骨骼肌微小RNA介导运动调节骨骼肌代谢作用研究进展

刘昕萌 牛燕媚 傅力

天津医科大学医学技术学院康复医学系（天津300070）

1 miRNAs概述

microRNAs（miRNAs）是一类跨物种高度保守的小分子非编码RNA，大约由20～30 个核苷酸组成。miRNAs主要通过与靶mRNA的3’-非翻译区互补序列的碱基配对，在转录后调节基因表达，从而诱导mRNA裂解和翻译抑制[1，2]。miRNAs 最初在细胞核中转录为长达几千个碱基的初级转录本，称为初级miRNA（primiRNA）[2]。核糖核酸酶（RNase）Ⅲ内切酶（DROSHA）将pri-miRNA 切割成为miRNA 前体或前miRNA 的约60～70 个核苷酸的中间体[3]。输出蛋白5（exportin-5，XPO5）将前miRNA 从细胞核运输到细胞质，其中第二种RNaseⅢ内切酶Dicer1，将前miRNA 切割成约22 个核苷酸小片段的miRNA双链[1，4]。最终一条链被降解，而另一条链形成成熟miRNA[3]，后者与RNA 诱导的沉默复合物（RNA-induced silencing complex，RISC）的核糖核蛋白复合物相结合[3，5]。这种复合物能够识别和结合目标mRNA，导致其裂解或抑制蛋白质翻译[2]。

值得一提的是，miRNA 与mRNA 并不是一一对应的关系，每个miRNA 可调节数百个mRNAs，相反，mRNA 可同时被不同的miRNAs 作为靶标[6]。据估计，miRNAs控制着高达70% 的人类蛋白质编码基因的表达。鉴于其广泛的表达范围，miRNAs几乎参与生物界包括发育、细胞增殖、分化、细胞死亡、基因表达、信号转导等各种生理过程[2，7，8]。miRNAs 不仅在机体正常生理过程中发挥重要作用，还参与机体疾病发生和发展过程。例如，miRNAs在介导应激反应过程中发挥关键作用，包括细胞如何对环境变化作出反应。根据应激条件的不同，miRNAs 的生成可能会发生改变，从而影响靶mRNA的表达，以及miRNA-蛋白质复合物的活性和作用方式。重要的是，这些过程的失调与各种慢性疾病的发生发展密切相关[9，10]。

2 骨骼肌miRNAs

有研究表明，在骨骼肌表达的150 余种miRNAs中，有25%是骨骼肌特异性表达的，被归类为肌细胞miRNAs（myomiRNAs）[11]。肌肉特异性的miRNAs 决定了骨骼肌中由于制动、疾病、运动适应等各种原因造成的不同表型。比如，在肌肉特异性miRNAs 中，miR-1，miR-133，miR-206是目前被研究最多且最具有代表性的肌肉相关miRNAs，在肌肉发育和分化的调节中发挥重要作用[11]。以往研究表明，miR-1表达升高会使细胞凋亡增加，miR-133表达升高会使细胞凋亡减少，二者功能相反[12-15]。miR-206 是一种肌肉特异性的miR⁃NA，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[15]。此外，还有几种miRNAs 被证明与肥胖患者脂肪组织的炎症、氧化应激、细胞凋亡和胰岛素信号传导失调有关[16]。

虽然miRNAs 参与骨骼肌发育、再生和功能适应，但人们对miRNAs 调节骨骼肌质量的分子机制理解仍然有限。运动，营养和疾病影响出生后骨骼肌质量，也能调节骨骼肌miRNAs的表达[17]。

骨骼肌是机体餐后葡萄糖摄取的主要组织，也是消耗血液中超过70%葡萄糖的主要组织[12]。胰岛素抵抗与很多疾病的发展有关。例如，在2 型糖尿病患者出现的骨骼肌胰岛素抵抗，是心血管疾病发生和发展的关键危险因素[18，19]。有一些miRNAs 被认为是骨骼肌适应高血糖水平的调节因子。Huang等人研究发现，miR-24在糖尿病骨骼肌中被下调。因此，分裂原激活的 蛋 白 激 酶（mitogen activated protein kinases，MAPK）家族中的p38-MAPK（miR-24 靶点）水平的增加可能有助于骨骼肌通过刺激葡萄糖摄取来适应高糖耐量[20]。在另一种情况下，miR-106b 的过表达被证实可以抑制C2C12 肌管细胞的葡萄糖摄取，导致胰岛素抵抗。生物信息学分析确定线粒体融合蛋白2（mito⁃fusin2，Mfn2）是miR-106b 的潜在靶点，通过使用miR-106b模拟抑制其报告基因活性和蛋白质水平，证实了Mfn2 是miR-106b 的潜在靶点。此外，有研究表明过表达miR-106b 可导致细胞线粒体功能障碍。相反，采用微小RNA 海绵技术（microRNA sponge）抑制miR-106b 或转染空载慢病毒的C2C12 肌细胞线粒体形态和功能则有所改善，可抵抗由肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）诱导的细胞胰岛素抵抗[17]，提示miR-106b 在调节骨骼肌胰岛素敏感性和线粒体功能中可能起重要作用。也有研究发现，miR-486 能调节骨骼肌等代谢组织的胰岛素依赖性葡萄糖摄取，这可能与循环miR-486 和最大摄氧量之间的负相关有关[21]。

3 运动对骨骼肌miRNAs水平的影响

运动对整个生命周期的肌肉健康至关重要。有氧运动在维持全身能量代谢方面发挥了重要作用，主要是通过骨骼肌对代谢底物的摄取、储存和氧化[22]。另一方面，抗阻运动是一种强有力的合成代谢刺激，可促进肌肉蛋白质合成和肌肉生长。由于miRNAs 影响很多细胞内网络，目前越来越多的研究开始探究miRNAs在骨骼肌运动适应中的作用。

图1 与抗阻运动和有氧运动相关的骨骼肌miRNAs[21，23-26]

3.1 抗阻运动

抗阻运动可通过胰岛素样生长因子1（insulinlike growth factor 1，IGF-1）-磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）- 丝氨酸/苏氨酸激酶Akt（Akt）途径来增加蛋白质合成而引起肌肉体积增加。IGF-1是一种促进生长的因子，参与骨骼肌的生长和再生，能与其受体的结合触发细胞内信号通路，最终引起Akt 的酪氨酸残基磷酸化[1，26，27]。Akt 反过来作用于包括叉头转录因子（forkhead box transcrip⁃tion factor，FoxO）家族在内的蛋白质，后者参与细胞增殖、凋亡、活性氧（reactive oxygen species，ROS）应答以及细胞周期和细胞代谢的调节[28，29]。Akt 磷酸化并抑制FoxO，从而抑制蛋白质降解。此外，Akt通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamy⁃cin，mTOR）刺激蛋白质合成，mTOR复合物由两种对雷帕霉素敏感性不同的多蛋白复合物mTOR 复合物1（mTORC1）和复合物2（mTORC2）组成，mTORC1的激活导致核糖体蛋白S6的磷酸化以及其它参与翻译起始和延伸的因子转录增加，从而引起蛋白质合成增加[1，28]。

在一项小鼠研究中，骨骼肌细胞肌肉特异性miR-1 和miR-133a 经一周抗阻训练后下调，并且相应的miRNA前体转录本和miRNA加工蛋白DROSHA和Ex⁃portin 5 的表达升高[30]。在人体抗阻训练后，骨骼肌miR-378、miR-29a 和miR-26a 下调，miR-451 上调，而其他15 个高表达miRNAs 无显著变化[17]。总之，这些miRNAs 可通过下调mTOR 通路中的负调控因子（如PTEN，P13K）来刺激mTOR信号传导，以应对抗阻运动的刺激[31]。据报道，老年男性和女性在12 周的抗阻或离心运动训练后骨骼肌miR-1 下调，同时促进骨骼肌生长的IGF-1 表达增加。虽然，每种运动形式都会导致骨骼肌不同的分子和结构适应，但miR-1 的变化可能反映了骨骼肌重塑，因为只有抗阻运动能增加骨骼肌横截面积[31]。

3.2 有氧运动

有氧运动又被称为耐力运动，会调动全身多个大肌群，增加氧气消耗[32]。长期有氧训练可诱导中枢和外周系统的许多生理适应，如心率降低和心脏每搏输出量增加以及促进快肌纤维向慢肌纤维的转化，线粒体生物合成增加[33]。研究表明，有氧训练与肌肉纤维中线粒体质量和最大摄氧量（VO2max）的增加有关[32]。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子（peroxi⁃some proliferator- activated receptor γ coactivator，PGC）家族在骨骼肌对耐力训练的适应中发挥重要作用，参与脂肪酸氧化、糖酵解和糖异生过程等多种代谢过程。其中PGC-1α和PGC-1β 主要调节线粒体的生物合成过程，并且各种miRNAs 也参与调节过程。当miR-696 和miR-23 水平在有氧运动中表达下降时，会上调PGC-1α 蛋白表达[33，34]。

在小鼠体内，有氧运动训练已被证明会上调骨骼肌中miR-181，miR-107，并下调miR-23[33]。据Nielsen等报道，人体经过12 周耐力训练，股外侧肌中几种肌肉特异性miRNAs（myomiRs），如miR-1，miR-133a，miR-133b和miR-206的表达水平显著下降，但在结束训练两周后，其表达水平又回到了训练开始前的水平[35]。但是，骨骼肌中这些肌肉特异性miRNAs的靶蛋白（Cdc42 和ERK1/2）与miRNA 表达并没有和预测的一致呈负相关[35]，因此，虽然骨骼肌miRNAs 对局部生理刺激产生反应，但其在人体骨骼肌对耐力训练的适应中所起的作用尚不明确。另有研究表明，血浆中miR-486 能调节骨骼肌等代谢组织的葡萄糖摄取。miR-486的表达增加通过直接影响人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源蛋白（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）和FoxO等负性途径调节因子的抑制来增强IGF1-PI3K-Akt信号通路的活性。通过刺激泛素-蛋白酶体系统和同时激活FoxO 转录因子家族而降低上述途径的活性可能加速肌肉蛋白质的降解[21，36]。

4 总结

尽管miRNAs是在二十多年前才被发现，但这一研究领域备受关注。已经证明miRNAs 无论是在正常的生理还是疾病病理过程中都有着重要的作用。而骨骼肌中的miRNAs参与了骨骼肌细胞的增殖、分化、凋亡，并且对骨骼肌线粒体功能有着重要的调节作用。运动作为预防慢性疾病的有效手段，大量研究证实运动能改变骨骼肌miRNAs 水平，但其具体作用机制尚不清楚。而研究运动后骨骼肌miRNAs 的变化，有助于认识运动与miRNAs 水平变化之间的关系，并进一步深入理解miRNAs 变化对于骨骼肌运动适应的生理意义。这将有望为未来深入研究更多的miRNAs 在蛋白质合成以及糖、脂代谢中的作用提供新思路。