不清楚〔12〕。Close等〔13〕一项人体试验中，对运动员充足的vitamin D供给可明显改善运动员的表现，低水平的vitamin D供给组运动表现与高vitamin D供给组相比存在显著差异,这说明充足的vitamin D供给可改善骨骼肌的功能;Bauer等〔14〕对肌少症的老年患者给予13 w充足的vitamin D和氨基酸治疗，结果显示骨骼肌萎缩情况和骨骼肌力量得到显著改善，患者的生活质量得到显著提高。

1.2.2 食物蛋白 饮食中获取的蛋白质为肌肉蛋白的合成提供必需氨基酸，减少蛋白摄入会损害机体功能，增加蛋白的摄入被认为是通过维持氨基酸介导的雷帕霉素(mTOR)复合物(mTORC)1的合成代谢来完成对骨骼肌蛋白合成的调控作用，下调mTORC1的活性可以抑制蛋白激酶B(AKT)、mTOR、p70S6K和rpS6的磷酸化并降低骨骼肌蛋白的活性〔15〕；研究表明，充足的亮氨酸供给可以增加骨骼肌细胞的数量，改善骨骼肌的力量和失用性表现，维持骨骼肌细胞的代谢平衡，但其具体机制目前尚不清楚〔16〕。老年机体对蛋白摄取的敏感度随着年龄的增长逐渐下降，充足的蛋白供给被证实可以提高瘦体重的重量并改善机体的运动功能，因此，有研究者指出应当提高老年人蛋白质的补充量，以维持体内蛋白代谢平衡；值得一提的是，骨骼肌的流失可能会影响肌肉蛋白的合成，由此产生肌肉蛋白合成障碍-骨骼肌流失-肌肉蛋白合成障碍的恶性循环〔17〕。

1.2.3 抗氧化营养物 氧化应激损伤标志物可由片段DNA、脂质和蛋白在细胞氧化损伤过程中产生〔18〕。正常情况下，氧化机制与抗氧化机制在体内保持动态平衡状态，而抗氧化机制的正常发挥有赖于从饮食中获取的vitamin E、vitamin C和胡萝卜素等。老年人群中活性氧(ROS)在体内积累引起的氧化应激可能是导致骨骼肌细胞数量和力量下降的一个重要原因〔19〕。Yan等〔20〕发现高水平的氧化应激会抑制肌肉蛋白合成，在饥饿状态下，ROS可以提高骨骼肌自噬体在体内的正常表达水平，而抗氧化营养物的调节作用可以通过PI3K/AKT通路对骨骼肌自噬体进行抑制。

2 miRNA介导的营养因子在骨骼肌细胞代谢中的机制

2.1 miRNA的生理和功能 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、并加工形成长为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RNA介导沉默复合物(RISC)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；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，对miRNA的作用机制进行更深层次和更广范围的探索，将为揭示miRNA调控骨骼肌营养不良的作用机制奠定基础〔21〕。

2.2 miRNA介导的营养因子与骨骼肌细胞的代谢平衡

2.2.1 miRNA与vitamin D miRNA与vitamin D可相互影响；Karkeni等〔22〕发现,vitamin D可通过核因子(NF)-κB信号通路抑制P65和IκBD磷酸化水平进而对miR-146a,miR-150和miR-155的表达水平进行调控，加大vitamin D的供给可以提高miR-146a，miR-150和miR-155在小鼠体内的表达水平，使小鼠饮食量增加。调节饮食的供给成分可以影响miR-21，miR-181b，miR-663，miR-30，miR-155 和 miR-34a在血细胞中的表达水平，从而调控炎症相关的信号通路，这被认为对控制慢性炎症是一种有潜在治疗意义的方法〔23〕;Sriram等〔24〕发现miR-346介导的VDR表达可对体内肿瘤坏死因子(TNF)-α和NF-κB信号通路进行抑制，而Mohri等〔25〕发现miR-125b对人体VDR转录后表达进行调控，miR-125b的过表达显著降低VDR的表达水平。

2.2.2 miRNA与蛋白质 大量miRNA被证明在肌肉蛋白的合成中发挥重要作用；在青年和老年人群中，miR-99和-100家族可通过调控AKT-mTOR信号通路对骨骼肌细胞的数量和力量进行调节，miR-99和miR-100的低表达可以增加mTORC1表达；Margolis等〔15〕发现miR-99和-100家族的过表达可以抑制mTORC1通路的蛋白翻译和基因表达水平，从而下调骨骼肌细胞的再生通路。miR-16在瘦体重中与蛋白的合成密切相关，miR-16表达可以对骨骼肌细胞中蛋白的代谢效率进行干预，在饥饿状态下miR-16的过表达可以降低蛋白的合成，进一步影响mTOR和p70S6K1等因子的代谢并且提升骨骼肌细胞的自噬水平，而miR-16的弱表达则作用相反〔26〕；Mcgregor等〔27〕发现miR-1、miR-206、miR-499在餐后3 h呈高表达，表明这几个miRNAs可能与氨基酸在体内的代谢水平有关。

2.2.3 miRNA与抗氧化营养物 氧化还原敏感的转录因子——NF2相关因子(Nrf2)是调节抗氧化酶的一个关键因子，miRNA可以对Nrf2介导的基因表达和生成氧自由基(ROS)的关键酶同时进行调节，而miRNA对Nrf2和ROS进行调节时，它们之间可相互影响〔28〕。miR-153、miR-27a、miR-142-5p和miR-144等被证明涉及Nrf2水平的下调〔29〕，在细胞内增加miR-144的表达可以减弱Nrf2 mRNA在细胞内抗氧化作用的表达，上调miR-144的表达可能涉及Nrf2参与细胞疾病的进程〔30〕。在人微血管内皮细胞敲除Dicer蛋白的基因点位，降低了ROS对TNF-α和血管内皮生长因子的表达水平，但一些特异性的miRNA对ROS的调控至今仍不明确〔31〕。此外，miR-21可以增加线粒体的活性，同时加快ROS的生成，表明miRNA可能通过结合特点基因点位和调节线粒体活性从而对ROS进行调控〔32〕。

3 总结与展望

肌少症的发病机制与不同的营养因子相关联，因为这些营养因子在骨骼肌细胞增殖、分化和凋亡过程中广泛表达,表明肌少症与长期的营养不良有直接的联系。miRNA介导的营养因子广泛参与骨骼肌细胞代谢通路中，对调节骨骼肌细胞的代谢平衡发挥关键作用。相关的miRNA例如miR-140-5p、miR-122、 miR-193a-5p、miR-16-1、miR-221和miR-199a-3p 被认为与骨骼肌代谢性疾病密切相关，经常在骨骼肌代谢性疾病中被检测到呈异常表达〔33〕，而miR-935,miR-4772,miR-874,miR-199b,miR-766,miR-589 和miR-148b的表达水平与体重的减轻直接相关，然而其具体作用及与相关营养因子之间的作用机制仍然不清楚〔34〕；miRNA是否可以作为营养不良导致的肌少症诊断标志物和靶向治疗的靶点需要对其生物学特性进行更多的研究。