運動和MicroRNAs

馬繼政 ， 孫 飆

運動特異性適應(yīng)的原則是運動訓(xùn)練學(xué)的基石。進(jìn)行長期訓(xùn)練，肌體適應(yīng)表現(xiàn)是多層次的，涉及到細(xì)胞、組織、器官以及系統(tǒng)水平。運動誘導(dǎo)分子適應(yīng)機(jī)制是一個十分復(fù)雜的過程，其中涉及到一些特異的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，啟動DNA復(fù)制，轉(zhuǎn)錄翻譯形成新的蛋白[1]。這些生理性適應(yīng)的變化受到個體的起始水平、遺傳背景、運動方式、運動量、強(qiáng)度、頻率和蛋白的半衰期所決定[2,3]，其中最重要的是運動訓(xùn)練誘導(dǎo)的適應(yīng)具有刺激方式的特異性。長時間的耐力可誘導(dǎo)大量分子代謝和形態(tài)上的改變，包括：線粒體的生物合成、快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)換和新陳代謝基質(zhì)的變化。相反，大強(qiáng)度抗阻力訓(xùn)練誘導(dǎo)適應(yīng)主要為肌肉肥大和最大力量的生成[2]。不同的訓(xùn)練方式誘導(dǎo)適應(yīng)的分子機(jī)制是不同的，激活各自特異的信號通路和相關(guān)的基因。盡管存在可見形態(tài)和功能上的變化，但分析個體對訓(xùn)練產(chǎn)生的反應(yīng)時，研究結(jié)果存在較大的誤差。有證據(jù)顯示運動誘導(dǎo)的生理性適應(yīng)與基因表達(dá)平衡，但是，基因間相互作用的復(fù)雜性限制了發(fā)現(xiàn)個體基因來解釋這一誤差。另外，基因表達(dá)的變化相應(yīng)地根據(jù)機(jī)體受到的刺激而變化，在這方面MicroRNAs（miRNAs）的相關(guān)研究可能起到重要的作用。

1 MicroRNAs

對于外部的刺激（如運動），可通過不同的機(jī)制調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，包括miRNAs， miRNAs是1993年發(fā)現(xiàn)一類長度為2l～25nt的單鏈RNA，屬于非編碼蛋白RNA，廣泛存在于生物界，其表達(dá)具有組織和時期特異性，其中一些miRNAs在進(jìn)化上有很高的保守性[4]。不象人類基因組眾多的RNAs，這些小RNA具有獨特的能力，調(diào)節(jié)基因表達(dá)的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。目前，已知miRNAs由特定的基因，或特定基因區(qū)域（和編碼蛋白的區(qū)域無關(guān)）合成[5]，miRNAs成熟過程涉及到復(fù)雜的代謝過程：起始于細(xì)胞核，然后轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)（圖1）[6]。第一步是從特定的基因轉(zhuǎn)錄生成較長的初級miRNA鏈，由Drosha酶復(fù)合物酶切，釋放前體，稱為前體miRNA，不同于miRNA[6]。在核質(zhì)/細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白Exportin-5的作用下，從核內(nèi)運輸?shù)桨|(zhì)中，由在Dicer酶的作用下，前體miRNA被剪切成約22個核苷酸長度的雙鏈miRNA。雙鏈miRNA分離，其中一個充當(dāng)功能性的miRNAs，另一條鏈一般降解[7]。

成熟形式miRNAs，在RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體（RNAInduced Silencing Complex， RISC）幫助下，結(jié)合目標(biāo)mRNA。這一結(jié)合阻止核糖體識別mRNA含有的遺傳信息，導(dǎo)致目標(biāo)基因的蛋白合成下降[8]。通常，功能性的miRNAs辨認(rèn)RISC，結(jié)合目標(biāo)mRNA。研究表明單一miRNA可調(diào)節(jié)數(shù)百個截然不同的基因，另外可共同合作控制單一基因[4]。人類miRNA發(fā)現(xiàn)已超過700個，盡管對miRNAs生物功能認(rèn)識并不完全清楚[6,8]，但據(jù)估計miRNAs調(diào)節(jié)哺乳動物的30%～60%基因[6]。

圖1 哺乳細(xì)胞miRNA生物合成的示意圖[6]Figure 1 Biosynthesis of Mammalian Cells miRNA

2 MicroRNAs和運動

運動、懷孕和個體生長可作為刺激物促進(jìn)心臟增長。在19世紀(jì)中期，發(fā)現(xiàn)了“運動員心臟”[9]。最近，由于運動多方面的益處，以及不運動產(chǎn)生的危害，致使運動作為一個治療手段來治療心臟病，包括業(yè)已表現(xiàn)出病理性增加心室重量的左室收縮失調(diào)[10]。研究發(fā)現(xiàn)miRNAs在生理性的心肌肥大和病理性的心肌肥大表達(dá)存在不同[11]。

骨骼肌同樣是一個具有適應(yīng)性的器官，具有非凡的適應(yīng)能力，能夠通過細(xì)胞自動調(diào)節(jié)而對機(jī)械負(fù)荷發(fā)生反應(yīng)。動物試驗研究業(yè)已發(fā)現(xiàn)有氧和力量訓(xùn)練特異骨骼肌miRNAs表達(dá)變化（見表1）。

表1 運動對microRNA產(chǎn)生的影響（動物試驗研究）TTaabbllee Ⅰ Effects of Exercise on microRNA (Animal studies)

一些miRNAs表達(dá)于骨骼肌，miRs-1、 -133a、 -133b和 -206占其中的25%，這些miRNAs通常被認(rèn)為是“促肥大”[16]。健康人群，12周耐力訓(xùn)練這4個miRNAs顯著下降，表明這些miRNAs可根據(jù)身體活動的水平的變化進(jìn)行調(diào)整，14天后回歸到正常水平，評估單一的運動反應(yīng)時，僅miRs-1和 -133a增加[17]。力量訓(xùn)練，個體獲得肌肉的重量的變化存在較大的差異，常伴隨著不同miRNAs的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)12周力量訓(xùn)練，訓(xùn)練變化較小的個體miR-378表達(dá)下降，miR-478表達(dá)增加。另外，miR-378變化和瘦體重密切相關(guān)[16]。

表2 運動對microRNA產(chǎn)生的影響（人體試驗研究）TTaabbllee Ⅱ Effects of Exercise on microRNA (Human studies)

關(guān)于循環(huán)血液miRNAs變化，Baggish等人[18]研究發(fā)現(xiàn)運動誘導(dǎo)的相關(guān)的miRNAs的變化，如血管生成（miR-20a、 miR-210、miR- 221、miR-222和 miR-328）、 炎 癥（miR-21和 miR-146a）、心肌和骨骼肌的收縮（miR-21和 miR-133a）、肌肉對低氧和缺血的適應(yīng)（miR-21、miR-146a和miR-210）。最近，Bye等人[19]發(fā)現(xiàn)最大攝氧量（VO2max）較低的人群miR-101、21-222表達(dá)增加。運動涉及到miRNAs的變化人體研究見表2。 循環(huán)血液miRNAs可作為診斷各種疾病的標(biāo)志物，因此發(fā)現(xiàn)運動調(diào)節(jié)循環(huán)血液miRNAs的變化，可揭示運動生理學(xué)的獨特的生理標(biāo)注物，洞察運動分子適應(yīng)機(jī)制。

3 MyomiR網(wǎng)絡(luò)

Van Rooij等人在研究miRNA在骨骼肌中作用時，提出了肌肉特異MyomiR（Muscle-Specific miRNA）網(wǎng)絡(luò)這一概念。最初這一概念來源于Van Rooij等人的實驗[23]，該研究發(fā)現(xiàn)失活miR-208a阻滯Myh7基因?qū)Ψ蚀髴?yīng)激的反應(yīng)。Myh7編碼β肌球重鏈蛋白（β-MHC）。miR-208a是Myh6內(nèi)含子，Myh6編碼α肌球重鏈蛋白。miR-208a可調(diào)節(jié)第二個肌球蛋白（β-MHC）的表達(dá)，表明其他相互作用也可能存在。

MyomiR網(wǎng)絡(luò)見圖2[24]，miR-208b來源于Myh7基因第31內(nèi)含子，miR-499來源于Myh7b基因的第19內(nèi)含子，這些MyomiR表達(dá)和宿主基因平行，如miR-208b在骨骼?、裥吐「弑磉_(dá)，在心肌表達(dá)較低；miR-499在心肌和Ⅰ型慢肌高表達(dá)。研究業(yè)已表明這些MyomiR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子（Sox6、Purβ和Sp3）的表達(dá)，這些轉(zhuǎn)錄因子抑制慢肌表型的表達(dá)，研究表明Sox6是β-MHC表達(dá)的主要阻遏物。

圖2 骨骼肌MyomiR網(wǎng)絡(luò)示意圖[24]Figure 2 MyomiR Network of Skeletal Muscles

Van Rooij等人[25]研究發(fā)現(xiàn)MyomiR網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建肌纖維的類型：通過抑制轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來完成。如Sox6抑制慢肌基因的表達(dá)（β-MHC），而miR-208b和miR-499抑制轉(zhuǎn)錄因子，從而促進(jìn)慢肌基因的表達(dá)。這些分子相互作用建立一個反饋循環(huán)，miR-208b調(diào)節(jié)Sox6，抑制miR-208b宿主基因Myh7的表達(dá)。失活miR-208b和miR-499可導(dǎo)致比目魚?、裥图±w維顯著喪失，伴隨著Sox6表達(dá)增加，β-MHC表達(dá)下降60%。相反，miR-499過表達(dá)可導(dǎo)致比目魚肌所有肌纖維轉(zhuǎn)換為Ⅰ型，野生型的小鼠Ⅰ型為55%，從而增加耐力運動的成績。另外，Sox6過表達(dá)可引起β-MHC和慢肌鈣蛋白I表達(dá)喪失，但是不改變快成分的肌鈣蛋白的表達(dá)，表明其他的目標(biāo)基因參與調(diào)節(jié)快成分的表達(dá)。上述研究表明MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)肌纖維的類型。

3.1 MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)解快肌纖維向慢肌纖維轉(zhuǎn)換

認(rèn)識MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)肌纖維的轉(zhuǎn)換中的作用非常重要.McCarthy等人[26]研究表明MyomiR網(wǎng)絡(luò)在骨骼肌可塑變化中具有可操作性，伴隨骨骼肌萎縮，一個標(biāo)志性肌纖維轉(zhuǎn)換是慢型β-MHC表達(dá)下調(diào)。相應(yīng)地，骨骼肌萎縮，miR-208b和miR-499表達(dá)下調(diào)，Sox6表達(dá)2倍增加，β-MHC表達(dá)下調(diào)至28%。但仍需要基因敲除miR-208b和miR-499來證明MyomiR網(wǎng)絡(luò)是否參與調(diào)節(jié)肌纖維的轉(zhuǎn)換。

3.2 MyomiR網(wǎng)絡(luò)調(diào)解肌肉的質(zhì)量

MyomiR網(wǎng)絡(luò)另一作用是可能參與調(diào)解骨骼肌的質(zhì)量，miR-208b和miR-499預(yù)測目標(biāo)基因為肌肉生長限制因子（myostatin，Mstn），主要參與調(diào)解骨骼肌的質(zhì)量。Callis等人[27]研究表明miR-208可抑制Mstn表達(dá)，Bell等人[28]研究表明miR-499可抑制Mstn表達(dá)。

4 結(jié)論

MiRNAs在各種生理過程中起著重要的作用。涉及到細(xì)胞的最初的應(yīng)激反應(yīng)，可快速對各種刺激發(fā)生反應(yīng)，從而作為研究運動適應(yīng)機(jī)制理想的候選分子。但是，關(guān)于MiRNAs機(jī)制的研究主要來源于培養(yǎng)的細(xì)胞和動物實驗，需要人體研究來進(jìn)一步證實。另外，盡管MyomiR網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)節(jié)骨骼肌的適應(yīng)機(jī)制，但是，調(diào)節(jié)MyomiR表達(dá)的機(jī)制并不清楚，這些研究最終能夠為運動訓(xùn)練方法制定提供極其有用的信息，并且能夠為肌肉功能失調(diào)的患者提供極其有用和針對性運動處方。

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