微RNA在胰島素抵抗中的調(diào)節(jié)作用

李嘉熙,王 林(綜述)，李冬民(審校)

(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳與分子生物學(xué)系，西安 710061)

微RNA(MicroRNA，miRNA)是一類具有18～24個核苷酸長度的單鏈RNA分子。植物、動物體內(nèi)相繼發(fā)現(xiàn)的多種miRNA參與眾多基因的表達(dá)調(diào)控，使miRNA成為生命科學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。伴隨高通量測序技術(shù)與生物信息學(xué)方法的應(yīng)用，miRNA在細(xì)胞增殖、分化與死亡、營養(yǎng)代謝、免疫反應(yīng)、腫瘤發(fā)生等多種生命過程中的重要調(diào)控作用被快速揭示，而miRNA對胰島素抵抗(insulin resistance,IR)的調(diào)控作用正日益受到代謝病研究者的廣泛關(guān)注[1]。現(xiàn)主要綜述miRNA在調(diào)控IR發(fā)生中的最新研究進(jìn)展。

1 miRNA的生物合成及其作用機(jī)制

miRNA主要來源于RNA聚合酶Ⅱ或Ⅲ轉(zhuǎn)錄形成的莖環(huán)狀轉(zhuǎn)錄本。在核內(nèi)miRNA基因被RNA聚合酶Ⅱ轉(zhuǎn)錄生成含有1～6個發(fā)夾結(jié)構(gòu)的、且具有帽子結(jié)構(gòu)和多聚腺苷酸尾巴的miRNA初級轉(zhuǎn)錄本[2]；miRNA初級轉(zhuǎn)錄本再由Drosha酶-DGCR8復(fù)合體處理、剪切形成70個核苷酸長度的miRNA前體[3]；miRNA前體由輸出蛋白5復(fù)合體從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)[4]，隨后被Dicer酶切割形成具有局部發(fā)夾結(jié)構(gòu)、20個堿基對長的特異性miRNA雙鏈體[5]。雙鏈體中的一條鏈通過非標(biāo)準(zhǔn)堿基配對與靶信使RNA(messenger RNA,mRNA)形成長6～8個核苷酸的雙鏈區(qū)，組裝成miRNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體，導(dǎo)致靶mRNA翻譯抑制或降解[6-7]。發(fā)生非標(biāo)準(zhǔn)堿基配對的區(qū)域可能位于靶mRNA的3′UTR處。

2 IR

2.1IR概述 胰島素是糖脂代謝的關(guān)鍵性調(diào)節(jié)激素，通過與其特異性受體結(jié)合介導(dǎo)多種生物反應(yīng)過程。當(dāng)脂肪細(xì)胞、肝細(xì)胞以及肌肉細(xì)胞等對胰島素的敏感性降低，導(dǎo)致正常濃度水平的胰島素?zé)o法引起相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)時，出現(xiàn)IR。IR是嚴(yán)重影響人類健康的多種代謝紊亂性疾病(代謝綜合征)的共同病理基礎(chǔ)?，F(xiàn)已清楚，胰島素作用的發(fā)揮必需激活復(fù)雜的胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，途徑中的任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)損傷或障礙時，就可能導(dǎo)致IR。

2.2胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 胰島素對細(xì)胞產(chǎn)生的多種影響均起始于胰島素與其特異性受體的結(jié)合。胰島素受體屬于包括胰島素樣生長因子受體和胰島素受體相關(guān)受體在內(nèi)的酪氨酸激酶受體亞家族，為四聚體蛋白，包含兩個α亞基和兩個β亞基，其中α亞基抑制β亞基的酪氨酸激酶活性[8]。胰島素與受體結(jié)合后，主要激活四條主干信號途徑——葡萄糖儲存和攝取、蛋白質(zhì)合成、脂肪合成的調(diào)節(jié)以及有絲分裂反應(yīng)；本文主要介紹葡萄糖儲存和攝取途徑。

活化的胰島素受體β亞基中酪氨酸殘基磷酸化，并被如胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)等連接分子的磷酸酪氨酸結(jié)合域識別，引起IRS關(guān)鍵酪氨酸殘基的磷酸化[8-9]；其中部分磷酸化的IRS進(jìn)一步被磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-Kinase,PI3K)調(diào)節(jié)亞基p85的SH2結(jié)構(gòu)域所識別，引起PI3K的催化亞基p110催化磷脂酰肌醇二磷酸磷酸化為三磷酸肌醇。三磷酸肌醇一個重要的下游效應(yīng)分子為Akt，活化的Akt磷酸化并使糖原合酶激酶3失活。糖原合酶激酶3能夠磷酸化糖原合酶而抑制糖原合成，因此糖原合酶激酶3的失活能夠增強(qiáng)糖原合成。胰島素還可增加葡萄糖攝取，主要通過PI3K-Akt途徑，經(jīng)由活化的Akt，使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)子4由細(xì)胞質(zhì)儲存庫轉(zhuǎn)移插入細(xì)胞膜引起。

蛋白酪氨酸磷酸酯酶(protein tyrosine phosphatase,PTPase)催化胰島素受體及其底物的去磷酸化，減弱胰島素的作用，許多蛋白酪氨酸磷酸酯酶涉及胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)調(diào)控。其中一種細(xì)胞內(nèi)的蛋白酪氨酸磷酸酯酶——PTP1B具有胰島素受體磷酸酯酶活性[10]；磷酸酶和張力蛋白同源基因通過使3，4，5-三磷酸肌醇去磷酸化負(fù)調(diào)控胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[11]。

3 miRNA與IR

近期的大量研究顯示，胰島素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受多種miRNA的調(diào)控，多種miRNA異常與IR和代謝綜合征的發(fā)生密切相關(guān)[12-26]。

3.1miRNA影響胰島素受體引起IR 胰島素受體是胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的第一環(huán)節(jié)，是引起IR的miRNA重要的靶點(diǎn)之一。Zhu等[12]研究發(fā)現(xiàn),Lin28蛋白可以通過阻抑Let-7的成熟活化胰島素-PI3K-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，改善靶細(xì)胞對胰島素的敏感性。Let-7是早期發(fā)現(xiàn)的miRNA家族之一，所有Let-7家族成員與mRNA相互作用的種子序列相同，具有相似的功能。Lin-28是一種RNA結(jié)合蛋白，是Let-7家族miRNA的抑制物。最近發(fā)現(xiàn)，Lin28的表達(dá)升高增加胰島素敏感性；與此同時，Let-7的表達(dá)下降，表明Let-7與IR的發(fā)生有一定關(guān)系[12]。在C2C12成肌細(xì)胞中，表達(dá)上調(diào)的Lin28使Akt Ser473和Thr308位點(diǎn)上磷酸化增強(qiáng)，促進(jìn)PI3K/Akt通路的激活；向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)染成熟Let-7f雙鏈體后，Lin28誘導(dǎo)的Akt磷酸化減少，表明Lin28對PI3K/Akt通路的激活作用與抑制Let-7有關(guān)；進(jìn)一步的熒光素酶報告基因研究發(fā)現(xiàn)胰島素受體、IRS2的3′UTR是Let-7的作用靶點(diǎn)。無論是Let-7f雙鏈體的轉(zhuǎn)染或者是Lin28基因剔除均抑制胰島素-PI3K-(哺乳動物雷帕霉素靶蛋白)通路，證明Let-7直接引起IR。

Frost等[13]在其研究中進(jìn)一步證實(shí)并補(bǔ)充了上述結(jié)論。研究者向高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠注射Let-7的反義寡核苷酸后，小鼠糖耐量顯著改善，且葡萄糖刺激條件下胰島素水平顯著降低，說明小鼠外周組織的胰島素敏感性較高。生物信息學(xué)預(yù)測Let-7可能靶向胰島素受體與IRS2的3′UTR，經(jīng)Let-7反義寡核苷酸處理的高脂飲食小鼠肝臟中IRS2表達(dá)回升，胰島素受體在骨骼肌和肝臟中均回升，進(jìn)一步解釋了反義寡核苷酸介導(dǎo)的Let-7剔除提高組織細(xì)胞胰島素敏感性的作用機(jī)制。

3.2miRNA影響IRS引起IR IRS是胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中胰島素受體下游的重要連接分子。目前，miRNA作用于胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究多數(shù)集中在對IRS的調(diào)控上，說明IRS是IR發(fā)生中較為重要的調(diào)控靶點(diǎn)。

Ryu等[14]通過用溴乙錠、尿苷刪除線粒體DNA，再用魚藤酮或抗霉素A抑制線粒體代謝誘導(dǎo)線粒體功能障礙引起的IR中，IRS1表達(dá)下降、幾個預(yù)測的靶向IRS1 3′UTR的miRNA表達(dá)升高，熒光素酶報告基因試驗(yàn)證明miR-126的確靶向IRS1 3′UTR。另外，miR-126在過表達(dá)后可以引起肝細(xì)胞的IR。因此，miR-126與肝細(xì)胞線粒體功能障礙引起的IR密切相關(guān)。

除miR-126外，Karolina等[15]發(fā)現(xiàn)miR-144可通過抑制IRS1使胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受損。該小組采用微陣列技術(shù)測試了高脂飲食誘導(dǎo)的2型糖尿病模型大鼠胰腺、肝臟、脂肪、骨骼肌與外周血以及2型糖尿病患者外周血中miRNA與mRNA的分布，發(fā)現(xiàn)miR-144表達(dá)顯著升高、而IRS1的mRNA表達(dá)下降，與生物信息學(xué)預(yù)測“IRS1的mRNA是miR-144的作用靶”相吻合；隨后的熒光素酶報告基因?qū)嶒?yàn)證明IRS1的3′UTR區(qū)含有miR-144的兩個結(jié)合靶點(diǎn)。隨后分別用miR-144前體和miR-144反義寡核苷酸轉(zhuǎn)染HeLa細(xì)胞與3T3L1細(xì)胞，前者miR-144顯著升高而IRS1 mRNA降低，后者則相反，說明miR-144能夠通過抑制IRS1調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

另外，Li等[16]也發(fā)現(xiàn)miR-7能夠通過抑制IRS1的表達(dá)而抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。研究者用棕櫚酸處理的C2C12細(xì)胞在胰島素刺激后Akt磷酸化水平顯著下降，表現(xiàn)出IR。再用油酸處理IR的細(xì)胞，其胰島素刺激后Akt磷酸化恢復(fù)正常。該小組又分別對僅棕櫚酸處理、先后用棕櫚酸及油酸處理及正常C2C12細(xì)胞進(jìn)行miRNA微陣列分析，結(jié)合實(shí)時定量聚合酶鏈反應(yīng)和生物信息學(xué)技術(shù)對miRNA的功能預(yù)測，篩選出miR-7進(jìn)行后續(xù)研究。后續(xù)試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)染miR-7雙鏈體前體的C2C12細(xì)胞在經(jīng)過胰島素刺激后Akt磷酸化顯著減少。熒光素酶報告基因試驗(yàn)證實(shí)miR-7靶向IRS1的3′UTR，在轉(zhuǎn)染前體miR-7雙鏈體的細(xì)胞中IRS1蛋白表達(dá)顯著減少。這些結(jié)果證實(shí)miR-7主要通過抑制IRS1表達(dá)而對胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在IRS中，IRS2也是miRNA作用的靶點(diǎn)之一。Dávalos等[17]發(fā)現(xiàn)miR-33a/b能夠通過抑制IRS2調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。利用生物信息學(xué)預(yù)測miR-33a/b的作用靶點(diǎn)時，發(fā)現(xiàn)IRS2是其可能的作用靶點(diǎn)之一。隨后的熒光素酶報告基因試驗(yàn)證明miR-33a/b能夠靶向IRS2的mRNA 3′UTR。當(dāng)向Huh7細(xì)胞中轉(zhuǎn)染miR-33a/b時，IRS2 mRNA表達(dá)顯著受抑，而轉(zhuǎn)染miR-33a/b反義寡核苷酸時則相反。而且，轉(zhuǎn)染后胰島素刺激引起的Akt磷酸化減少可由缺少3′UTR的IRS2互補(bǔ)DNA得以恢復(fù)。這些結(jié)果均說明miR-33a/b能夠抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

3.3miRNA影響PI3K引起IR PI3K是胰島素受體下游的信號分子，能夠直接激活A(yù)kt，并進(jìn)一步激活下游的GLUT4而增加葡萄糖攝取，是胰島素受體-PI3K-Akt-GLUT4通路的重要環(huán)節(jié)。Ling等[18]發(fā)現(xiàn)miR-320通過抑制PI3K的p85亞基而調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。研究者利用高濃度葡萄糖及胰島素誘導(dǎo)3T3-L1脂肪細(xì)胞產(chǎn)生IR，然后對其進(jìn)行miRNA微陣列分析，結(jié)果顯示miR-320表達(dá)顯著上調(diào)。生物信息學(xué)預(yù)測miR-320的可能作用靶點(diǎn)是PI3K的p85α亞基mRNA。用miR-320的反義寡核苷酸轉(zhuǎn)染IR的3T3-L1細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)PI3K的p85亞基恢復(fù)到正常表達(dá)水平，PI3K下游的Akt磷酸化和GLUT4的表達(dá)量也得以恢復(fù)，而胰島素刺激下的葡萄糖攝取能力恢復(fù)了41%。說明了miR-320對于胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)機(jī)制。

3.4miRNA間接影響胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中分子引起IR 胰島素的作用過程涉及龐大的信號傳遞與調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，除上述的主干途徑外，還存在復(fù)雜的其他途徑，miRNA作用于分支途徑中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子時也會對主干途徑產(chǎn)生間接影響，引起IR。Jordan等[19]的研究顯示miR-143靶向作用于氧化固醇結(jié)合蛋白相關(guān)蛋白8(是與胰島素刺激下Akt磷酸化關(guān)系緊密的上游信號分子，甚至直接控制Akt磷酸化)的mRNA，負(fù)調(diào)控其表達(dá)，進(jìn)而降低Akt活化，改變胰島素敏感性。He等[20]發(fā)現(xiàn)miR-29a/b能夠顯著抑制胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的信號分子胰島素誘導(dǎo)基因1以及不直接參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的小凹蛋白2的表達(dá)，對胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的其他分子也有一定程度的影響。另外，miR-29a/b能夠間接影響Akt的活化，引起IR。Trajkovski等[21]的研究結(jié)果表明miR-103/107能夠負(fù)調(diào)控易化胞外信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用的Cav1，影響胰島素受體的磷酸化，使胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受損，引起IR。Herrera等[22]發(fā)現(xiàn)在IR發(fā)生中，miR-125a的表達(dá)顯著上調(diào)，致使其位于促分裂原活化蛋白激酶轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的靶分子表達(dá)下調(diào)，促分裂原活化蛋白激酶途徑受抑(促分裂原活化蛋白激酶途徑被認(rèn)為與2型糖尿病的發(fā)生有關(guān))，推測miR-125a可能間接引起IR。

上述研究結(jié)果顯示，異常增高的miRNA表達(dá)與IR的發(fā)生密切相關(guān)；但少量研究顯示，異常減少的miRNA也可間接引起IR。Yang等[23]的研究證明，在IR的肝細(xì)胞中，miR-122的表達(dá)顯著下降，使其對靶基因PTP1B mRNA的抑制作用下降，去磷酸化作用加強(qiáng)，引起胰島素敏感性降低。Ling等[24]則證明miR-21負(fù)調(diào)控PTEN，在IR的脂肪細(xì)胞中其表達(dá)顯著下降，通過減弱對PTEN去磷酸化作用的抑制引起IR。而Balasubramanyam等[25]發(fā)現(xiàn)miR-146a負(fù)調(diào)控TRAF-6、核因子κB等促炎反應(yīng)基因，在2型糖尿病患者體內(nèi)miR-146a的表達(dá)顯著下降，對促炎基因的抑制作用減弱，引起亞臨床炎癥，使血液和組織中的腫瘤壞死因子α與白細(xì)胞介素6水平升高，而這兩種分子均被證明能通過影響胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑而導(dǎo)致IR[26]。

4 結(jié)語和展望

代謝紊亂性疾病已成為現(xiàn)代社會中影響人類健康的主要疾病，探究其發(fā)病機(jī)制、追索有效的預(yù)防和治療方法，無疑有著極為重要的研究意義和實(shí)踐價值。隨著miRNA研究的不斷深入，其在代謝紊亂性疾病發(fā)生的調(diào)節(jié)作用被不斷揭示，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種miRNA參與調(diào)節(jié)胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，其表達(dá)異常與IR的發(fā)生密切相關(guān)。但是，miRNA對胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，一個效應(yīng)過程可能涉及多種miRNA分子的共同作用。目前發(fā)現(xiàn)的IR相關(guān)的miRNA大部分是通過影響胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的下游分子而起作用的，針對能夠調(diào)控途徑起始點(diǎn)處胰島素受體的miRNA的研究卻不多見。理論上，胰島素受體活性的調(diào)節(jié)對胰島素敏感性的影響更加直接。而且，對于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的IR相關(guān)miRNA的詳細(xì)作用機(jī)制尚未研究清楚，還存在不完善的地方。但是，伴隨技術(shù)方法的不斷革新，上述參與IR調(diào)控的miRNA研究的前沿成果與思路，必將為代謝紊亂性疾病的預(yù)防和治療開辟新的突破口和努力的方向。

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